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《遺傳的分子基礎》的教學思考
《遺傳的分子基礎》的教學思考 《遺傳的分子基礎》揭示了DNA是主要的遺傳物質,以及遺傳物質對遺傳信息的儲存、傳遞和表達�！哆z傳的細胞學基礎》是從細胞水平闡述遺傳的原理,本單元則從分子水平揭示遺傳的本質,這兩個單元共同構成了遺傳學的理論基礎。
1 教學內容與要求
課標規(guī)定的本單元的內容包括:總結人類對遺傳物質的探索過程;概述DNA分子結構的主要特點;說明基因和遺傳信息的關系;概述DNA分子的復制;概述遺傳信息的轉錄和翻譯�；顒咏ㄗh有兩項:搜集DNA分子結構模型建立過程的資料,并進行討論和交流;制作DNA分子雙螺旋結構模型。
1)知識目標
“總結人類對遺傳物質的探索過程”屬于應用性的內容。這部分內容的教學不是要求學生記住對遺傳物質探索過程的史實,而是通過對科學過程的分析領悟科學實驗的思想、方法、過程與價值。具體選擇哪些科學史實?肺炎雙球菌的轉化實驗以及噬菌體侵染細菌的實驗是兩個經典實驗,應該進行具體的分析。煙草花葉病毒感染煙葉的實驗主要用于說明RNA也可以作為遺傳物質,在實驗設計的思想與方法上與DNA是遺傳物質的實驗是類似的,因此可以從簡些。具體目標包括:①分析肺炎雙球菌轉化實驗及噬菌體侵染細菌的實驗,證明DNA是遺傳物質;②分析煙草花葉病毒侵染煙草的實驗,證明RNA也是遺傳物質;③總結遺傳物質的共同特征;④評價人類探索遺傳物質的實驗設計思想與方法。
“概述DNA分子結構的主要特點”屬于理解水平。只有明確DNA的結構特點,才能理解DNA對遺傳信息的貯存、傳遞與表達等基本功能。要明確DNA的結構特點,首先應掌握DNA的結構及化學組成,具體目標包括:①概述DNA的元素組成、基本組成物質、結構單位、一級結構,以及沃森-克里克提出的雙螺旋結構模型的基本論點;②說明DNA分子結構的穩(wěn)定性、特異性和多樣性。
“說明基因和遺傳信息的關系”屬于理解水平。本單元的核心內容是闡明基因概念,即從基因與性狀的關系上說明基因是控制性狀遺傳的基本單位,從基因與染色體的關系上說明基因的存在部位及方式,從基因與DNA的關系上說明基因的化學本質,從功能上揭示基因中蘊涵著特定的遺傳信息。具體目標包括:①舉例說明基因是有遺傳效應的DNA片段;②說明基因與遺傳信息的關系。
“概述DNA分子的復制”也屬于理解水平。DNA通過自我復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。具體教學目標為:①概述DNA的復制場所、時間和過程,②說明DNA復制的條件、分子基礎和特點,③揭示DNA復制的實質及意義。
“概述遺傳信息的轉錄和翻譯”仍然是理解水平。在子代的個體發(fā)育階段,基因控制蛋白質合成的轉錄與翻譯過程,從而使遺傳信息得以通過性狀而表達。具體目標為:①區(qū)別遺傳信息轉錄的場所、模板、過程、結果與條件;②說明翻譯過程是信使RNA、轉運RNA、核糖體三者之間協(xié)同作用的結果;③DNA分子的堿基序列與蛋白質分子的氨基酸序列之間的對應關系上分析說明遺傳密碼的構成方式;③解說中心法則的論點和意義。④舉例說明基因對生物性狀的控制作用。
2)情感態(tài)度與價值觀目標
本單元蘊含了豐富的情感態(tài)度價值觀的內容。課標在《遺傳與進化》模塊中提出了要“體驗科學家探索生物生殖、遺傳和進化奧秘的過程”,在具體內容標準中列出了應用層次的“總結人類對遺傳物質的探索過程”的要求,可見通過生物科學史組織教學應該是本模塊的基本要求。從人類對遺傳物質的探索過程中,可以領悟人們對科學的認識是不斷的深化與發(fā)展的;從肺炎雙球菌的轉化實驗、噬菌體侵染細菌的實驗以及DNA半保留復制等實驗中,可以體會從實驗材料的選擇、研究思路的確定、技術手段的進步對研究過程所起的作用;從DNA雙螺旋結構模的構建過程,可以看到不同學科的交叉與滲透以及合作在科學研究中的重要性。通過完美的DNA雙螺旋結構模型,可以從分子水平領悟DNA分子之美,從復制、轉錄與翻譯等過程,可以體驗遺傳信息的傳遞與表達過程中的和諧之美;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
