《遺傳的分子基礎(chǔ)》的教學(xué)思考與探討

《遺傳的分子基礎(chǔ)》的教學(xué)思考與探討

《遺傳的分子基礎(chǔ)》揭示了DNA是主要的遺傳物質(zhì)，以及遺傳物質(zhì)對(duì)遺傳信息的儲(chǔ)存、傳遞和表達(dá)?！哆z傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)》是從細(xì)胞水平闡述遺傳的原理，本單元?jiǎng)t從分子水平揭示遺傳的本質(zhì)，這兩個(gè)單元共同構(gòu)成了遺傳學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1教學(xué)內(nèi)容與要求

課標(biāo)規(guī)定的本單元的內(nèi)容包括:總結(jié)人類(lèi)對(duì)遺傳物質(zhì)的探索過(guò)程；概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)；說(shuō)明基因和遺傳信息的關(guān)系；概述DNA分子的復(fù)制；概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯?；顒?dòng)建議有兩項(xiàng)：搜集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過(guò)程的資料，并進(jìn)行討論和交流；制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

1）知識(shí)目標(biāo)

“總結(jié)人類(lèi)對(duì)遺傳物質(zhì)的探索過(guò)程”屬于應(yīng)用性的內(nèi)容。這部分內(nèi)容的教學(xué)不是要求學(xué)生記住對(duì)遺傳物質(zhì)探索過(guò)程的史實(shí)，而是通過(guò)對(duì)科學(xué)過(guò)程的分析領(lǐng)悟科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想、方法、過(guò)程與價(jià)值。具體選擇哪些科學(xué)史實(shí)？肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)以及噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)是兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該進(jìn)行具體的分析。煙草花葉病毒感染煙葉的實(shí)驗(yàn)主要用于說(shuō)明RNA也可以作為遺傳物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想與方法上與DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)是類(lèi)似的，因此可以從簡(jiǎn)些。具體目標(biāo)包括：①分析肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)及噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，證明DNA是遺傳物質(zhì)；②分析煙草花葉病毒侵染煙草的實(shí)驗(yàn)，證明RNA也是遺傳物質(zhì)；③總結(jié)遺傳物質(zhì)的共同特征；④評(píng)價(jià)人類(lèi)探索遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想與方法。

“概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)”屬于理解水平。只有明確DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，才能理解DNA對(duì)遺傳信息的貯存、傳遞與表達(dá)等基本功能。要明確DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先應(yīng)掌握DNA的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，具體目標(biāo)包括：①概述DNA的元素組成、基本組成物質(zhì)、結(jié)構(gòu)單位、一級(jí)結(jié)構(gòu)，以及沃森-克里克提出的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的基本論點(diǎn)；②說(shuō)明DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、特異性和多樣性。

“說(shuō)明基因和遺傳信息的關(guān)系”屬于理解水平。本單元的核心內(nèi)容是闡明基因概念，即從基因與性狀的關(guān)系上說(shuō)明基因是控制性狀遺傳的基本單位，從基因與染色體的關(guān)系上說(shuō)明基因的存在部位及方式，從基因與DNA的關(guān)系上說(shuō)明基因的化學(xué)本質(zhì)，從功能上揭示基因中蘊(yùn)涵著特定的遺傳信息。具體目標(biāo)包括：①舉例說(shuō)明基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段；②說(shuō)明基因與遺傳信息的關(guān)系。

“概述DNA分子的復(fù)制”也屬于理解水平。DNA通過(guò)自我復(fù)制將遺傳信息從親代傳遞到子代，從而保持親子之間的連續(xù)性。具體教學(xué)目標(biāo)為：①概述DNA的復(fù)制場(chǎng)所、時(shí)間和過(guò)程，②說(shuō)明DNA復(fù)制的條件、分子基礎(chǔ)和特點(diǎn)，③揭示DNA復(fù)制的實(shí)質(zhì)及意義。

“概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”仍然是理解水平。在子代的個(gè)體發(fā)育階段，基因控制蛋白質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)程，從而使遺傳信息得以通過(guò)性狀而表達(dá)。具體目標(biāo)為：①區(qū)別遺傳信息轉(zhuǎn)錄的場(chǎng)所、模板、過(guò)程、結(jié)果與條件；②說(shuō)明翻譯過(guò)程是信使RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、核糖體三者之間協(xié)同作用的結(jié)果；③DNA分子的堿基序列與蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系上分析說(shuō)明遺傳密碼的構(gòu)成方式；③解說(shuō)中心法則的論點(diǎn)和意義。④舉例說(shuō)明基因?qū)ι镄誀畹目刂谱饔谩?/p>

