生物教案：第三章第节DNA的复制

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精第3节DNA的复制教学设计（一)作者:周正彪，江苏省泰兴市第一高级中学教师，本文系江苏省教学创新设计大赛获奖作品。总体设计指导思想本节课突出对学生科学素质的培养，精心设计课堂教学，将科学研究的过程（发现问题-提出假设—推导结论—实验验证-得出结论)作为本节课的教学主线，以求向学生介绍科学研究的一般过程和方法，并让学生亲身参与探究过程，从而培养学生科学工作的能力和方法。教材分析1．教材中的地位本节课内容是人教版高级中学课本生物必修2第3章第3节。DNA分子的结构和复制是遗传学的基本理论。这一课时，在联系DNA结构的基础上，进一步阐明DNA通过复制传递遗传信息的功能。学好这一课时，有利于学生对有丝分裂、减数分裂、遗传规律等知识的理解和巩固,对于学生深刻认识遗传的本质是非常重要的。“DNA的复制"又是后面变异部分的基础,学好这一课时，有利于学生对基因突变、基因重组、生物进化等内容的理解和掌握.2．重点难点DNA的复制方式的发现虽然是选学内容，但是对学生学会科学地探究,科学地思考有很大的帮助，有助于学生分析问题、解决问题能力的提高，所以把它作为探究的重点之一,但在知识层面上不作为重点。DNA复制过程完成了遗传信息的传递功能；对DNA复制过程的研究，蕴含着科学研究的过程和方法教育；DNA复制的过程具有微观、动态、连续、抽象的特点。因此,对DNA复制的过程的探讨既是本课时的教学重点，也是难点。学情分析学生已经具有了DNA双螺旋结构、有丝分裂、减数分裂的基本知识，在此基础上，本课时将要从分子水平来探讨生命的本质，属于肉眼看不到的抽象知识。高中学生的认知体系基本形成,认知结构迅速发展，认知能力不断完善。他们能够掌握基本的思维方法,特别是抽象逻辑思维、辩证思维、创造思维有了较大的发展。观察力、记忆力、想象力有了明显的提高，认知活动的自觉性，认知系统的自我评价和自我控制能力也有了相应的发展.由于本课时内容具有较高的抽象性，学生会感到困难，因此在教学中,我除了引导学生自主、探索、合作学习以外,还通过启发式教学,设置大量的问题情境，来激发学生的学习兴趣和进一步培养他们的分析、归纳、概括能力。教学目标知识目标1．记住DNA复制的概念。2．简述DNA复制的过程，并分析、归纳出DNA复制过程的特点。3．知道DNA复制在遗传上的意义.能力目标1．通过介绍Meselson、stehl的试验，引导学生分析、比较、推理、归纳，培养科学的思维.2．通过引导学生观察拉链和DNA复制的比较，鼓励学生大胆想象、猜测，培养学生自主探索、合作学习、分析问题、解决问题的能力。情感目标通过分组探究活动,培养学生的协作意识和科学态度。教法、学法设计(一）教法设计结合教材的特点和学生实际，本课时主要采用启发式教学法，比如:在学习DNA复制的方式时，启发学生去思考复制的方式可能有哪些，复制的结果是什么？通过什么方式去证明你的假设？再比如:在学习DNA复制的条件时，可以启发学生去思考科学家是怎么知道需要这些条件的.除了课本上介绍的条件外，还可能需要什么条件？科学家是怎么知道的？从而引导学生去探索和发现,使学生在教学活动中初步学会科学研究的一般方法，即发现问题—提出假说—试验验证—得出结论，培养学生合作、探索的精神，发展学生的思维能力，为学生铺设符合知识规律的思维轨道,强化素质教育.对于DNA复制的过程，学生是没有办法去探究的，但这一部分又比较抽象,可采用化抽象为具体的办法,采用拉链作为模型,让学生对比拉链的拉上、拉开和课本上介绍的DNA复制过程的异同点，从而加深学生对知识的理解和掌握.(二)学法设计本课时通过设疑导学，指导学生自主探索DNA复制的方式和复制的条件，发现知识，培养学生发现问题、解决问题、相互协作、自主学习的能力;通过点拨导议，启发学生思考、分析科学家的试验，概括、总结出正确结论，从而培养学生分析、推理、概括、总结的基本学习方法;通过展示小组提出的假设,培养学生的参与意识和创新意识，让学生学会在学习中进行交流的基本方法，充分体现学生的“主体"地位。媒体选择1．多媒体课件用PowerPoint制作演示文稿(内有DNA复制过程的动画）。2．实物展台展示学生推导的DNA半保留和全保留复制的结果及相应的实验结果示意图。