基于回溯推理的“DNA的复制”课堂教学
2022-06-08
摘 要 叙述教师在“DNA的复制”一节教学中有意识地运用回溯推理法，贴近学生实际，引起他们的共鸣，唤起他们的参与意识，取得良好的教学效果。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词 回溯推理 DNA复制 课堂教学
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
“DNA的复制”一节在教材中占有十分重要的地位，同时由于其过程较微观、抽象，学生往往较难理解。在实际教学中，笔者借助回溯推理的方法，通过由果溯因的推理，在让学生体味科学思维方法的同时，加深对课本知识的理解。
1 课堂实录
师（屏幕上出现2个完全一样的DNA双螺旋结构模式图）：屏幕上这两个DNA分子，它们看起来很像，但如果我告诉大家，它们是两个不同的DNA分子，那么你认为它们的不同表现在哪里？
生：碱基排列顺序可能不同。
师：很好。我们已经知道，在细胞有丝分裂间期，必须完成DNA分子的复制，复制的结果是什么？
生：形成2个完全一样的DNA分子。
师：（课件显示复制结果）对。那么，完全一样的关键是什么？
生：碱基排列顺序完全相同。
师：现在问题来了：DNA分子为双螺旋结构，且碱基位于螺旋的内侧，你认为在复制过程中怎样才能读出碱基的排列顺序？
学生表现出茫然的神情。
师：（启发）比如有一条名牌拉链，它的链牙很有特色，但现在它正处于闭合状态，我们该如何研究它？
（学生热烈讨论，教师适时引导）
生1：DNA要准确复制，应该先把双链解开。
生2：在此之前，螺旋应该先解开。
师：解开以后的两条链一样吗？（生：不一样，它们是互补关系）那么，把螺旋和双链解开后，DNA要如何复制？是否如磨钥匙一般，由每一条链为模板“磨”出另一条完全一样的链？
生：不大可能。“磨”出两条一模一样的链，它们无法组成双链。复制形成的应该是互补链比较合理。
师：怎么保证新形成的链与原来的链互补？
生：碱基互补配对原则。
师：好，根据刚才几位同学的推断，DNA复制过程大致是这样的：①解开螺旋;②解开双链;③以解开的每一条链为模板，按照碱基互补配对原则形成互补链，对吗？
生：对。
师：大家的设想看起来很合理。那么，要完成这些过程，需要细胞提供什么条件？如果提供相应的条件，DNA能不能在体外完成复制呢？其实，早在1956年，美国生物化学家康贝格已经首次在试管中人工合成DNA。[课件显示：实验一：把大肠杆菌提取液加入到具有4种丰富的脱氧核苷酸的人工合成体系中。结果未发生DNA的合成。实验二：再加入少量DNA做引子以及ATP后，再放在适宜的温度和pH条件下培养一段时间，测定其中的DNA含量。结果，DNA数量增加了，且这些DNA的（A+T）/（C+G）的比值与所加入的DNA相同。]
师：请根据以上实验结果推测DNA复制需要哪些条件，并说明理由。
生1：DNA复制需要模板。因为加入少量DNA做引子后才有DNA数量的增加，这些“引子”应该就是模板。
生2：DNA复制应该需要酶的催化，因为需要适宜的温度和pH条件。奇怪，怎么没有加入酶？
师：你的推断非常正确，DNA复制确实需要酶的催化，酶就存在于大肠杆菌提取液中，它叫做DNA聚合酶。同学们也可以想一想这种酶的作用是什么。
生3：DNA复制是一个耗能的过程。理由是需要ATP。
生4：四种脱氧核苷酸应该是复制的原料。
生5：新形成的DNA结构应该与原来的DNA相同，因为它们的（A+T）/（C+G）的比值与相同。
师：通过刚才几位同学的推理，我们对DNA的复制过程已经有了初步的概念了。下面我们一起总结一下DNA复制所需的条件（边总结边板书）：① 模板：以解开的每条单链分别作模板;② 原料：四种脱氧核苷酸;③ 能量：由ATP提供;④ 酶：DNA聚合酶。
师：还有几个小问题需要进一步完善：① DNA的复制是以解开的每一条链为模板形成互补链，根据上节课我们所学的DNA两条链的关系以及两条链上碱基的连接方式，作为原料的脱氧核苷酸是怎么连接形成新链的？新合成的DNA怎么才能保证与原来一样？黑板上有DNA一条链的片段，我们请一位同学把复制结果补充完整。
