《3.1 DNA是主要的遗传物质》教学设计

《3.1DNA是主要的遗传物质》教学设计备课人高丹一、前端分析教材分析“DNA是主要的遗传物质”是人教版高中生物学教材必修2《遗传与进化》第3章第1节内容，主要以发现遗传物质的本质的发现史为主线，首先由早期科学家关于遗传物质是蛋白质还是DNA的争论，引出经典实验：肺炎链球菌的体内、体外转化实验和T2噬菌体侵染细菌实验，得出DNA是主要遗传物质的主张。学生学习过有丝分裂、减数分裂和受精作用等知识，知道染色体在遗传中起着重要作用，具有一定的知识储备。教材中蕴含着丰富的生物科学史素材，体现了人类对遗传物质本质的认知过程和研究方法的推进过程，而这也是本节内容的教学重难点。教材变点及变化意图分析1.本节课最大的变化就是艾弗里实验过程的修改，实验版教材讲述艾弗里从肺炎链球菌S型菌中分别提取了DNA、RNA、蛋白质等物质，然后与活的R型菌混合培养，观察是否发生转化。新教材修改为“”他向提取物中分别加入了蛋白酶、酯酶、RNA酶、DNA酶，结果发现，只有DNA酶能够阻止转化实验，这说明被DNA酶分解的DNA极可能就是有活性的“转化因子”。（依旧1944年艾弗里发辫的论文和当时但际上，当时的技术条件无法彻底分离这些物质，变化意图真实还原艾弗里的真实实验过程，体现科学的求真思想）2.教材还补充介绍了艾弗里分析发现“转化因子”的理化特征与DNA十分相似。综合这些结论表明，DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。（依旧艾弗里实验的本质，还原艾弗里的完整的思维过程，体现科学研究的严谨性）3.实验版教材讲述：“赫尔希和蔡斯完成了一个更具说服力的实验”，新教材删除了这句话中的“更”字。（还原当时艾弗里研究的真实的背景，避免对这两个实验的重要性产生误解）4.新教材将肺炎双球菌改为肺炎链球菌（依旧生物命名的变化，体现知识的更新）学情分析学生已经具备了有丝分裂、减数分裂和受精作用等细胞学基础，掌握了生物的生殖过程、染色体的化学组成、蛋白质与核酸的元素组成等相关知识，为学生学习新课提供了知识基础。高一学生具备了一定的认知能力，思维的连续性和逻辑性也初步建立，但还很不完善，他们对事物的探究有激情，但往往对探究的目的、过程及结论不能够完全确定。因此，教师在设计课程时，应首先向学生明确整个实验的目的，以问题为驱动，引导学生体验科学探究的过程，得出实验的结论。二、学习目标素养目标1.通过对不同生物遗传物质化学本质的学习与探讨，认识生物的多样性与统一性。（生命观念）2.通过梳理DNA可能是遗传物质、DNA是遗传物质和DNA是主要遗传物质的层层论证，锻炼学生归纳概括、推理论证的能力，养成批判性思维。（科学思维）3.通过小组合作讨论分析几个经典实验的实验设计思路和基本环节，同时利用“减法原理”进一步完善RNA是遗传物质的实验，发展科学探究的精神及能力。（科学探究）4.体会科学发展过程中严密的逻辑推理，认同科学的发展是一个继承、发展与创新的辩证过程。（社会责任））三、教学重难点重点理解经典实验设计的原理，分析实验结果难点噬菌体侵染细菌实验的原理和过程四、教学策略选择科学史教学策略、情境贯穿教学策略、采用自主学习和合作学习相结合的策略，以学生为中心围绕重难点进行探究性学习。五、教学准备教学资源准备：科学史资料准备、多媒体课件、安排学生提前进行预习六、教学过程教学环节教学过程及学生活动设计意图情境导课(3分钟)展示中国医生齐心协力抗击新冠肺炎相关图片，2019年12月，武汉市爆发不明原因的肺炎疫情，随后我国科学家在实验室检出一种新型冠状病毒，并初步判定为引发本次肺炎疫情的病原体，寻找新冠病毒的遗传物质就成为破解新冠肺炎的首要任务。