2）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

本單元蘊(yùn)含了豐富的情感態(tài)度價(jià)值觀的內(nèi)容。課標(biāo)在《遺傳與進(jìn)化》模塊中提出了要“體驗(yàn)科學(xué)家探索生物生殖、遺傳和進(jìn)化奧秘的過(guò)程”，在具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中列出了應(yīng)用層次的“總結(jié)人類(lèi)對(duì)遺傳物質(zhì)的探索過(guò)程”的要求，可見(jiàn)通過(guò)生物科學(xué)史組織教學(xué)應(yīng)該是本模塊的基本要求。從人類(lèi)對(duì)遺傳物質(zhì)的探索過(guò)程中，可以領(lǐng)悟人們對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是不斷的深化與發(fā)展的；從肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)以及DNA半保留復(fù)制等實(shí)驗(yàn)中，可以體會(huì)從實(shí)驗(yàn)材料的選擇、研究思路的確定、技術(shù)手段的進(jìn)步對(duì)研究過(guò)程所起的作用；從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模的構(gòu)建過(guò)程，可以看到不同學(xué)科的交叉與滲透以及合作在科學(xué)研究中的重要性。通過(guò)完美的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，可以從分子水平領(lǐng)悟DNA分子之美，從復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯等過(guò)程，可以體驗(yàn)遺傳信息的傳遞與表達(dá)過(guò)程中的和諧之美；從遺傳密碼可以感悟生物界多樣性與共同性的統(tǒng)一。

3）能力目標(biāo)

課標(biāo)建議活動(dòng)“搜集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過(guò)程的資料，并進(jìn)行討論和交流”，應(yīng)該盡量讓學(xué)生自己去搜集相關(guān)的資料，這對(duì)于學(xué)生搜集、甄別、處理信息能力的培養(yǎng)是十分有幫助的。建議活動(dòng)“制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”是要學(xué)生動(dòng)手制作模型，要通過(guò)這一活動(dòng)讓學(xué)生體會(huì)模型構(gòu)建在科學(xué)研究中的應(yīng)用，同時(shí)培養(yǎng)空間想象能力及動(dòng)手操作的能力。除了這兩個(gè)活動(dòng)外，本單元可以安排的探究活動(dòng)是非常多的，這些活動(dòng)分別可以從不同的方面培養(yǎng)學(xué)生的能力。如運(yùn)用分析與推理的方法說(shuō)明遺傳物質(zhì)應(yīng)該具備的條件及DNA具備作為遺傳物質(zhì)的條件；嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法分析遺傳信息的多樣性、堿基與氨基酸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系等相關(guān)問(wèn)題；用假說(shuō)-邏輯推理的方法探究DNA的復(fù)制過(guò)程；用資料分析與推理的方法分析遺傳信息的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)程等等。

2對(duì)教學(xué)的幾點(diǎn)思考

根據(jù)本單元的教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容特點(diǎn)，筆者以為以下幾個(gè)方面值得關(guān)注：

1）充分發(fā)揮科學(xué)史的作用。生物學(xué)是一門(mén)自然科學(xué)，知識(shí)的結(jié)論都是通過(guò)觀察與實(shí)驗(yàn)得出或驗(yàn)證的。本單元有著許多經(jīng)典的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，煙草花葉病毒侵染煙葉的實(shí)驗(yàn)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，DNA的半保留復(fù)制的證明實(shí)驗(yàn)，遺傳密碼的破譯實(shí)驗(yàn)等等。通過(guò)這些經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析與體驗(yàn)，不僅要讓學(xué)生獲得科學(xué)知識(shí)，更應(yīng)通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、求實(shí)、創(chuàng)新及勇于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。

如何運(yùn)用好這些經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)素材呢？方法可以是多種多樣的，教學(xué)中要依據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)對(duì)象等因素的不同而確定。例如噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)可組織如下的教學(xué)：

步驟一：提供背景資料。通過(guò)投影或視頻介紹噬菌體以及噬菌體侵染細(xì)菌的過(guò)程，讓學(xué)生明確在噬菌體侵染細(xì)菌的過(guò)程中，DNA進(jìn)入了細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，而蛋白質(zhì)的外殼留在了細(xì)胞外。

