“DNA的复制”基于科学史探究的教学

刘本举（濮阳市第一高级中学 河南濮阳 457000）

该文章发表于《生物学教学》2008年第3期

摘  要：本节课利用DNA复制的科学史经典实验，设计成为基于资料

和问题的课堂探究性学习活动，让学生参与教学过程，成为知识的主动

探索者，使基础知识的学习过程和能力培养相辅相承，顺利实现科学方

法教育与创新思维训练的课程目标。

关键词： DNA复制   科学史   探究性学习

1.教材分析与教学设计思路

1.1  DNA的复制与前述内容有丝分裂和减数分裂有密切联系，以DNA的结构作为基础，还是后续内容基因的表达和基因突变等的基础，因此本节课在教材中占有非常重要的地位。

1.2  DNA复制的研究经历了几十年，许多科学家提出了多种假设，经过了多次修正和完善，较好地呈现出科学观点的可变性与科学知识的发展性，可以让学生体味科学观点的可修正性，较好地引导和鼓励学生的质疑精神。

1.3  DNA的复制过程具有微观、抽象的特点，学生会感到较难理解，尤其关于DNA复制的特点，应属于本节课的难点。如果用计算机模拟DNA复制的微观过程，展示后让学生讨论总结，就会使教学过程的呈现简单化，不利于学生抽象逻辑思维和创造性思维能力的培养和发展，所以本节课采用基于科学史经典实验的探究教学活动为课堂主线，采用假说---演绎法，让学生经历问题→假说→实验设计→实验分析的探究过程，深刻理解DNA复制的过程与特点，顺利突破难点。在这个过程中，学生还可以得到假说演绎推理能力的提高，而大量问题的提出和解决过程，又能提高学生的学习兴趣，从而达到知识、能力、情感三维教学目标的实现。

2.教学过程

2.1利用Kornberg的DNA合成实验，引导学生发现问题，并鼓励学生根据已有知识推测DNA复制模型，由此顺利提出假设。

该教学过程以讲故事的形式开始，可以较好地抓住学生的思维，使他们顺利进入科学探究的状态。

在1953年以前，基因的物质本性一直是困扰着全世界生物学家的问题。1953年4月25日《自然》杂志发表了沃森（J·Watson）和克里克（F·Crick）的DNA双螺旋结构模型，既反映了DNA分子可能具有的无穷多样性，又能立刻提出DNA分子自我复制的可能机制，使生物学家一下子接受了基因的物质本质就是DNA。但是，DNA双螺旋结构模型虽然是以众多的实验结果为依据，但它本身却尚有待于实验证明。基中第一个问题就是：DNA果真是一种能自我复制的分子吗？在DNA双螺旋结构模型发表之后，科恩伯格就以这一模型作为设想基础，用实验方法研究DNA的复制，并取得成功，于1956年发表了初步结果。

同学们想一想：如果要在生物体外完成DNA的复制，必须具备哪些条件？实验应如何进行？给学生留下思考时间，提问后总结并介绍科恩伯格实验过程，主要介绍他成功的原因，并由此引导学生推测复制过程的特点，即复制的可能模型。

科恩伯格设想，细胞内必有合成DNA所需的酶。于是他把大肠杆菌磨碎，用其提取液加上4种脱氧核苷酸（实际使用的是4种脱氧核苷三磷酸），其中至少有一种进行放射性同位素标记，以便于检查实验结果，再加一点点微量DNA作为“模板”（比如小牛胸腺DNA、大肠杆菌DNA等）。把上述混合液在有镁离子存在的条件下于37℃静置30min，发现放射性标记已进入DNA部分，说明有新合成的DNA分子。新合成的DNA分子用过氯沉淀法提纯后，科恩伯格测定了产物DNA的碱基组成，发现它们同模板DNA组成惊人的相似。（关于DNA复制所需引物，是制备模板时形成的一些断裂的含3’-OH端的小分子DNA。由于知识所限，课堂上不宜提出。）