課標建議活動“搜集DNA分子結構模型建立過程的資料,并進行討論和交流”,應該盡量讓學生自己去搜集相關的資料,這對于學生搜集、甄別、處理信息能力的培養(yǎng)是十分有幫助的。建議活動“制作DNA分子雙螺旋結構模型”是要學生動手制作模型,要通過這一活動讓學生體會模型構建在科學研究中的應用,同時培養(yǎng)空間想象能力及動手操作的能力。除了這兩個活動外,本單元可以安排的探究活動是非常多的,這些活動分別可以從不同的方面培養(yǎng)學生的能力。如運用分析與推理的方法說明遺傳物質應該具備的條件及DNA具備作為遺傳物質的條件;嘗試運用數(shù)學的方法分析遺傳信息的多樣性、堿基與氨基酸之間的對應關系等相關問題;用假說-邏輯推理的方法探究DNA的復制過程;用資料分析與推理的方法分析遺傳信息的轉錄與翻譯過程等等。
2 對教學的幾點思考
根據本單元的教學目標及內容特點,筆者以為以下幾個方面值得關注:
1)充分發(fā)揮科學史的作用。生物學是一門自然科學,知識的結論都是通過觀察與實驗得出或驗證的。本單元有著許多經典的科學實驗,如肺炎雙球菌的轉化實驗,噬菌體侵染細菌的實驗,煙草花葉病毒侵染煙葉的實驗,DNA雙螺旋結構模型的構建, DNA的半保留復制的證明實驗,遺傳密碼的破譯實驗等等。通過這些經典科學實驗分析與體驗,不僅要讓學生獲得科學知識,更應通過這些實驗發(fā)展學生的科學探究能力,培養(yǎng)學生質疑、求實、創(chuàng)新及勇于實驗的科學精神和科學態(tài)度。
如何運用好這些經典的實驗素材呢?方法可以是多種多樣的,教學中要依據教學目標、教學對象等因素的不同而確定。例如噬菌體侵染細菌的實驗可組織如下的教學:
步驟一:提供背景資料。通過投影或視頻介紹噬菌體以及噬菌體侵染細菌的過程,讓學生明確在噬菌體侵染細菌的過程中,DNA進入了細菌細胞內,而蛋白質的外殼留在了細胞外。
步驟二:引發(fā)思考與討論:
問題1:根據這個實驗你能得出什么結論?為什么?
問題2:細菌和病毒那么小,用肉眼是無法觀察到的,那么科學家怎么知道DNA進入到了細菌細胞內,而蛋白質沒有進入的呢?
問題3:用同位素標記什么元素?
問題4(如果學生無法回答問題3):科學用32P和35S分別標記了噬菌體的DNA中的P和蛋白質中的S,為什么選擇標記這兩種元素呢?
問題5: 用什么辦法才能使噬菌體標記上同位素呢?
問題6:用含有同位素標記的噬菌體去侵染不含同位素標記的細菌,結果將會是如何?
問題7:在培養(yǎng)液中我們沒有辦法直接看到32P位于細菌內,35S位于細菌之外的,有什么辦法能夠知道呢?
步驟三:歸納總結。通過圖示或CAI回顧總結噬菌體侵染細菌的實驗過程,并作如下歸納:
①標記噬菌體
含 35S的培養(yǎng)基 含 35S的細菌 蛋白質外殼含35S的T2噬菌體
含 32P的培養(yǎng)基 含32P的細菌 內部DNA含32P的T2噬菌體
②噬菌體侵染細菌
組別 被標記的噬菌體 被侵染細菌 處理 實驗結果 成分
1 含35S的
T2噬菌體 未標記
的細菌 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 主要是細菌
2 含 32P的
T2噬菌體 未標記
的細菌 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 主要是細菌
③原理與結論
親代噬菌體 寄主細胞內 子代噬菌體 實驗結論
32P標記DNA 有32P標記DNA DNA有32P標記 DNA分子具有連續(xù)性,是遺傳物質
35S標記蛋白質 無35S標記蛋白質 外塹鞍字飾?5S標記
步驟四:深化討論:
問題1.科學家選用噬菌體侵染細菌的實驗來證明DNA是遺傳物質,你認為有什么巧妙之處?這一實驗與肺炎雙球菌轉化實驗在實驗設計的思想與方法上有什么共同之處?
問題2.同位素的標記還可以用于哪些類型的研究?