步驟二：引發(fā)思考與討論：

問(wèn)題1：根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)隳艿贸鍪裁唇Y(jié)論？為什么？

問(wèn)題2：細(xì)菌和病毒那么小，用肉眼是無(wú)法觀察到的，那么科學(xué)家怎么知道DNA進(jìn)入到了細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，而蛋白質(zhì)沒(méi)有進(jìn)入的呢？

問(wèn)題3：用同位素標(biāo)記什么元素？

問(wèn)題4：科學(xué)用32P和35S分別標(biāo)記了噬菌體的DNA中的P和蛋白質(zhì)中的S，為什么選擇標(biāo)記這兩種元素呢？

問(wèn)題5：用什么辦法才能使噬菌體標(biāo)記上同位素呢？

問(wèn)題6：用含有同位素標(biāo)記的噬菌體去侵染不含同位素標(biāo)記的細(xì)菌，結(jié)果將會(huì)是如何？

問(wèn)題7：在培養(yǎng)液中我們沒(méi)有辦法直接看到32P位于細(xì)菌內(nèi)，35S位于細(xì)菌之外的，有什么辦法能夠知道呢？

步驟三：歸納總結(jié)。通過(guò)圖示或CAI回顧總結(jié)噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并作如下歸納：

①標(biāo)記噬菌體

含35S的培養(yǎng)基含35S的細(xì)菌蛋白質(zhì)外殼含35S的T2噬菌體

含32P的培養(yǎng)基含32P的細(xì)菌內(nèi)部DNA含32P的T2噬菌體

②噬菌體侵染細(xì)菌

組別被標(biāo)記的噬菌體被侵染細(xì)菌處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果成分

1含35S的

T2噬菌體未標(biāo)記

的細(xì)菌攪拌

離心上清液放射性很高主要是噬菌體外殼

沉淀物放射性很低主要是細(xì)菌

2含32P的

T2噬菌體未標(biāo)記

的細(xì)菌攪拌

離心上清液放射性很低主要是噬菌體外殼

沉淀物放射性很高主要是細(xì)菌

③原理與結(jié)論

親代噬菌體寄主細(xì)胞內(nèi)子代噬菌體實(shí)驗(yàn)結(jié)論

32P標(biāo)記DNA有32P標(biāo)記DNADNA有32P標(biāo)記DNA分子具有連續(xù)性，是遺傳物質(zhì)

35S標(biāo)記蛋白質(zhì)無(wú)35S標(biāo)記蛋白質(zhì)外塹鞍字飾?5S標(biāo)記

步驟四：深化討論：

問(wèn)題1．科學(xué)家選用噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明DNA是遺傳物質(zhì)，你認(rèn)為有什么巧妙之處？這一實(shí)驗(yàn)與肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想與方法上有什么共同之處？

問(wèn)題2．同位素的標(biāo)記還可以用于哪些類(lèi)型的研究？

2）注重演繹、推理的運(yùn)用。在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，與觀察、實(shí)驗(yàn)法一樣，演繹與推理也是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要方法。課標(biāo)也明確提出了《遺傳與變異》教學(xué)應(yīng)讓學(xué)生領(lǐng)悟假說(shuō)與演繹在科學(xué)研究中的作用的要求。在本單元的教學(xué)中，許多內(nèi)容是適宜組織學(xué)生進(jìn)行演繹與推理的，如遺傳物質(zhì)應(yīng)該具備的條件，可從自然界生命現(xiàn)象的特點(diǎn)入手進(jìn)行分析推理；DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型可以科學(xué)家相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)為資料，引導(dǎo)學(xué)生去分析推理。下面重點(diǎn)以DNA半保留復(fù)制證明為例，說(shuō)明演繹與推理在教學(xué)中的應(yīng)用。

步驟一：作出假設(shè)。要求學(xué)生根據(jù)已有DNA結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)對(duì)DNA可能的復(fù)制作出猜測(cè)，并對(duì)所猜測(cè)的復(fù)制方式作簡(jiǎn)要的描述。