学生板画（略）。
师：② DNA复制时首先要把两条螺旋的双链解开，包括使碱基之间的氢键断裂，这一过程称之为解旋。这一过程在体外一般可以通过加热实现。想一想，在细胞中如何解旋？
生：应该要有酶的催化。
师：对。这种酶叫解旋酶。所以DNA复制过程所需的酶可不止DNA聚合酶一种，还要有解旋酶等（补充板书）。
师：③ 某DNA分子长36 mm，已知DNA复制速度约为4 μm/min，也就是说完成该DNA的复制约需要9 000 min，再加上解旋的时间，应该远高于这个数值，但实际复制过程却仅用了40 min。试推断DNA复制过程快的原因。
师生共同总结：① 边解旋边复制;② 多起点分段复制。
师：④ 根据本节课的分析，我们知道复制后形成的两个DNA分子都有一条链来自原来的DNA分子，另一条互补链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。实际上在早期的研究中，科学家还提出了另一种全保留复制模型（为减少学生学习负担，此处不提弥散复制模型）：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DNA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。请同学们课后阅读课本52～53页选学内容，思考相关实验是如何验证半保留复制的。 2 课后反思
2.1 关于回溯推理
通常情况下，人们通过事物变化的原因可知其结果;反之，知道了事物变化的结果，又可以推断导致结果的原因。回溯推理法就是从事物的“果”倒回到事物的“因”的一种方法，这种思维方法在科学发现与发明、案件侦破以及考古发掘等方面都有广泛的应用。
2.2 DNA复制教学符合进行回溯推理的条件
由于回溯推理是根据事物之间的因果关系进行的推测，因而，要进行回溯推理就必须具备有关事物因果关系的一般知识，只有具备了这方面的知识，才可以由某一结果推测其原因或从某一推断去推论其理由。在此之前，学生已经学习了有丝分裂、减数分裂的内容，知道了分裂间期DNA分子要进行复制，复制的结果是形成2个完全一样的DNA分子;学生已经具备了DNA双螺旋结构的基本知识，知道了DNA两条链之间的互补关系;再加上课堂上补充的康贝格实验，学生可以根据这一系列的结果推断出DNA复制的可能过程及所需条件。
2.3 与本模块在能力培养方面的价值相契合
《普通高中生物课程标准（实验）》指出，“生物2：遗传与进化”模块有助于学生“领悟假说演绎、建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”。根据美国逻辑学家、实用主义创始人皮尔士的理论，回溯推理是除了演绎和归纳以外的第三种推理类型，是科学研究中的一种重要的思维方法。教师有意识地将这一方法应用于教学，对训练学生的科学思维是大有裨益的。
从以往的教学经验看，本节课若采取传统的教学手段，以教师的讲授为主，辅以多媒体课件展示复制的动态过程，再加上适量的强化训练，照样可以取得很好的教学效果。但这往往使课堂陷于沉闷，也不利于学生科学素养的提高。这一代学生是看着《名侦探柯南》、《金田一》等漫画及影视作品长大的，运用回溯推理手段进行教学极易引起他们的共鸣，唤起他们的参与意识，并在教师的不断肯定中充分品尝成功的喜悦，使整节课气氛生动活泼，取得良好的教学效果。
2.4 最后的总结归纳很重要
由于整个教学过程通过师生对话层层展开，为了保持思维的连贯性，整堂课并没有特意停下来对教学内容进行总结，导致学生的思维始终处于一种发散的状态，因此在最后阶段有必要留下5 min左右的时间对本节课的重点知识进行归纳整理，以帮助学生实现知识的内化。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（实验） [M].北京：人民教育出版社，2003.
[2] 吴光远.受益一生的44种思维方法[M].北京：海潮出版社，2005.