那么遗传物质是什么？科学家又是如何通过实验发现的？学生活动：观察图片，思考，产生疑问。用新冠肺炎疫情导入新课，引导学生关注社会热点，落实社会责任。展示学标1.能复述科学家对遗传物质推测的探索过程,明确遗传物质具备的特点。2.能概述DNA是主要的遗传物质的探索过程，能说明自变量控制中的"加法原理"和"减法原理"。3.能总结人类对遗传物质的认识是不断深化、不断完善的过程，总结实验技术在证明DNA是遗传物质中的作用。明确学习目标一、对遗传物质的早期预测介绍20世纪中叶人们对遗传物质认知。20世纪20年代人们已经认识到蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子，氨基酸多种多样的排列顺序中可能蕴含着遗传信息，所以当时大多数科学家认为蛋白质是遗传物质。到了20世纪30年代人们认识到DNA是由4种脱氧核苷酸聚合成的生物大分子。这一认识本可以让人们意识到DNA的重要性，但是，由于对DNA的结构没有清晰了解，认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。【提问】究竟什么是生物体的遗传物质？作为生物体的遗传物质可能具有哪些特点？今天让我们和科学家一起探寻。学生活动：学生认真听讲，让自己进入到20世纪中叶那段充满争论的历史中，了解人们争论的主题什么？为什么会有这样的争论？【思考】遗传物质是什么？它们可能具有的哪些特点？创设科学史情景，让学生置身于那段历史的真实情景中认知和思考。为学生理解科学家接下来的进一步探寻什么是遗传物质打下结实的基础。二、肺炎链球菌的转化实验（体内）介绍科学家寻找遗传物质的实验证据。第一是格里菲思的肺炎链球菌转化实验。首先要介绍背景，通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点提出挑战的，其次是美国微生物学家艾弗里，而艾弗里的实验又是在英国微生物学家格里菲斯的实验基础上进行的。【提问】当年格里菲思做了一个什么样的实验呢？学生活动：学生认真跟随老师思考并回答：肺炎链球菌转化实验【提问】这个实验用到的实验材料有小白鼠和两种肺炎链球菌，请同学们根据预习学案回答两种肺炎链球菌的特点：学生活动：根据预习学案回答老师问题。实验背景：当年格里菲思做肺炎链球菌转化实验并不是为了去探寻DNA和蛋白质究竟谁是遗传物质，而是为了证明肺炎链球菌会使得小鼠患肺炎，在实验过程他有了偶然的发现。【提问】他发现了什么？下面让我们来看他的实验过程。一开始格里菲思做了三组实验，下面请同学观察格里菲思的实验实验过程示意图思考以下问题：思考：1.第一组的实验结果与第二组实验结果比较说明了什么？2. 第三组的实验结果与第二组对比说明了什么？在前三组实验的基础上格里菲思进行了第4组实验，将加热致死的S型菌和R型菌混和注入到小鼠体内。【追问】请同学们猜测第4组小鼠是否死亡？接着请同学们思考以下问题：3.第一、三组和第四组的实验结果比较说明？由此格里菲思得出这样的实验推论：已经加热致死的S型细菌，含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质转化因子。学生活动：说明在加热致死的S型菌中存在某种活性物质使得R型菌转化成S型菌。【过渡】格里菲思的实验结论引起了艾弗里及其同事的关注。他们分析加热致死的S菌的组成成分，发现加热致死的S型菌有DNA、蛋白质、多糖、脂质、RNA等物质。