《遗传的分子基础》的教学思考与探讨

  《遗传的分子基础》揭示了DNA是主要的遗传物质，以及遗传物质对遗传信息的储存、传递和表达。《遗传的细胞学基础》是从细胞水平阐述遗传的原理，本单元则从分子水平揭示遗传的本质，这两个单元共同构成了遗传学的理论基础。
1 教学内容与要求
课标规定的本单元的内容包括:总结人类对遗传物质的探索过程；概述DNA分子结构的主要特点；说明基因和遗传信息的关系；概述DNA分子的复制；概述遗传信息的转录和翻译。活动建议有两项：搜集DNA分子结构模型建立过程的资料，并进行讨论和交流；制作DNA分子双螺旋结构模型。
1）知识目标
 “总结人类对遗传物质的探索过程”属于应用性的内容。这部分内容的教学不是要求学生记住对遗传物质探索过程的史实，而是通过对科学过程的分析领悟科学实验的思想、方法、过程与价值。具体选择哪些科学史实？肺炎双球菌的转化实验以及噬菌体侵染细菌的实验是两个经典实验，应该进行具体的分析。烟草花叶病毒感染烟叶的实验主要用于说明RNA也可以作为遗传物质，在实验设计的思想与方法上与DNA是遗传物质的实验是类似的，因此可以从简些。具体目标包括：①分析肺炎双球菌转化实验及噬菌体侵染细菌的实验，证明DNA是遗传物质；②分析烟草花叶病毒侵染烟草的实验，证明RNA也是遗传物质；③总结遗传物质的共同特征；④评价人类探索遗传物质的实验设计思想与方法。
“概述DNA分子结构的主要特点”属于理解水平。只有明确DNA的结构特点，才能理解DNA对遗传信息的贮存、传递与表达等基本功能。要明确DNA的结构特点，首先应掌握DNA的结构及化学组成，具体目标包括：①概述DNA的元素组成、基本组成物质、结构单位、一级结构，以及沃森-克里克提出的双螺旋结构模型的基本论点；②说明DNA分子结构的稳定性、特异性和多样性。
“说明基因和遗传信息的关系”属于理解水平。本单元的核心内容是阐明基因概念，即从基因与性状的关系上说明基因是控制性状遗传的基本单位，从基因与染色体的关系上说明基因的存在部位及方式，从基因与DNA的关系上说明基因的化学本质，从功能上揭示基因中蕴涵着特定的遗传信息。具体目标包括：①举例说明基因是有遗传效应的DNA片段；②说明基因与遗传信息的关系。
“概述DNA分子的复制”也属于理解水平。DNA通过自我复制将遗传信息从亲代传递到子代，从而保持亲子之间的连续性。具体教学目标为：①概述DNA的复制场所、时间和过程，②说明DNA复制的条件、分子基础和特点，③揭示DNA复制的实质及意义。
“概述遗传信息的转录和翻译”仍然是理解水平。在子代的个体发育阶段，基因控制蛋白质合成的转录与翻译过程，从而使遗传信息得以通过性状而表达。具体目标为：①区别遗传信息转录的场所、模板、过程、结果与条件；②说明翻译过程是信使RNA、转运RNA、核糖体三者之间协同作用的结果；③DNA分子的碱基序列与蛋白质分子的氨基酸序列之间的对应关系上分析说明遗传密码的构成方式；③解说中心法则的论点和意义。④举例说明基因对生物性状的控制作用。
2）情感态度与价值观目标
本单元蕴含了丰富的情感态度价值观的内容。课标在《遗传与进化》模块中提出了要“体验科学家探索生物生殖、遗传和进化奥秘的过程”，在具体内容标准中列出了应用层次的“总结人类对遗传物质的探索过程”的要求，可见通过生物科学史组织教学应该是本模块的基本要求。从人类对遗传物质的探索过程中，可以领悟人们对科学的认识是不断的深化与发展的；从肺炎双球菌的转化实验、噬菌体侵染细菌的实验以及DNA半保留复制等实验中，可以体会从实验材料的选择、研究思路的确定、技术手段的进步对研究过程所起的作用；从DNA双螺旋结构模的构建过程，可以看到不同学科的交叉与渗透以及合作在科学研究中的重要性。通过完美的DNA双螺旋结构模型，可以从分子水平领悟DNA分子之美，从复制、转录与翻译等过程，可以体验遗传信息的传递与表达过程中的和谐之美；从遗传密码可以感悟生物界多样性与共同性的统一。
3）能力目标