3．拉链四个教学程序设计（1)流程图（2）教学过程程序教学活动设计意图教师活动学生活动复习旧知引入新课(3分钟）展示课件并提问:1。DNA化学组成的基本单位是什么？2。DNA分子的空间结构是什么样的？总结学生的回答之后,引出DNA复制的课题。思考回答：1.DNA化学组成的基本单位是脱氧核苷酸，每个脱氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子脱氧核糖、一分子含氮的碱基组成.2.两条链盘旋成的双螺旋结构.学生已有的DNA双螺旋结构的知识是学习DNA复制的基础，由此引出新课题。引导回忆发现问题(3～5分钟）有关DNA复制,我们已经学习过哪些知识？你们觉得还有哪些疑问？(以此设问引导学生回忆已有知识，发现新的问题.)思考回答1.DNA复制发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期.2.由于DNA主要存在于细胞核内，因此DNA复制的场所主要是细胞核.发现问题:关于DNA怎样复制，需要哪些条件，复制的结果怎样，有什么特点,等等是还没有解决的问题.发现问题是科学研究的第一步。问题使学生产生了强烈的求知解疑心理，教师此时抓住这一有利时机，提出紧扣主题的具有挑战性、探索性的问题，使学生主动去探索.DNA复制方式探讨(约10分钟）分组讨论模拟探索沃森和克里克在发表DNA分子双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“在提出碱基特异性配对的看法后，我们立即又提出了遗传进行复制的一种可能机理。”你能从DNA分子的双螺旋结构，设想出DNA复制的方式可能有哪几种吗?假如用15N标记母链,用14N标记子链，请同学们根据假设分组讨论复制一代和两代的结果是什么？用图形表示结果。教师投影展示部分小组的讨论情况。学生分组分析讨论，提出DNA复制的两种假设：全保留复制和半保留复制。学生根据假设讨论演绎并画图表示两种复制的结果。小组间相互补充作出评价。培养学生的参与意识和培养学生的合作、探索的精神。并进一步复习假说—演绎法。1958年Meselson和Stehl用含有15N的培养基培养大肠杆菌，经过多次细胞分裂,细菌细胞的DNA充分地被15N标记上。然后把这些细胞移入正常的含同位素14N的培养基中,然后，在不同时间(复制不同代数后)收集细菌样本，从中提取DNA，再将提出的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。密度大的DNA在试管的上方还是下方，密度小的呢？中等的呢？请同学们思考用密度梯度离心之后试管中的DNA条带所在的位置，并画出示意图.巡视学生的活动,记录学生出现的问题。教师投影展示部分小组的讨论情况。教师展示科学家的实际实验结果，并总结出科学发现的一般过程.在老师的启发引导下，学生们根据刚才演绎的结果，推导出可能的实验现象:如果是全保留复制,则离心后DNA条带应该只有两条；如果是半保留复制，则离心后DNA条带应该有三条，并画出条带的位置。本模拟探索实验的设计和运用，旨在激发学生探索和协作的兴趣，培养学生的动手能力和思维能力。DNA复制的条件和过程探讨(约20分钟)请同学们思考DNA复制至少需要什么条件?科学家是怎么知道这些条件的呢？学生讨论后回答：模板：两条链分别作为模板.原料：四种脱氧核苷酸。能量:由ATP提供。酶：解旋酶、聚合酶等。科学家通过推导和实验知道的。学生可能说不全，老师引导学生补充完整。介绍实验请同学们想一想，下面这个事实说明了什么？1958年美国生化学家Kornberg在试管中用脱氧核苷酸合成DNA.他将大肠杆菌中提取的DNA聚合酶加入到含有四种丰富的脱氧核苷酸和适量的Mg2＋的人工体系中，并没有发生DNA的合成,当加入少量的RNA作引子和ATP作为能源物质，经保温孵育后,测定其中DNA的含量.发现其中的DNA的含量增加了.让学生根据实验结果得出结论：复制除需要四个基本条件外,还需要其他条件，如RNA引物等.旨在提醒学生应该始终保持怀疑和探究的心态。模拟探讨请同学们自学课本上有关DNA复制过程的内容，总结DNA复制大体上分为几个步骤。教师通过拉链来模拟DNA复制过程.提出问题:拉链中的各个部件各代表复制过程中的什么？