2)注重演繹、推理的運用。在科學發(fā)現(xiàn)過程中,與觀察、實驗法一樣,演繹與推理也是科學發(fā)現(xiàn)的重要方法。課標也明確提出了《遺傳與變異》教學應讓學生領悟假說與演繹在科學研究中的作用的要求。在本單元的教學中,許多內容是適宜組織學生進行演繹與推理的,如遺傳物質應該具備的條件,可從自然界生命現(xiàn)象的特點入手進行分析推理;DNA的雙螺旋結構模型可以科學家相關的實驗結果與數(shù)據為資料,引導學生去分析推理。下面重點以DNA半保留復制證明為例,說明演繹與推理在教學中的應用。
步驟一:作出假設。要求學生根據已有DNA結構等方面的知識對DNA可能的復制作出猜測,并對所猜測的復制方式作簡要的描述。
步驟二:分析推演。告訴學生,科學家已證實,DNA是一種半保留式的復制。
問題1:從理論上作出推演,如果是半保留復制,親代的DNA分子復制后得到的第一代DNA和第二代DNA的組成是怎么樣的?
問題2:你如何識別DNA中的哪一條鏈是母鏈哪一條是子鏈呢?
(啟發(fā)學生采用同位素標記的方法。)
問題3:你準備用同位素標記哪種物質?哪種元素?
問題4:如果原DNA是15N的,原料是14N的,那么請推演復制后的第一代DNA與第二代DNA中N的情況如何?用圖解表示出來。
問題5:根據分析第一代的每條DNA都是一條鏈含有15N,另一條鏈含有14N的(表示為15N/14N—DNA);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論呢?
(引導學生考慮同位素除了放射性不同外,還有哪些性質。啟發(fā)學生明確同位素的質量也是不相同的。)
問題6:根據同位素質量的不同,你有什么辦法可以區(qū)別不同同位素標記的DNA呢?
問題7:如果對每一代的DNA進行離心分離,推演實驗的結果會是怎樣的呢?
最后向學生介紹科學家所做的具體實驗,并分析討論DNA半保留復制的具體過程。
3)重視模型的構建與運用。模型構建是自然科學研究中的一種常用方法。在現(xiàn)代生物科學研究中,模型方法被廣泛運用。模型方法也被引入新課標中。在生物科學學習中,模型提供觀念和印象,是非常吸引學生的生動的感性材料,是學生知識結構的重要組成部分。本單元的兩個建議活動都是與模型構建相關的,教學中要切實加以落實。
例如,DNA雙螺旋結構模型的構建,教學中可以采取以下步驟:
步驟一:資料搜集。課前由學生搜集DNA雙螺旋結構模型構建的相關資料,為課上進行交流與討論作為準備。
步驟二:模型討論。圍繞模型構建過程的相關資料,提出問題讓學生進行分析討論,如:①哪些資料支持DNA是雙鏈的結構?②哪些資料支持DNA堿基間的配對是嘌呤與嘧啶?哪些支持A與T配對,G與C配對?③哪些觀點支持磷酸與核糖的骨架在螺旋的外部,堿基對在螺旋的內部?④DNA雙螺旋結構模型的構建運用到了哪些學科的知識與方法?有哪些科學家為此作出了貢獻?能夠給你哪些方面的啟迪?等等。
步驟三:模型構建。學生自己動手構建模型。
對于條件有限,學生搜集資料有困難的學校,也可由教師搜集并提供資料給學生進行討論。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構資料,讓學生分析堿基之間的數(shù)量關系,進而推測堿基間的可能配對關系等。
4)重視直觀教學手段的運用。本單元是內容復雜抽象,運用現(xiàn)代化的多媒體教學手段輔助教學,能充分體現(xiàn)多媒體手段的優(yōu)勢,化微觀為宏觀,化靜止為動態(tài)。如DNA的復制過程,基因控制蛋白質的合成過程等,如果能制作或有選用一些多媒體動畫,對促進學生理解知識知識,突破難點,提高教學質量是十分有益的。但要注意避免將知識的理解作為唯一的目標追求,用多媒體的手段替代學生活動過程及思維過程的做法。
如何運用多媒體組織教學,要依據教學目標、教學內容及教學對象的具體情況來確定。如噬菌體的結構,屬于陳述性內容,而且了解其結構的目的是服務于對噬菌體侵染細菌的過程的理解,其結構的掌握本身并不是教學需要達成的目標,因此可通過幻燈片直接向學生介紹;噬菌體侵染細菌過程的也只是為了服務于DNA是遺傳物質的實驗證明的,因此也可以直接向學生展示侵染過程的動畫。但DNA的半保留復制,就必須在學生充分分析推理探究的基礎上再展示,其展示的目標在于進一步印證自己的分析推斷,并加深對這一知識的理解。同樣蛋白質的合成過程也不宜直接通過多媒體向學生展示其過程,媒體的使用宜用來提供學生分析推理的情境與資料,以及證明學生分析推理的結論,否則學生就失去了親歷探究的過程,思維訓練被弱化,也就背離了課標的要求。
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