根据上述过程分析：①DNA可以复制吗？实验中哪些信息支持这个结论？②DNA复制所需原料有哪些？③大肠杆菌研磨液为DNA复制提供了哪些物质和条件？④如果不加入“模板”DNA，新DNA可以合成吗？

上述问题依次提出，由学生通过这些问题的讨论、分析理解DNA复制所需的条件，并学会实验分析的思路与方法。根据上述问题的分析和学生的实际情况，引导学生提出新问题：DNA复制的微观过程是怎样依据模板的脱氧核苷酸序列合成同样序列的子代DNA的？请根据DNA分子的双螺旋结构特点推测DNA复制的模型。

学生已经学习了DNA分子的结构，可以利用所学知识进行推理并建构新知识，通过这个过程确立假设。让小组代表将讨论的结果向全班展示并由其他小组评价后，教师介绍以下三个科学家的推测与假设：

①全保留复制模型：作为模板的DNA的两条母链分开，分别复制形成两条DNA子链，此后两条母链彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子。

②弥散复制模型：亲代DNA双链被切成双链片段，而这些片段又可以作为新合成双链片段的模板，新、老双链又以某种方式聚集成“杂种链”。

③半保留复制：在复制过程中，原来双螺旋的两条链并没有被破坏，它们分成单独的链，每一条旧链作为模板再合成一条新链，这样在新合成的两个双螺旋分子中，每个分子中都有一条旧链和一条新链。

2.2 结合DNA复制的三个模型，引导学生进行实验设计和科学史实验分析，达到训练学生演绎推理能力的教学目的

同学们想一想，DNA复制到底是一个什么样的过程？科学家们对这个问题进行了五年的研究，用了许多方法对DNA复制的方式进行证明。下面我们也沿着科学家的研究历程，探索DNA复制的微观过程。

首先介绍两种技术：①CsCl密度梯度离心技术。此种离心技术常用氯化铯制作密度梯度。被分离的物质是依靠它们的密度不同进行分离的，在梯度介质中，将所需分离的样品小心地加至密度梯度溶液的顶部，当被分离的物质分别达到与其密度相同的介质部位时就不再移动，从而达到分离的目的。例如，DNA在密度梯度离心过程中，停留在密度梯度为1.7g/cm的位置，而RNA停止在1.9g/cm的部位。②同位素标记技术。¹⁵N和¹⁴N相对分子质量不同，标记后大分子的相对分子质量也有差异，当然其密度会有所不同，可以通过密度梯度离心的方法来分离。

让学生分组讨论，因为这个问题有一定难度，所以应留下充足的讨论时间。然后让小组代表发言，介绍小组讨论结果，其他小组评价完善，最后教师根据学生讨论结果总结评价，并介绍Meselson—Stahl（梅赛尔—斯特尔）的半保留复制实验，并引导学生分析实验，解决相关问题：

半保留复制模型于1953年就已经提出，直到1958年Meselson-Stahl才通过实验证实其正确性。其难度就在于一定要创立一个能度量出个体DNA分子微小放射性含量的方法才行，直到1957年才获得了方法上的突破。M. Meselson和F. W. Stahl采用稳定的同位素¹⁵N作DNA标记，¹⁵N会导致DNA分子密度显著增加。这样可以通过密度梯度离心将不同的DNA分子区分开来。

第一步：他们将大肠杆菌放在含有¹⁵N的培养基上生长，获得实验用的亲代细菌，使亲代的DNA双链都标记上¹⁵N（两条链均为重链），提取DNA进行CsCl梯度离心，结果只有一条带位于离心管底部。

第二步：后再将持续生长的后代放在含¹⁴N的培养基中生长，让其再繁殖一代，取子代的DNA进行CsCl梯度离心，实验结果显示离心管中只出现1条带。

第三步：将第二步所得到的大肠杆菌放入含¹⁴N的培养基中培养，得到子二代，然后提取DNA进行CsCl梯度离心，实验的结果是离心管中有2条带，比例相等，一条位于上部，一条位于中部。

