《3.1 DNA是主要的遺傳物質》教學設計

《3.1DNA是主要的遺傳物質》教學設計備課人高丹一、前端分析教材分析“DNA是主要的遺傳物質”是人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》第3章第1節(jié)內容，主要以發(fā)現(xiàn)遺傳物質的本質的發(fā)現(xiàn)史為主線，首先由早期科學家關于遺傳物質是蛋白質還是DNA的爭論，引出經典實驗：肺炎鏈球菌的體內、體外轉化實驗和T2噬菌體侵染細菌實驗，得出DNA是主要遺傳物質的主張。學生學習過有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用等知識，知道染色體在遺傳中起著重要作用，具有一定的知識儲備。教材中蘊含著豐富的生物科學史素材，體現(xiàn)了人類對遺傳物質本質的認知過程和研究方法的推進過程，而這也是本節(jié)內容的教學重難點。教材變點及變化意圖分析1.本節(jié)課最大的變化就是艾弗里實驗過程的修改，實驗版教材講述艾弗里從肺炎鏈球菌S型菌中分別提取了DNA、RNA、蛋白質等物質，然后與活的R型菌混合培養(yǎng)，觀察是否發(fā)生轉化。新教材修改為“”他向提取物中分別加入了蛋白酶、酯酶、RNA酶、DNA酶，結果發(fā)現(xiàn)，只有DNA酶能夠阻止轉化實驗，這說明被DNA酶分解的DNA極可能就是有活性的“轉化因子”。（依舊1944年艾弗里發(fā)辮的論文和當時但際上，當時的技術條件無法徹底分離這些物質，變化意圖真實還原艾弗里的真實實驗過程，體現(xiàn)科學的求真思想）2.教材還補充介紹了艾弗里分析發(fā)現(xiàn)“轉化因子”的理化特征與DNA十分相似。綜合這些結論表明，DNA才是使R型細菌產生穩(wěn)定遺傳變化的物質。（依舊艾弗里實驗的本質，還原艾弗里的完整的思維過程，體現(xiàn)科學研究的嚴謹性）3.實驗版教材講述：“赫爾希和蔡斯完成了一個更具說服力的實驗”，新教材刪除了這句話中的“更”字。（還原當時艾弗里研究的真實的背景，避免對這兩個實驗的重要性產生誤解）4.新教材將肺炎雙球菌改為肺炎鏈球菌（依舊生物命名的變化，體現(xiàn)知識的更新）學情分析學生已經具備了有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用等細胞學基礎，掌握了生物的生殖過程、染色體的化學組成、蛋白質與核酸的元素組成等相關知識，為學生學習新課提供了知識基礎。高一學生具備了一定的認知能力，思維的連續(xù)性和邏輯性也初步建立，但還很不完善，他們對事物的探究有激情，但往往對探究的目的、過程及結論不能夠完全確定。因此，教師在設計課程時，應首先向學生明確整個實驗的目的，以問題為驅動，引導學生體驗科學探究的過程，得出實驗的結論。二、學習目標素養(yǎng)目標1.通過對不同生物遺傳物質化學本質的學習與探討，認識生物的多樣性與統(tǒng)一性。（生命觀念）2.通過梳理DNA可能是遺傳物質、DNA是遺傳物質和DNA是主要遺傳物質的層層論證，鍛煉學生歸納概括、推理論證的能力，養(yǎng)成批判性思維。（科學思維）3.通過小組合作討論分析幾個經典實驗的實驗設計思路和基本環(huán)節(jié)，同時利用“減法原理”進一步完善RNA是遺傳物質的實驗，發(fā)展科學探究的精神及能力。（科學探究）4.體會科學發(fā)展過程中嚴密的邏輯推理，認同科學的發(fā)展是一個繼承、發(fā)展與創(chuàng)新的辯證過程。（社會責任））三、教學重難點重點理解經典實驗設計的原理，分析實驗結果難點噬菌體侵染細菌實驗的原理和過程四、教學策略選擇科學史教學策略、情境貫穿教學策略、采用自主學習和合作學習相結合的策略，以學生為中心圍繞重難點進行探究性學習。