复制代数和DNA数目之间，及与含母链的DNA数目之间有什么关系?DNA复制过程是否就是完全像拉链的开合？学生自学并总结，如不完整可由其他同学补充。解链-合成子链—螺旋学生分组讨论拉链中的各个部件各代表复制过程中的什么，由学生代表发言。培养学生联想理解的意识，在学习过程中化抽象为具体，提高学习效率。培养学生分析比较的意识,进一步加深对DNA复制的理解.观看动画组织学生观看DNA复制的动画课件。学生随着动画的演示，一起念出过程：解链—合成子链—螺旋反复播放DNA复制的动画，使学生完成由感性到理性的知识过渡。DNA复制的意义DNA复制有什么意义？传递遗传信息—课堂小结利用多媒体课件引导学生概括总结学生总结本节课的知识要点巩固基础知识课堂测评基础知识测评学生练习检验知识目标达标情况eq\o(\s\up7（)，\s\do5(板书设计)）第3节DNA的复制一、复制的方式：半保留复制二、复制的条件：模板、酶、原料、能量等三、复制的过程解旋—合成子链—螺旋四、复制的意义：传递遗传信息教学设计（二）eq\o（\s\up7（),\s\do5(整体设计））教材分析本节包括对DNA分子复制的推测,DNA半保留复制的实验证据(选学)和DNA分子复制的过程三部分内容。以北京奥运会会徽“中国印·舞动的北京”为题引导学生进入对复制问题的讨论.对学生十分熟悉的北京奥运会会徽画面进行的讨论，不仅可以引起学生的兴趣，还可以让抽象的内容形象化，发展学生的想象力。在讲述DNA分子复制的过程之前讲述DNA分子复制的推测，不仅可以使学生了解沃森和克里克在制作DNA模型时,就已经推测出了DNA分子的自我复制的机制这一事实，更重要的是使学生理解结构与功能的内在联系，即DNA分子的双螺旋结构，决定了DNA分子半保留复制的方式.在此基础上讲述DNA分子复制的过程，学生比较容易理解和接受。这样安排内容，实际上再次体现了假说—演绎法的应用.讲述DNA分子复制的推测后，讲述DNA半保留复制的实验证据，主要出于以下考虑：一是使学生理解对DNA分子半保留复制机制的揭示必须来源于实证;二是使学生了解DNA分子半保留复制实验的设计思路和方法。三维目标1．通过探究实验,检验沃森和克里克对DNA分子复制的推测。2．运用多媒体课件，使DNA复制过程形象直观。3．培养学生自学能力，在自学中去领悟知识，去发现问题和解决问题。4．培养观察能力、分析和理解能力及创造性思维的能力,通过探索求知、分析图解、讨论交流激发学生独立思考、主动获取新知识的能力.5．通过DNA复制的学习，探索生物界丰富多彩的奥秘,从而激发学生学科学、用科学、爱科学的求知欲.内容提要教学重点和难点1．DNA的复制过程。2．DNA复制的特点。课时安排1课时。课前准备1．北京奥运会会徽“中国印·舞动的北京”图片。2．梅赛尔和斯特尔实验过程图片.3．DNA分子复制过程的图片和动画。eq\o(\s\up7（）,\s\do5(教学过程）)导入新课1．节题图导入思考:要将这枚会徽复制成两个完全一样的印章，一个送交国际奥委会，一个留在中国。如何才能做得一模一样？做成后怎样验证相似程度？学生讨论回答.点拨：两个会徽所用的原料应该选自一块石材；应先制造模型，并按模型制作会徽；应使用电子控制的刻床；刻床应由一名技术熟练的师傅操作,或完全数控等。验证的最简单的方法是：将两个印章的图形盖在白纸上进行比较。过渡：沃森和克里克提出的双螺旋结构的DNA是如何复制的呢？2．情境导入(展示“案件侦破中的PCR技术”资料）某公司附近发生一起杀人分尸案，经现场勘察，发现了两块非常小的尸块，此外并未留下任何痕迹。这两块尸块到底是不是同一人的，被害人是男性还是女性？技术人员提取了尸块的血及肌肉组织,并送到刑侦支队利用PCR技术获得大量DNA序列，进行DNA性别鉴定后认定这两块尸块属于同一体，均是女性尸块。这一鉴定为凶案的告破开启了大门。8天后，凶犯杨某被抓获归案。从案例中可知PCR技术起到了非常关键的作用，PCR工作的原理是DNA复制，是一种体外人工复制，那么在生物体内，DNA是怎样进行复制的呢？推进新课DNA作为遗传物质必须要保持前后代的连续性，DNA通过自我复制保持前后代的连续性。从数目上分析，DNA复制的结果是一个DNA变成了两个DNA。［合作探究］现在有四根电线(两红、两蓝），每根电线表示一条脱氧核苷酸链.请你模拟一下你想象中的DNA的复制过程。