[3] 缪四平.溯因推理及其在诉讼程序中的应用[J].江西社会科学，2011，9：159-165.
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关键词 回溯推理 DNA复制 课堂教学
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
“DNA的复制”一节在教材中占有十分重要的地位，同时由于其过程较微观、抽象，学生往往较难理解。在实际教学中，笔者借助回溯推理的方法，通过由果溯因的推理，在让学生体味科学思维方法的同时，加深对课本知识的理解。
1 课堂实录
师（屏幕上出现2个完全一样的DNA双螺旋结构模式图）：屏幕上这两个DNA分子，它们看起来很像，但如果我告诉大家，它们是两个不同的DNA分子，那么你认为它们的不同表现在哪里？
生：碱基排列顺序可能不同。
师：很好。我们已经知道，在细胞有丝分裂间期，必须完成DNA分子的复制，复制的结果是什么？
生：形成2个完全一样的DNA分子。
师：（课件显示复制结果）对。那么，完全一样的关键是什么？
生：碱基排列顺序完全相同。
师：现在问题来了：DNA分子为双螺旋结构，且碱基位于螺旋的内侧，你认为在复制过程中怎样才能读出碱基的排列顺序？
学生表现出茫然的神情。
师：（启发）比如有一条名牌拉链，它的链牙很有特色，但现在它正处于闭合状态，我们该如何研究它？
（学生热烈讨论，教师适时引导）
生1：DNA要准确复制，应该先把双链解开。
生2：在此之前，螺旋应该先解开。
师：解开以后的两条链一样吗？（生：不一样，它们是互补关系）那么，把螺旋和双链解开后，DNA要如何复制？是否如磨钥匙一般，由每一条链为模板“磨”出另一条完全一样的链？
生：不大可能。“磨”出两条一模一样的链，它们无法组成双链。复制形成的应该是互补链比较合理。
师：怎么保证新形成的链与原来的链互补？
生：碱基互补配对原则。
师：好，根据刚才几位同学的推断，DNA复制过程大致是这样的：①解开螺旋;②解开双链;③以解开的每一条链为模板，按照碱基互补配对原则形成互补链，对吗？
生：对。
师：大家的设想看起来很合理。那么，要完成这些过程，需要细胞提供什么条件？如果提供相应的条件，DNA能不能在体外完成复制呢？其实，早在1956年，美国生物化学家康贝格已经首次在试管中人工合成DNA。[课件显示：实验一：把大肠杆菌提取液加入到具有4种丰富的脱氧核苷酸的人工合成体系中。结果未发生DNA的合成。实验二：再加入少量DNA做引子以及ATP后，再放在适宜的温度和pH条件下培养一段时间，测定其中的DNA含量。结果，DNA数量增加了，且这些DNA的（A+T）/（C+G）的比值与所加入的DNA相同。]
师：请根据以上实验结果推测DNA复制需要哪些条件，并说明理由。
生1：DNA复制需要模板。因为加入少量DNA做引子后才有DNA数量的增加，这些“引子”应该就是模板。
生2：DNA复制应该需要酶的催化，因为需要适宜的温度和pH条件。奇怪，怎么没有加入酶？
师：你的推断非常正确，DNA复制确实需要酶的催化，酶就存在于大肠杆菌提取液中，它叫做DNA聚合酶。同学们也可以想一想这种酶的作用是什么。
生3：DNA复制是一个耗能的过程。理由是需要ATP。
生4：四种脱氧核苷酸应该是复制的原料。
生5：新形成的DNA结构应该与原来的DNA相同，因为它们的（A+T）/（C+G）的比值与相同。
师：通过刚才几位同学的推理，我们对DNA的复制过程已经有了初步的概念了。下面我们一起总结一下DNA复制所需的条件（边总结边板书）：① 模板：以解开的每条单链分别作模板;② 原料：四种脱氧核苷酸;③ 能量：由ATP提供;④ 酶：DNA聚合酶。
师：还有几个小问题需要进一步完善：① DNA的复制是以解开的每一条链为模板形成互补链，根据上节课我们所学的DNA两条链的关系以及两条链上碱基的连接方式，作为原料的脱氧核苷酸是怎么连接形成新链的？新合成的DNA怎么才能保证与原来一样？黑板上有DNA一条链的片段，我们请一位同学把复制结果补充完整。
学生板画（略）。