五、教學準備教學資源準備：科學史資料準備、多媒體課件、安排學生提前進行預習六、教學過程教學環(huán)節(jié)教學過程及學生活動設計意圖情境導課(3分鐘)展示中國醫(yī)生齊心協(xié)力抗擊新冠肺炎相關圖片，2019年12月，武漢市爆發(fā)不明原因的肺炎疫情，隨后我國科學家在實驗室檢出一種新型冠狀病毒，并初步判定為引發(fā)本次肺炎疫情的病原體，尋找新冠病毒的遺傳物質就成為破解新冠肺炎的首要任務。那么遺傳物質是什么？科學家又是如何通過實驗發(fā)現(xiàn)的？學生活動：觀察圖片，思考，產生疑問。用新冠肺炎疫情導入新課，引導學生關注社會熱點，落實社會責任。展示學標1.能復述科學家對遺傳物質推測的探索過程,明確遺傳物質具備的特點。2.能概述DNA是主要的遺傳物質的探索過程，能說明自變量控制中的"加法原理"和"減法原理"。3.能總結人類對遺傳物質的認識是不斷深化、不斷完善的過程，總結實驗技術在證明DNA是遺傳物質中的作用。明確學習目標一、對遺傳物質的早期預測介紹20世紀中葉人們對遺傳物質認知。20世紀20年代人們已經認識到蛋白質是由多種氨基酸連接而成的生物大分子，氨基酸多種多樣的排列順序中可能蘊含著遺傳信息，所以當時大多數(shù)科學家認為蛋白質是遺傳物質。到了20世紀30年代人們認識到DNA是由4種脫氧核苷酸聚合成的生物大分子。這一認識本可以讓人們意識到DNA的重要性，但是，由于對DNA的結構沒有清晰了解，認為蛋白質是遺傳物質的觀點仍占主導地位?！咎釂枴烤烤故裁词巧矬w的遺傳物質？作為生物體的遺傳物質可能具有哪些特點？今天讓我們和科學家一起探尋。學生活動：學生認真聽講，讓自己進入到20世紀中葉那段充滿爭論的歷史中，了解人們爭論的主題什么？為什么會有這樣的爭論？【思考】遺傳物質是什么？它們可能具有的哪些特點？創(chuàng)設科學史情景，讓學生置身于那段歷史的真實情景中認知和思考。為學生理解科學家接下來的進一步探尋什么是遺傳物質打下結實的基礎。二、肺炎鏈球菌的轉化實驗（體內）介紹科學家尋找遺傳物質的實驗證據(jù)。第一是格里菲思的肺炎鏈球菌轉化實驗。首先要介紹背景，通過確鑿的實驗證據(jù)向遺傳物質是蛋白質的觀點提出挑戰(zhàn)的，其次是美國微生物學家艾弗里，而艾弗里的實驗又是在英國微生物學家格里菲斯的實驗基礎上進行的?！咎釂枴慨斈旮窭锓扑甲隽艘粋€什么樣的實驗呢？學生活動：學生認真跟隨老師思考并回答：肺炎鏈球菌轉化實驗【提問】這個實驗用到的實驗材料有小白鼠和兩種肺炎鏈球菌，請同學們根據(jù)預習學案回答兩種肺炎鏈球菌的特點：學生活動：根據(jù)預習學案回答老師問題。實驗背景：當年格里菲思做肺炎鏈球菌轉化實驗并不是為了去探尋DNA和蛋白質究竟誰是遺傳物質，而是為了證明肺炎鏈球菌會使得小鼠患肺炎，在實驗過程他有了偶然的發(fā)現(xiàn)?！咎釂枴克l(fā)現(xiàn)了什么？下面讓我們來看他的實驗過程。一開始格里菲思做了三組實驗，下面請同學觀察格里菲思的實驗實驗過程示意圖思考以下問題：思考：1.第一組的實驗結果與第二組實驗結果比較說明了什么？2. 第三組的實驗結果與第二組對比說明了什么？在前三組實驗的基礎上格里菲思進行了第4組實驗，將加熱致死的S型菌和R型菌混和注入到小鼠體內?！咀穯枴空埻瑢W們猜測第4組小鼠是否死亡？接著請同學們思考以下問題：3.第一、三組和第四組的實驗結果比較說明？由此格里菲思得出這樣的實驗推論：已經加熱致死的S型細菌，含有某種促使R型活細菌轉化為S型活細菌的活性物質轉化因子。學生活動：說明在加熱致死的S型菌中存在某種活性物質使得R型菌轉化成S型菌?！具^渡】格里菲思的實驗結論引起了艾弗里及其同事的關注。