步驟二：分析推演。告訴學(xué)生，科學(xué)家已證實(shí)，DNA是一種半保留式的復(fù)制。

問(wèn)題1：從理論上作出推演，如果是半保留復(fù)制，親代的DNA分子復(fù)制后得到的第一代DNA和第二代DNA的組成是怎么樣的？

問(wèn)題2：你如何識(shí)別DNA中的哪一條鏈?zhǔn)悄告溎囊粭l是子鏈呢？

問(wèn)題3：你準(zhǔn)備用同位素標(biāo)記哪種物質(zhì)？哪種元素？

問(wèn)題4：如果原DNA是15N的，原料是14N的，那么請(qǐng)推演復(fù)制后的第一代DNA與第二代DNA中N的情況如何？用圖解表示出來(lái)。

問(wèn)題5：根據(jù)分析第一代的每條DNA都是一條鏈含有15N，另一條鏈含有14N的；第二代的DNA中有一半是14N/14N-DNA，另一半為15N/14N-DNA。但我們是看不出DNA分子的，有什么辦法我們可以知道這一結(jié)論呢？

問(wèn)題6：根據(jù)同位素質(zhì)量的不同，你有什么辦法可以區(qū)別不同同位素標(biāo)記的DNA呢？

問(wèn)題7：如果對(duì)每一代的DNA進(jìn)行離心分離，推演實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)是怎樣的呢？

最后向?qū)W生介紹科學(xué)家所做的具體實(shí)驗(yàn)，并分析討論DNA半保留復(fù)制的具體過(guò)程。

3）重視模型的構(gòu)建與運(yùn)用。模型構(gòu)建是自然科學(xué)研究中的一種常用方法。在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，模型方法被廣泛運(yùn)用。模型方法也被引入新課標(biāo)中。在生物科學(xué)學(xué)習(xí)中，模型提供觀念和印象，是非常吸引學(xué)生的生動(dòng)的感性材料，是學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。本單元的兩個(gè)建議活動(dòng)都是與模型構(gòu)建相關(guān)的，教學(xué)中要切實(shí)加以落實(shí)。

例如，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，教學(xué)中可以采取以下步驟：

步驟一：資料搜集。課前由學(xué)生搜集DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的相關(guān)資料，為課上進(jìn)行交流與討論作為準(zhǔn)備。

步驟二：模型討論。圍繞模型構(gòu)建過(guò)程的相關(guān)資料，提出問(wèn)題讓學(xué)生進(jìn)行分析討論，如：①哪些資料支持DNA是雙鏈的結(jié)構(gòu)？②哪些資料支持DNA堿基間的配對(duì)是嘌呤與嘧啶？哪些支持A與T配對(duì)，G與C配對(duì)？③哪些觀點(diǎn)支持磷酸與核糖的骨架在螺旋的外部，堿基對(duì)在螺旋的內(nèi)部？④DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建運(yùn)用到了哪些學(xué)科的知識(shí)與方法？有哪些科學(xué)家為此作出了貢獻(xiàn)？能夠給你哪些方面的啟迪？等等。

步驟三：模型構(gòu)建。學(xué)生自己動(dòng)手構(gòu)建模型。

對(duì)于條件有限，學(xué)生搜集資料有困難的學(xué)校，也可由教師搜集并提供資料給學(xué)生進(jìn)行討論。例如，提供不同生物DNA堿基組成的材料以及嘌呤與嘧啶的分子結(jié)構(gòu)資料，讓學(xué)生分析堿基之間的數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而推測(cè)堿基間的可能配對(duì)關(guān)系等。

4）重視直觀教學(xué)手段的運(yùn)用。本單元是內(nèi)容復(fù)雜抽象，運(yùn)用現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)手段輔助教學(xué)，能充分體現(xiàn)多媒體手段的優(yōu)勢(shì)，化微觀為宏觀，化靜止為動(dòng)態(tài)。如DNA的復(fù)制過(guò)程，基因控制蛋白質(zhì)的合成過(guò)程等，如果能制作或有選用一些多媒體動(dòng)畫(huà)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)知識(shí)，突破難點(diǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量是十分有益的。但要注意避免將知識(shí)的理解作為唯一的目標(biāo)追求，用多媒體的手段替代學(xué)生活動(dòng)過(guò)程及思維過(guò)程的做法。

如何運(yùn)用多媒體組織教學(xué)，要依據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)對(duì)象的具體情況來(lái)確定。如噬菌體的結(jié)構(gòu)，屬于陳述性?xún)?nèi)容，而且了解其結(jié)構(gòu)的目的是服務(wù)于對(duì)噬菌體侵染細(xì)菌的過(guò)程的理解，其結(jié)構(gòu)的掌握本身