并且要保证复制后的两个DNA与原来的DNA相同。学生小组讨论回答.总结：大家讨论后主要形成两种假设：假设1:原来DNA由两根红色的电线构成（满足碱基互补配对)，当DNA复制时，两根红色的电线解开双螺旋，然后根据碱基互补配对的原则（A与T配对、C与G配对)，分别配对形成新的脱氧核苷酸互补链(新形成的链用蓝色电线表示)，最后构成两个DNA，每个DNA中一条红色链一条蓝色链,即每个DNA中含有一条旧的链和一条新的链。因为在此过程中遵循碱基互补配对原则，这两个DNA与原来的DNA应该相同。假设2:原来DNA是由两根红色的电线构成(满足碱基互补配对)，当DNA复制时，两根红色的电线解开双螺旋，然后根据碱基互补配对的原则(A与T配对、C与G配对)，分别配对形成新的脱氧核苷酸互补链(新形成的链用蓝色电线表示),然后两条新形成的脱氧核苷酸链分别从配对状态脱落，组成新的DNA（两条蓝色链），原来的两条脱氧核苷酸链也重新配对，重新形成双链DNA（两条红色链），最后构成两个DNA。因为在此过程中遵循碱基互补配对原则，这两个DNA与原来的DNA应该相同。过渡:沃森和克里克发现DNA分子双螺旋结构后,对DNA分子的复制进行了大胆推测，提出了自己的假说。他们假说的内容是什么？假说是跟假设1还是假设2一致的呢？学习目标一：沃森和克里克对DNA分子复制的推测阅读“对DNA分子复制的推测”，回答问题。思考：沃森和克里克假说的内容是怎样的？学生回答。点拨：DNA分子复制时，DNA分子的双螺旋解开,互补的碱基之间的氢键断裂，解开的两条单链作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸依据碱基互补配对原则，通过形成氢键，结合到作为模版的单链上.由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链,因此这种复制方式为半保留复制。过渡：DNA复制是微观的，很难观察。DNA分子复制的结果到底是哪种情况,我们难以确定。下面我们通过实验来验证。学习目标二：DNA半保留复制的实验证据[合作探究]思考：用什么办法来区分亲代和子代的DNA分子呢？学生讨论后回答。点拨：运用同位素示踪技术.［知识拓展]同位素示踪技术所利用的放射性核素(或稳定性核素）及它们的化合物,与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。因此，可以用同位素作为一种标记,制成含有同位素的标记化合物(如标记食物、药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪,核磁共振等质量分析仪器来测定.[合作探究］给出实验材料:含14N的DNA的大肠杆菌若干、含15N的DNA的大肠杆菌若干、含14N脱氧核苷酸的培养基若干、含15N脱氧核苷酸的培养基若干、提取DNA的各种试剂和器材、离心机、离心管.请同学分组设计实验.学生讨论后给出合理方案：实验分为两组，将含14N的DNA的大肠杆菌和含15N的DNA的大肠杆菌分别培养在含15N脱氧核苷酸的培养基和14N脱氧核苷酸的培养基上，分别培养一段时间.实验结束，分别从培养基中提取DNA，用离心机进行离心，观察各个离心管中是否发生DNA分层现象。思考:1。是否还需设计对照组?2．预测的实验结果是怎样的？学生分组讨论后回答。点拨：1。在刚才实验的基础上再增加一个对照组。对照组又分为两小组：将含14N的DNA的大肠杆菌和含15N的DNA的大肠杆菌分别培养在含14N脱氧核苷酸的培养基和含15N脱氧核苷酸的培养基上，分别培养一段时间.实验结束，分别从培养基中提取DNA，用离心机进行离心，观察各个离心管中DNA的位置.2．如离心管中没有出现分层现象，且实验组DNA在离心管中的位置正好处在对照组的中间位置，则说明符合假设1;假如离心管中出现分层现象，且实验组DNA在离心管中的位置一半位于对照组1的位置，一半位于对照组2的位置,则说明符合假设2。假设1假设2在1958年，梅赛尔和斯特尔也是如此设计并进行实验的：他们先将大肠杆菌放入含15N的培养基中培养若干代,使所有细菌的DNA都标记上15N，然后将这些细菌转移到只含有14N的培养基中培养.随后，分别取完成一次细胞分裂的细菌（细胞数增加一倍)和完成两次细胞分裂的细菌,并将细菌中的DNA分离出来，做密度梯度离心和分析。