他們分析加熱致死的S菌的組成成分，發(fā)現(xiàn)加熱致死的S型菌有DNA、蛋白質、多糖、脂質、RNA等物質?！咎釂枴窟@些物質中究竟哪一種是轉化因子？這需要我們通過實驗來進一步探究。思考：假如你是艾弗里該如何設計實驗來進一步探究？同學們這個同學設計思路有道理嗎？但艾弗里及其同事并沒有像這樣來做，是因為當時的物質提純非常的困難，沒有辦法將DNA和蛋白質等物質完全的提純出來。為了解決這一問題，艾弗里及其同事另辟蹊徑采用酶解法進行了進一步的研究。下面我們一起來看艾弗里的實驗過程。創(chuàng)設真實的科學史情景，使學生置身于當時的情景思考提前布置預習學案，充分調動學生自主學習興趣利用追問，引導學生更為深入的思考。創(chuàng)設情景，讓學生在具體的歷史情景中思考學習。三、肺炎鏈球菌的轉化實驗（體外）介紹實驗的基本情況：艾弗里一共做了5組實驗，在第2-4組實驗分別在S型細菌的提取物中加入了蛋白酶、RNA酶、脂酶和DNA酶?！咎釂枴康鞍酌傅淖饔檬?？RNA酶的作用是？【課堂自主學習活動】請同學們有聲閱讀教材P44頁第2段，20世紀40年代這一段，讀完后，觀察艾弗里的實驗過程，思考以下問題。①第一組實驗的結果說明了什么？②第二至四組的實驗的結果和第一組實驗結果比較說明了什么？③第五組的實驗結果和第一組實驗結果比較說明了什么？思考：④請同學們閱讀教材P46頁的科學方法，思考該實驗中實驗組的設置遵循自變量控制中什么原理？【結論】艾弗里等人進一步分析了細胞提取物的理化特性，發(fā)現(xiàn)這些特性與DNA極為相似，于是艾弗里提出了不同于當時大多數(shù)科學家的實驗結論：DNA才是使R型菌產生穩(wěn)定遺傳變化的物質；蛋白質等其它物質不是遺傳物質。與常態(tài)相比，人為去除某種影響因素是減法原理，相反與常態(tài)相比人為增加某種影響因素是加法原理。利用問題引導學生自主閱讀課本，思考提出的問題，進行啟發(fā)式教學。閱讀教材，自主思考相關問題四、噬菌體侵染細菌實驗艾弗里的實驗結論一經提出就遭到了多人的質疑。思考：這是為什么呢？原因有兩方面，一方面是因為當時的思想束縛，認為蛋白質是遺傳物質的觀點占大多數(shù)，另一方面由于當時的物質提純是非常困難的，沒有辦法把DNA和蛋白質分離開，例如艾弗里2-至5組實驗中加入的酶也是蛋白質。所以當時人們就想有沒有更好的材料、更好的方法能夠將DNA和蛋白質分開，單獨去觀察它們的作用呢？直到T2噬菌體被發(fā)現(xiàn)解決了這一問題。1952年，赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，完成了另一個有說服力的實驗。思考：赫爾希和蔡斯當年完成了一個什么樣的實驗？本實驗用到的實驗材料有T2噬菌體和大腸桿菌；T2噬菌體是一種DNA病毒，分為頭部和尾部，頭部和尾部的外殼是由蛋白質構成的，頭部含有DNA，專性寄生于大腸桿菌。下面請同學們有聲閱讀教材第45頁第一段了解T2噬菌體侵染細菌的過程?！咎釂枴客ㄟ^教材我們知道T2噬菌體要在大腸桿菌中增殖，必須在自身遺傳物質作用下才能進行，也就是說T2噬菌體的遺傳物質一定注入到大腸桿菌中，但由于T2噬菌體的DNA和蛋白質是生物大分子物質，肉眼并不可見，那T2噬菌體是將它的什么物質注入到大腸桿菌中呢？【設計實驗】下面請同學們利用T2噬菌體、大腸桿菌等實驗材料設計實驗探究T2噬菌體注入大腸桿菌的成分(遺傳物質)是什么?（這也是證明某一物質是遺傳物質的可行方法之一）。探究性實驗的一般步驟，第1步是提出問題，第2步是做出假設，那我們可以做出哪些假設呢？【提問】究竟哪一個假設是正確的，這就需要我們設計實驗來探究，同學們想一想能不能采用減法原理將DNA和蛋白質分別除去呢？不能采用減法原理，采用減法原理可能會導致T2噬菌體遭到破壞，從而失去侵染性?！