课标建议活动“搜集DNA分子结构模型建立过程的资料，并进行讨论和交流”，应该尽量让学生自己去搜集相关的资料，这对于学生搜集、甄别、处理信息能力的培养是十分有帮助的。建议活动“制作DNA分子双螺旋结构模型”是要学生动手制作模型，要通过这一活动让学生体会模型构建在科学研究中的应用，同时培养空间想象能力及动手操作的能力。除了这两个活动外，本单元可以安排的探究活动是非常多的，这些活动分别可以从不同的方面培养学生的能力。如运用分析与推理的方法说明遗传物质应该具备的条件及DNA具备作为遗传物质的条件；尝试运用数学的方法分析遗传信息的多样性、碱基与氨基酸之间的对应关系等相关问题；用假说-逻辑推理的方法探究DNA的复制过程；用资料分析与推理的方法分析遗传信息的转录与翻译过程等等。
2 对教学的几点思考
根据本单元的教学目标及内容特点，笔者以为以下几个方面值得关注：
1）充分发挥科学史的作用。生物学是一门自然科学，知识的结论都是通过观察与实验得出或验证的。本单元有着许多经典的科学实验，如肺炎双球菌的转化实验，噬菌体侵染细菌的实验，烟草花叶病毒侵染烟叶的实验，DNA双螺旋结构模型的构建， DNA的半保留复制的证明实验，遗传密码的破译实验等等。通过这些经典科学实验分析与体验，不仅要让学生获得科学知识，更应通过这些实验发展学生的科学探究能力，培养学生质疑、求实、创新及勇于实验的科学精神和科学态度。
如何运用好这些经典的实验素材呢？方法可以是多种多样的，教学中要依据教学目标、教学对象等因素的不同而确定。例如噬菌体侵染细菌的实验可组织如下的教学：
步骤一：提供背景资料。通过投影或视频介绍噬菌体以及噬菌体侵染细菌的过程，让学生明确在噬菌体侵染细菌的过程中，DNA进入了细菌细胞内，而蛋白质的外壳留在了细胞外。
步骤二：引发思考与讨论：
问题1：根据这个实验你能得出什么结论？为什么？
问题2：细菌和病毒那么小，用肉眼是无法观察到的，那么科学家怎么知道DNA进入到了细菌细胞内，而蛋白质没有进入的呢？
问题3：用同位素标记什么元素？
问题4（如果学生无法回答问题3）：科学用32P和35S分别标记了噬菌体的DNA中的P和蛋白质中的S，为什么选择标记这两种元素呢？
问题5： 用什么办法才能使噬菌体标记上同位素呢？
问题6：用含有同位素标记的噬菌体去侵染不含同位素标记的细菌，结果将会是如何？
问题7：在培养液中我们没有办法直接看到32P位于细菌内，35S位于细菌之外的，有什么办法能够知道呢？
步骤三：归纳总结。通过图示或CAI回顾总结噬菌体侵染细菌的实验过程，并作如下归纳：
①标记噬菌体
   含 35S的培养基      含 35S的细菌        蛋白质外壳含35S的T2噬菌体
 
含 32P的培养基       含32P的细菌          内部DNA含32P的T2噬菌体
②噬菌体侵染细菌
组别 被标记的噬菌体 被侵染细菌 处理 实验结果 成分
1 含35S的
T2噬菌体 未标记
的细菌 搅拌
离心 上清液放射性很高 主要是噬菌体外壳
    沉淀物放射性很低 主要是细菌
2 含 32P的
T2噬菌体 未标记
的细菌 搅拌
离心 上清液放射性很低 主要是噬菌体外壳
    沉淀物放射性很高 主要是细菌
③原理与结论
亲代噬菌体 寄主细胞内 子代噬菌体 实验结论
32P标记DNA 有32P标记DNA DNA有32P标记 DNA分子具有连续性，是遗传物质
35S标记蛋白质 无35S标记蛋白质 外堑鞍字饰?5S标记 
步骤四：深化讨论：
问题1．科学家选用噬菌体侵染细菌的实验来证明DNA是遗传物质，你认为有什么巧妙之处？这一实验与肺炎双球菌转化实验在实验设计的思想与方法上有什么共同之处？
问题2．同位素的标记还可以用于哪些类型的研究？
2）注重演绎、推理的运用。在科学发现过程中，与观察、实验法一样，演绎与推理也是科学发现的重要方法。课标也明确提出了《遗传与变异》教学应让学生领悟假说与演绎在科学研究中的作用的要求。在本单元的教学中，许多内容是适宜组织学生进行演绎与推理的，如遗传物质应该具备的条件，可从自然界生命现象的特点入手进行分析推理；DNA的双螺旋结构模型可以科学家相关的实验结果与数据为资料，引导学生去分析推理。下面重点以DNA半保留复制证明为例，说明演绎与推理在教学中的应用。