师：② DNA复制时首先要把两条螺旋的双链解开，包括使碱基之间的氢键断裂，这一过程称之为解旋。这一过程在体外一般可以通过加热实现。想一想，在细胞中如何解旋？
生：应该要有酶的催化。
师：对。这种酶叫解旋酶。所以DNA复制过程所需的酶可不止DNA聚合酶一种，还要有解旋酶等（补充板书）。
师：③ 某DNA分子长36 mm，已知DNA复制速度约为4 μm/min，也就是说完成该DNA的复制约需要9 000 min，再加上解旋的时间，应该远高于这个数值，但实际复制过程却仅用了40 min。试推断DNA复制过程快的原因。
师生共同总结：① 边解旋边复制;② 多起点分段复制。
师：④ 根据本节课的分析，我们知道复制后形成的两个DNA分子都有一条链来自原来的DNA分子，另一条互补链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。实际上在早期的研究中，科学家还提出了另一种全保留复制模型（为减少学生学习负担，此处不提弥散复制模型）：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DNA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。请同学们课后阅读课本52～53页选学内容，思考相关实验是如何验证半保留复制的。 2 课后反思
2.1 关于回溯推理
通常情况下，人们通过事物变化的原因可知其结果;反之，知道了事物变化的结果，又可以推断导致结果的原因。回溯推理法就是从事物的“果”倒回到事物的“因”的一种方法，这种思维方法在科学发现与发明、案件侦破以及考古发掘等方面都有广泛的应用。
2.2 DNA复制教学符合进行回溯推理的条件
由于回溯推理是根据事物之间的因果关系进行的推测，因而，要进行回溯推理就必须具备有关事物因果关系的一般知识，只有具备了这方面的知识，才可以由某一结果推测其原因或从某一推断去推论其理由。在此之前，学生已经学习了有丝分裂、减数分裂的内容，知道了分裂间期DNA分子要进行复制，复制的结果是形成2个完全一样的DNA分子;学生已经具备了DNA双螺旋结构的基本知识，知道了DNA两条链之间的互补关系;再加上课堂上补充的康贝格实验，学生可以根据这一系列的结果推断出DNA复制的可能过程及所需条件。
2.3 与本模块在能力培养方面的价值相契合
《普通高中生物课程标准（实验）》指出，“生物2：遗传与进化”模块有助于学生“领悟假说演绎、建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”。根据美国逻辑学家、实用主义创始人皮尔士的理论，回溯推理是除了演绎和归纳以外的第三种推理类型，是科学研究中的一种重要的思维方法。教师有意识地将这一方法应用于教学，对训练学生的科学思维是大有裨益的。
从以往的教学经验看，本节课若采取传统的教学手段，以教师的讲授为主，辅以多媒体课件展示复制的动态过程，再加上适量的强化训练，照样可以取得很好的教学效果。但这往往使课堂陷于沉闷，也不利于学生科学素养的提高。这一代学生是看着《名侦探柯南》、《金田一》等漫画及影视作品长大的，运用回溯推理手段进行教学极易引起他们的共鸣，唤起他们的参与意识，并在教师的不断肯定中充分品尝成功的喜悦，使整节课气氛生动活泼，取得良好的教学效果。
2.4 最后的总结归纳很重要
由于整个教学过程通过师生对话层层展开，为了保持思维的连贯性，整堂课并没有特意停下来对教学内容进行总结，导致学生的思维始终处于一种发散的状态，因此在最后阶段有必要留下5 min左右的时间对本节课的重点知识进行归纳整理，以帮助学生实现知识的内化。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（实验） [M].北京：人民教育出版社，2003.
[2] 吴光远.受益一生的44种思维方法[M].北京：海潮出版社，2005.
[3] 缪四平.溯因推理及其在诉讼程序中的应用[J].江西社会科学，2011，9：159-165.