咀穯枴吭谠O計實驗的時候我們遇到一個很大的難題，DNA和蛋白質都是肉眼不可見的大分子物質，那如何追蹤DNA和蛋白質注入大腸桿菌的情況呢？思考：1.DNA和蛋白質是分開標記還是同時標記？標記哪種元素才能單獨標記T2噬菌體的DNA(或蛋白質)？【追問】利用放射性同位素標記技術應如何對DNA和蛋白質進行標記，請同學們有聲閱讀教材P45第2段內容及相關信息，回答以下問題：2.能用含放射性原料的培養(yǎng)基直接培養(yǎng)噬菌體嗎？怎樣標記噬菌體？【追問】為什么要用P來標記DNA，S來標記蛋白質？如果用14C和3H標記可以嗎？用18O和15N可以嗎？【追問】具體該如何來培養(yǎng)呢？例如要獲得35S標記的噬菌體，首先要用35S標記的培養(yǎng)基培養(yǎng)未被標記的大腸桿菌，從而獲得35S標記的大腸桿菌，接著再用未被標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌，T2噬菌體將遺傳物質注入到大腸桿菌中T2噬菌體的遺傳物質在大腸桿菌中，利用大腸桿菌中的原料、能量和酶合成自身組成分，進行大量增殖，當噬菌體增殖到一定數(shù)量，大腸桿菌裂解釋放出的子代噬菌體就會帶有35S標記，獲得32P標記的噬菌體也是同理。思考：被侵染的大腸桿菌能不能帶有標記？如果帶有標記會怎么樣？獲得35S標記的噬菌體和32P標記的噬菌體，然后讓它們分別侵染大腸桿菌。這個大腸桿菌只能是未被侵染的大腸桿菌。T2噬菌體侵染大腸桿菌需要一定的時間，就需要進行保溫。保溫完成后，T2噬菌體有一部分進入大腸桿菌中，未注入大腸桿菌的部分需要與大腸桿菌分離，這就需要攪拌，攪拌完成后，被侵染的大腸桿菌和未注入大腸桿菌的T2噬菌體仍然混在一起，這就需要離心。思考：保溫、攪拌、離心的作用是什么？【小組合作學習】明確了實驗設計思路后，請同學們根據(jù)假說小組合作推理出理論實驗結果，填寫在預習學案中。進行真正實驗,得到實驗結果：用35S標記的一組侵染實驗，放射性同位素主要分布在上清液中；用32P標記的一組實驗，放射性同位素主要分布在離心管中沉淀物中。根據(jù)真正的實驗結果，可以得出假說一是正確，可以初步得出T2噬菌體的遺傳物質是DNA。思考：進一步觀察發(fā)現(xiàn)：細菌裂解釋放出的噬菌體中，可以檢測到32P標記的DNA，但不能檢測到35S標記的蛋白質，這一結果說明了什么？【總結】進一步分析實驗結果發(fā)現(xiàn)35S標記組上清液放射性很高，沉淀物放射性很低，按照理論沉淀物沒有放射性，但實際結果有較低的放射性。實驗結果和理論結果不同是因為存在誤差。思考：為什么沉淀物有較低的放射性？產生誤差的原因是什么？32P標記組上清液放射性很低，沉淀物放射性很高，按照理論推測上清液應該沒有放射性，但實際結果是上清液有很低的放射性，說明存在誤差。【提問】為什么上清液有較低的放射性？產生誤差的原因是什么？設置質疑點，介紹當時的背景，引發(fā)學生思考通過閱讀課本和觀看視頻了解T2噬菌體侵染大腸桿菌的過程利用以上資料引發(fā)學生思考T2噬菌體將什么物質注入了大腸桿菌中利用問題串，突破噬菌體的標記問題利用問題串引導學生思考如何標記噬菌體、如何設計實驗，根據(jù)假說預測出理論實驗結果預測結果和真實結果比較，從而進行誤差分析。煙草花葉病毒侵染煙草實驗【提問】生物界中只有DNA是遺傳物質嗎？【追問】像煙草花葉病毒這樣的生物只由RNA和蛋白質構成，它的遺傳物質是什么？下面請同學們觀察煙草花葉病毒侵染煙草的實驗，思考：觀察煙草花葉病毒侵染煙草的實驗，可以得出什么結論？自主分析實驗過程，得出實驗結論隨堂訓練1.赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細菌的實驗表明