【提问】这些物质中究竟哪一种是转化因子？这需要我们通过实验来进一步探究。思考：假如你是艾弗里该如何设计实验来进一步探究？同学们这个同学设计思路有道理吗？但艾弗里及其同事并没有像这样来做，是因为当时的物质提纯非常的困难，没有办法将DNA和蛋白质等物质完全的提纯出来。为了解决这一问题，艾弗里及其同事另辟蹊径采用酶解法进行了进一步的研究。下面我们一起来看艾弗里的实验过程。创设真实的科学史情景，使学生置身于当时的情景思考提前布置预习学案，充分调动学生自主学习兴趣利用追问，引导学生更为深入的思考。创设情景，让学生在具体的历史情景中思考学习。三、肺炎链球菌的转化实验（体外）介绍实验的基本情况：艾弗里一共做了5组实验，在第2-4组实验分别在S型细菌的提取物中加入了蛋白酶、RNA酶、脂酶和DNA酶。【提问】蛋白酶的作用是？RNA酶的作用是？【课堂自主学习活动】请同学们有声阅读教材P44页第2段，20世纪40年代这一段，读完后，观察艾弗里的实验过程，思考以下问题。①第一组实验的结果说明了什么？②第二至四组的实验的结果和第一组实验结果比较说明了什么？③第五组的实验结果和第一组实验结果比较说明了什么？思考：④请同学们阅读教材P46页的科学方法，思考该实验中实验组的设置遵循自变量控制中什么原理？【结论】艾弗里等人进一步分析了细胞提取物的理化特性，发现这些特性与DNA极为相似，于是艾弗里提出了不同于当时大多数科学家的实验结论：DNA才是使R型菌产生稳定遗传变化的物质；蛋白质等其它物质不是遗传物质。与常态相比，人为去除某种影响因素是减法原理，相反与常态相比人为增加某种影响因素是加法原理。利用问题引导学生自主阅读课本，思考提出的问题，进行启发式教学。阅读教材，自主思考相关问题四、噬菌体侵染细菌实验艾弗里的实验结论一经提出就遭到了多人的质疑。思考：这是为什么呢？原因有两方面，一方面是因为当时的思想束缚，认为蛋白质是遗传物质的观点占大多数，另一方面由于当时的物质提纯是非常困难的，没有办法把DNA和蛋白质分离开，例如艾弗里2-至5组实验中加入的酶也是蛋白质。所以当时人们就想有没有更好的材料、更好的方法能够将DNA和蛋白质分开，单独去观察它们的作用呢？直到T2噬菌体被发现解决了这一问题。1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，完成了另一个有说服力的实验。思考：赫尔希和蔡斯当年完成了一个什么样的实验？本实验用到的实验材料有T2噬菌体和大肠杆菌；T2噬菌体是一种DNA病毒，分为头部和尾部，头部和尾部的外壳是由蛋白质构成的，头部含有DNA，专性寄生于大肠杆菌。下面请同学们有声阅读教材第45页第一段了解T2噬菌体侵染细菌的过程。【提问】通过教材我们知道T2噬菌体要在大肠杆菌中增殖，必须在自身遗传物质作用下才能进行，也就是说T2噬菌体的遗传物质一定注入到大肠杆菌中，但由于T2噬菌体的DNA和蛋白质是生物大分子物质，肉眼并不可见，那T2噬菌体是将它的什么物质注入到大肠杆菌中呢？【设计实验】下面请同学们利用T2噬菌体、大肠杆菌等实验材料设计实验探究T2噬菌体注入大肠杆菌的成分(遗传物质)是什么?（这也是证明某一物质是遗传物质的可行方法之一）。探究性实验的一般步骤，第1步是提出问题，第2步是做出假设，那我们可以做出哪些假设呢？【提问】究竟哪一个假设是正确的，这就需要我们设计实验来探究，同学们想一想能不能采用减法原理将DNA和蛋白质分别除去呢？不能采用减法原理，采用减法原理可能会导致T2噬菌体遭到破坏，从而失去侵染性。【追问】在设计实验的时候我们遇到一个很大的难题，DNA和蛋白质都是肉眼不可见的大分子物质，那如何追踪DNA和蛋白质注入大肠杆菌的情况呢？