问题①：该实验的第二步结果足以否定“全保留复制模型”吗？也可以排除了“弥散复制模型”吗？为什么？（答案：亲代的DNA双链都标记上¹⁵N（重链），即为¹⁵N‖¹⁵N。提取DNA进行CsCl梯度离心，结果只有一条带位于离心管底部。新合成的链中所含的N原子皆为¹⁴N（轻链）。若是半保留复制应只出现一种“杂种DNA”，即¹⁵N‖¹⁴N；而若是全保留复制应有两种双链DNA，亲代双链皆由¹⁵N标记，即¹⁵N‖¹⁵N，新合成的双链全为¹⁴N，即：¹⁴N‖¹⁴N；提取DNA进行CsCl梯度离心，结果应该是离心管出现两条带：¹⁴N‖¹⁴N为轻DNA，在离心管的上部，¹⁵N‖¹⁵N为重DNA，在离心管的下部。但是，结果却是只在中部有一条带，否定了“全保留模型”。若是按“弥散模型”也只会产生¹⁴N和¹⁵N相同排列的一种双链。所以弥散复制模型不能排除。）

问题②：第三步能否定弥散复制模型吗？为什么？（答案：将子一代大肠杆菌再放入含¹⁴N的培养基中培养，按“半保留复制模型”预期应有两种双螺旋，一种由含¹⁴N‖¹⁵N组成的杂种DNA，另一种是由两条轻链组成的轻DNA：¹⁴N‖¹⁴N。这两种DNA的数量相等；若按“全保留复制”预期，也会产生两种链，但和前者不同，一种是完全由轻链组成的双链，另一种是完全由重链组成的双链，数量之比为3：1；若按“弥散模型”预期，第二代子链都是轻重相间排列，仅轻链片段比例要多于重链片段，所以预期仅一条带位于中上部。但实验的结果却是完全符合半保留复制，而彻底排除“弥散模型”。虽然按全保留复制也只产生两条带，但比例和位置都不符合，结合第一步实验也可完全排除。从而十分信服地证实了DNA半保留复制是完全正确的。）

问题③：实验结果支持三个假设模型中的哪一个？（答案：略）

问题④：如果实验继续进行第四步，让大肠杆菌在¹⁴N培养基上再繁殖一代，提取DNA进行CsCl梯度离心，结果会怎样？离心管内有几条带？比例如何？（答案：离心管内有2条带，“轻DNA”和“中DNA”的比例为3：1）

问题⑤：Meselson为了进一步验证DNA的半保留复制的真实性，又把第一代的¹⁴N‖¹⁵N杂种链经变性（使两条链分离成单链）分开，然后再将变性前后的双链和单链分别进行CsCl密度梯度离心。同学们想一想，实验结果应该如何？请预期并进行合理解释。（答案：变性前杂种双链只有一条带，位于离心管中部。变性后出现两条带，分别位于离心管的上部和下部。即¹⁴N链位于上部，¹⁵N链位于下部。这个实验结果说明了第一代DNA的确由¹⁴N和¹⁵N两种链组成，很好地支持了“半保留复制模型”）

上述五个问题通过学生分组讨论，小组代表发言后，老师评价总结。这些问题有一定难度，对学生来说新颖而具有挑战性，所以学生很乐意去思考和分析，不仅可以提高学生的演绎推理能力和创新能力，对于提高学生的学习兴趣，培养学生的非智力因素也有好处。

2.3 利用Herbert Taylar的蚕豆根尖实验，培养学生的发散思维能力

为了让学生加深理解，并养成多角度思考问题的习惯，此时介绍Taylar实验,由学生分析并解决相关问题。

1958年Herbert Taylar用³H标记蚕豆根尖细胞的DNA，通过放射自显影技术证实了真核生物的DNA复制也符合半保留模型。每条染色体含有一条双链DNA，Taylar用³H标记蚕豆根尖细胞的DNA（标记双链），然后让细胞进行有丝分裂，请同学们预测实验结果：