步骤一：作出假设。要求学生根据已有DNA结构等方面的知识对DNA可能的复制作出猜测，并对所猜测的复制方式作简要的描述。
步骤二：分析推演。告诉学生，科学家已证实，DNA是一种半保留式的复制。
问题1：从理论上作出推演，如果是半保留复制，亲代的DNA分子复制后得到的第一代DNA和第二代DNA的组成是怎么样的？
问题2：你如何识别DNA中的哪一条链是母链哪一条是子链呢？
（启发学生采用同位素标记的方法。）
问题3：你准备用同位素标记哪种物质？哪种元素？
问题4：如果原DNA是15N的，原料是14N的，那么请推演复制后的第一代DNA与第二代DNA中N的情况如何？用图解表示出来。
问题5：根据分析第一代的每条DNA都是一条链含有15N，另一条链含有14N的（表示为15N/14N—DNA）；第二代的DNA中有一半是14N/14N-DNA，另一半为15N/14N-DNA。但我们是看不出DNA分子的，有什么办法我们可以知道这一结论呢？
（引导学生考虑同位素除了放射性不同外，还有哪些性质。启发学生明确同位素的质量也是不相同的。）
问题6：根据同位素质量的不同，你有什么办法可以区别不同同位素标记的DNA呢？
问题7：如果对每一代的DNA进行离心分离，推演实验的结果会是怎样的呢？
最后向学生介绍科学家所做的具体实验，并分析讨论DNA半保留复制的具体过程。
3）重视模型的构建与运用。模型构建是自然科学研究中的一种常用方法。在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用。模型方法也被引入新课标中。在生物科学学习中，模型提供观念和印象，是非常吸引学生的生动的感性材料，是学生知识结构的重要组成部分。本单元的两个建议活动都是与模型构建相关的，教学中要切实加以落实。
例如，DNA双螺旋结构模型的构建，教学中可以采取以下步骤：
步骤一：资料搜集。课前由学生搜集DNA双螺旋结构模型构建的相关资料，为课上进行交流与讨论作为准备。
步骤二：模型讨论。围绕模型构建过程的相关资料，提出问题让学生进行分析讨论，如：①哪些资料支持DNA是双链的结构？②哪些资料支持DNA碱基间的配对是嘌呤与嘧啶？哪些支持A与T配对，G与C配对？③哪些观点支持磷酸与核糖的骨架在螺旋的外部，碱基对在螺旋的内部？④DNA双螺旋结构模型的构建运用到了哪些学科的知识与方法？有哪些科学家为此作出了贡献？能够给你哪些方面的启迪？等等。
步骤三：模型构建。学生自己动手构建模型。
对于条件有限，学生搜集资料有困难的学校，也可由教师搜集并提供资料给学生进行讨论。例如，提供不同生物DNA碱基组成的材料以及嘌呤与嘧啶的分子结构资料，让学生分析碱基之间的数量关系，进而推测碱基间的可能配对关系等。
4）重视直观教学手段的运用。本单元是内容复杂抽象，运用现代化的多媒体教学手段辅助教学，能充分体现多媒体手段的优势，化微观为宏观，化静止为动态。如DNA的复制过程，基因控制蛋白质的合成过程等，如果能制作或有选用一些多媒体动画，对促进学生理解知识知识，突破难点，提高教学质量是十分有益的。但要注意避免将知识的理解作为唯一的目标追求，用多媒体的手段替代学生活动过程及思维过程的做法。
如何运用多媒体组织教学，要依据教学目标、教学内容及教学对象的具体情况来确定。如噬菌体的结构，属于陈述性内容，而且了解其结构的目的是服务于对噬菌体侵染细菌的过程的理解，其结构的掌握本身并不是教学需要达成的目标，因此可通过幻灯片直接向学生介绍；噬菌体侵染细菌过程的也只是为了服务于DNA是遗传物质的实验证明的，因此也可以直接向学生展示侵染过程的动画。但DNA的半保留复制，就必须在学生充分分析推理探究的基础上再展示，其展示的目标在于进一步印证自己的分析推断，并加深对这一知识的理解。同样蛋白质的合成过程也不宜直接通过多媒体向学生展示其过程，媒体的使用宜用来提供学生分析推理的情境与资料，以及证明学生分析推理的结论，否则学生就失去了亲历探究的过程，思维训练被弱化，也就背离了课标的要求。