思考：1.DNA和蛋白质是分开标记还是同时标记？标记哪种元素才能单独标记T2噬菌体的DNA(或蛋白质)？【追问】利用放射性同位素标记技术应如何对DNA和蛋白质进行标记，请同学们有声阅读教材P45第2段内容及相关信息，回答以下问题：2.能用含放射性原料的培养基直接培养噬菌体吗？怎样标记噬菌体？【追问】为什么要用P来标记DNA，S来标记蛋白质？如果用14C和3H标记可以吗？用18O和15N可以吗？【追问】具体该如何来培养呢？例如要获得35S标记的噬菌体，首先要用35S标记的培养基培养未被标记的大肠杆菌，从而获得35S标记的大肠杆菌，接着再用未被标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌，T2噬菌体将遗传物质注入到大肠杆菌中T2噬菌体的遗传物质在大肠杆菌中，利用大肠杆菌中的原料、能量和酶合成自身组成分，进行大量增殖，当噬菌体增殖到一定数量，大肠杆菌裂解释放出的子代噬菌体就会带有35S标记，获得32P标记的噬菌体也是同理。思考：被侵染的大肠杆菌能不能带有标记？如果带有标记会怎么样？获得35S标记的噬菌体和32P标记的噬菌体，然后让它们分别侵染大肠杆菌。这个大肠杆菌只能是未被侵染的大肠杆菌。T2噬菌体侵染大肠杆菌需要一定的时间，就需要进行保温。保温完成后，T2噬菌体有一部分进入大肠杆菌中，未注入大肠杆菌的部分需要与大肠杆菌分离，这就需要搅拌，搅拌完成后，被侵染的大肠杆菌和未注入大肠杆菌的T2噬菌体仍然混在一起，这就需要离心。思考：保温、搅拌、离心的作用是什么？【小组合作学习】明确了实验设计思路后，请同学们根据假说小组合作推理出理论实验结果，填写在预习学案中。进行真正实验,得到实验结果：用35S标记的一组侵染实验，放射性同位素主要分布在上清液中；用32P标记的一组实验，放射性同位素主要分布在离心管中沉淀物中。根据真正的实验结果，可以得出假说一是正确，可以初步得出T2噬菌体的遗传物质是DNA。思考：进一步观察发现：细菌裂解释放出的噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但不能检测到35S标记的蛋白质，这一结果说明了什么？【总结】进一步分析实验结果发现35S标记组上清液放射性很高，沉淀物放射性很低，按照理论沉淀物没有放射性，但实际结果有较低的放射性。实验结果和理论结果不同是因为存在误差。思考：为什么沉淀物有较低的放射性？产生误差的原因是什么？32P标记组上清液放射性很低，沉淀物放射性很高，按照理论推测上清液应该没有放射性，但实际结果是上清液有很低的放射性，说明存在误差。【提问】为什么上清液有较低的放射性？产生误差的原因是什么？设置质疑点，介绍当时的背景，引发学生思考通过阅读课本和观看视频了解T2噬菌体侵染大肠杆菌的过程利用以上资料引发学生思考T2噬菌体将什么物质注入了大肠杆菌中利用问题串，突破噬菌体的标记问题利用问题串引导学生思考如何标记噬菌体、如何设计实验，根据假说预测出理论实验结果预测结果和真实结果比较，从而进行误差分析。烟草花叶病毒侵染烟草实验【提问】生物界中只有DNA是遗传物质吗？【追问】像烟草花叶病毒这样的生物只由RNA和蛋白质构成，它的遗传物质是什么？下面请同学们观察烟草花叶病毒侵染烟草的实验，思考：观察烟草花叶病毒侵染烟草的实验，可以得出什么结论？自主分析实验过程，得出实验结论随堂训练1.赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验表明