①经放射自显影后，第一细胞周期的中期，每个染色体的两条色单体中有几条被标记？

②到第二细胞周期的中期，所有染色体都一样吗？每个染色体中有几条染色单体被标记？

③到第三细胞周期的中期时，所有染色体都一样吗？每个染色体中有几条染色单体被标记？

④上述结果说明什么问题？

通过上述问题的解决，学生既可以学习实验思路和方法，并得到发散思维的训练，同时也训练和提高了推理分析能力。然后给学生介绍一种新的实验方法，让学生从一个新的角度进行科学方法的训练，体验科学家的智慧，并使所学知识得到迁移应用。

2.4 借助科学史实验分析，促成知识迁移

随着科学技术的发展，新技术被不断利用于生物学实验中。半保留复制的证明方法变得更为简单，姐妹染色体色差法（sister-chromatid differential staining简称SCD）诞生了。1974年Korenberg和Freedlender改进了这一技术，在复制过程中用胸苷尿嘧啶的类似物5溴脱氧尿嘧啶（5-Bromodeoxy uridine，简称BUdR）可以掺入到新合成的DNA中，使新合成链中的T被BUdR所取代。这样母链中含有T，而新合成的链中含的是BUdR。在掺入BUdR后经紫外光的照射，可损伤含有BUdR的双链，这样再用Giemsa染色，只有含T双链或T－BUdR杂种链可被染色，而BUdR双链则因DNA破坏染不上色。这样在荧光显微镜下可观察到两条姐妹染色单体有无荧光，这个实验可以直接观察结果。

此时给学生提出如下问题，让学生讨论分析。

①第一细胞周期、第二细胞周期、第三细胞周期的中期细胞内染色体的染色情况如何（主要指各个染色体的染色情况和每个染色体的两个姐妹染色单体的染色情况）？

②这样的染色结果支持半保留复制模型吗？如何解释？

通过这个实验的分析，学生一般能更为深刻地理解半保留复制的特点，并结合原有的细胞分裂和染色体的知识进行新知识的建构，同时获得实验分析与探究能力的训练与提高。

2.5 归纳总结，形成概念

通过上述实验设计与分析过程，学生已经掌握了DNA的半保留复制特点，难点已经突破，此时引导学生归纳总结DNA复制的概念，有水到渠成的感觉。利用已有知识，结合细胞分裂，通过以下几个方面总结，使学生形成概念。

3．教学反思

3.1 本节课利用DNA复制科学史中的几个科学实验，转化成为学生可以在课堂上进行的探究性学习活动，通过基于实验设计、分析等问题的探究学习过程，让学生在学习基础知识的同时得到科学方法和科学思维的训练。

3.2 生物科学史不仅提供了相关的科学知识，而且蕴含丰富的科学思维、科学探究方法的教育素材，利用这些素材可以引导学生深入思考科学家的思维过程，领悟科学家是如何发现问题、寻找证据、合理推理的，体验科学家不断深化对问题认识的过程和科学探索的精神。所以，在生物教学中恰当地应用科学史，充分发挥其教育功能，能更好地体现普通高中《生物课程标准》的教育理念，将有助于我们实现“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三位一体的课程目标。

3.3 科学史揭示了每一个知识点的产生过程就是一个探究的过程，展示了在探究知识的过程中科学家所持观点之间的碰撞和论争，呈现了科学家的科学态度、科学精神和科学世界观。在学习的过程中，让学生体会科学知识结论的发展性和可修正性，体味科学的本质，学习科学家的科学精神。所以生命科学史对于培养学生的科学素养具有重要的意义。

参考文献

1．刘恩山,汪忠.生物新课程标准解读.南京:江苏教育出版社,2004,3:61—87.

2.徐学福.探究教学研究.桂林:广西师范大学出版社,2005,9:35—72.

英文题目：Teaching designing with Science history for the section “DNA replication”

Key word：  DNA replication   Science history   Inquiry study

作    者：Liu benju

作者简介：刘本举，男，1971年12月出生，研究生毕业，理学硕士。中学高级教师。曾于2001年获得河南省高中生物优质课大赛一等奖。河南省教研室高中教研中心生物学科中心组核心成员，濮阳市教育局生物学科兼职教研员，濮阳市第一高级中学生物教研组长。近年发表教育教学论文30余篇，其中在核心期刊发表论文20篇。