观察实验结果很明显证明了我们的假设1是正确的。DNA的复制是以亲代DNA分子的每一条链为模板合成两个子代DNA，形成的子代DNA中含有一条母链和一条子链。这种复制方式称为半保留复制。过渡：DNA复制具体的过程是怎样的?复制的过程需要什么条件？学习目标三：DNA分子复制的过程DNA复制发生在细胞有丝分裂间期和减数第一次分裂间期，其场所主要在细胞核内,随着染色体的复制而完成的。(动画演示DNA分子的复制过程）边演示边分步讲解复制过程：（1）解旋：完整的DNA分子复制开始后，在DNA解旋酶的作用下，氢键断裂，两条主链逐步分开，这个过程叫做解旋。(2）在解旋的同时,以解开的每一段母链为模板，以周围环境中游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，在有关酶的作用下，各自合成与母链互补的一段子链。（3）随着解旋过程的进行,新合成的子链也不断地延伸，并且在DNA聚合酶的催化下,每条子链与其母链盘绕成双螺旋结构,从而各自形成一个新的DNA分子。总结DNA复制：DNA复制时间分裂间期场所主要在细胞核条件模板、酶、能量、原料原则碱基互补配对原则结果一个DNA形成了两个DNA分子特点边解旋边复制、半保留复制思考:1。一般情况下，为什么DNA复制能准确无误地完成？2．DNA复制有什么意义?学生讨论回答。点拨：1.DNA分子独特的双螺旋结构提供精确的模板；通过碱基互补配对原则保证了复制准确无误。2．使遗传信息从亲代传给了子代，从而保持了遗传信息的连续性。［巩固提高]1．具有100个碱基对的一个DNA分子区段,内含40个胸腺嘧啶，如果连续复制两次，则需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数目是(）A．60B．80C．120答案:D详解：根据碱基互补配对原则，可以计算出亲代DNA分子中胞嘧啶(C）的数量为（200－40－40)/2＝60（个）；亲代DNA分子经过连续两次复制，会形成4个子代DNA分子,由于DNA复制方式为半保留复制，在形成的4个子代DNA分子中,有两个保留了亲代DNA各一条母链,所以连续复制两次，需提供相当于净合成3个与亲代一样的DNA所需的原料，故需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸的数目为60×3＝180（个）。2．某DNA分子共有a个碱基，其中含胞嘧啶m个。则该DNA分子复制3次，需要游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数为（)A．7(a－m)B．8（a－m）C．7(a/2－m）D．8(2a－m)答案:C详解：C为m个,则T＝a/2－m，复制3次，所需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸数为（a/2－m）（23－1）.3．关于DNA分子复制的叙述，错误的是()A．复制发生在细胞分裂间期B．边解旋边复制C．复制需要氨基酸和酶D．复制遵循碱基互补配对原则答案:C详解：本题主要考查对DNA分子复制的理解及DNA分子的复制与染色体复制的差别.在四个选项中，C是错误的，因为DNA分子的复制需要的原料是脱氧核苷酸，而不是氨基酸，在染色体复制时，合成有关蛋白质才需要氨基酸。课堂小结沃森和克里克发现DNA分子双螺旋结构后，对DNA分子的复制进行了推测：半保留复制。梅赛尔和斯特尔实验验证了DNA分子的半保留复制。DNA的复制是以亲代DNA分子的每一条链为模板合成两个子代DNA，形成的子代DNA中含有一条母链和一条子链。DNA的复制是边解旋边复制的，需要模板、酶、能量、原料.eq\o（\s\up7（)，\s\do5(板书设计)）第3节DNA分子的复制1．对DNA分子复制的推测2．DNA半保留复制的实验证据3．DNA分子复制的过程(1)概念(2）时间：有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期(3)场所：主要在细胞核（4）条件:模板、酶、原料、能量等（5)过程：边解旋、边复制→碱基配对，形成子链→子链与母链结合，构成新的DNA分子（6）特点：半保留复制（7)意义：传递遗传信息教