《DNA是主要的遗传物质》教学案例

厦门外国语学校生物组    黄瑞芳
一 教学分析
1 教材分析
《DNA是主要的遗传物质》一节是人教版新课标教材必修2第3章第1节的内容，是在前面学习了有关细胞学基础(有丝分裂、减数分裂和受精作用)、阐明了染色体在亲代和子代遗传中所起的联系作用，并且了解染色体的主要成分是DNA和蛋白质的基础上来学习的。这节内容还与本册教材第六章《基因工程及其应用》有一定的联系，同时提到了一些在自然科学研究中常用的实验方法，这为后面选修课《生物技术与实践》的学习也做了很好的铺垫，因此这节内容在高中阶段生物科学习中有着重要低位。由于当时认识水平有限，所以在相当长的时间里，人们一直认为蛋白质是生物体的遗传物质，那么，遗传物质究竟是DNA还是蛋白质呢？教材通过问题探讨在此埋下伏笔，然后通过两个经典实验证明了遗传物质是DNA。最后教材通过烟草花叶病毒感染烟草的实验，说明有些病毒体内的核酸只有RNA没有DNA，其中的RNA就是它的遗传物质，进一步归纳出“DNA是主要的遗传物质”这一结论。
本节内容在结构体系上体现了人们对科学理论的认识过程和方法，是进行探究式学习的极佳素材。在教学中，通过发挥学生的主体作用，优化课堂结构，妙用科学史实例，把知识的传授过程优化成一个科学的探究过程，让学生在探究中学习科学研究的方法，从而渗透科学方法教育。
2 学情分析
通过前面的学习，学生已经具备了有丝分裂、减数分裂和受精作用等细胞学基础，了解了生物生殖发育过程，掌握了染色体、蛋白质与DNA的化学组成等相关知识，熟悉同位素标记技术生物科学研究中的应用，这为新知识的学习奠定了基础。再加上我校“研究性学习”课程的开设，学生初步掌握了探究实验的一些基本方法，也初步培养了他们提出问题，分析问题和解决问题的能力。“创新意识”的培养也加强了他们对新事物探究的激情，这都是开展探究性学习的极佳条件。
二 教学策略
1 教师教法
根据新课程理念，高中生物学教学重在培养学生的科学思维、科学方法、科学精神等生物学科学素养，因此，本节课以“自主探究科学发现的过程来学习科学研究的方法”为设计理念，切实落实主体性教学目标，以培养学生的科学素质为指导，侧重科学方法教育为目标，采用“探究－发现”教学模式。通过引导学生模拟科学发现过程，启发学生积极思考，从而达到提高学生探究能力，训练学生科学思维方法的目标。“
2 学生学法
学生可采用观察、阅读、讨论，比较法，归纳法等进行分析、归纳和总结，通过学生的自主学习和探究学习培养他们对生物学科的兴趣。
三 教学目标
1 三维目标
知识目标
⑴ 总结“DNA是主要的遗传物质”的科学探索过程。
⑵ 知道肺炎双球菌转化实验和“同位素标记法”研究噬菌体侵染细菌所采用的方法，是目前自然科学研究的主要方法。
⑶ 理解DNA是主要的遗传物质
能力目标
⑴ 通过分析证明DNA是遗传物质的实验设计思路，逻辑思维能力得以提高。
⑵ 通过“同位素标记法”来研究噬菌体侵染细菌的实验，由特殊到一般的归纳思维能力得以提高。
情感态度与价值观
⑴ 通过总结DNA是遗传物质的科学探索过程，学习科学家善于总结他人经验、在工作中互相合作，严谨求实的科学态度以及对真理追求不懈的科学精神。
⑵ 遗传物质主要是DNA，也有RNA，强调了生命的物质性，树立辩证唯物主义世界观。
⑶ 认同科学与技术的关系，二者相互促进，相辅相成。
⑷ 认同科学发展是一个不断纠正错误、发现真理的过程。
2  教学重点
⑴ 肺炎双球菌转化实验的原理和过程。
⑵ 噬菌体侵染细菌实验的原理和过程。
3  教学难点
⑴ 噬菌体侵染细菌实验的过程和结论。
⑵ 如何理解DNA是主要的遗传物质。
⑶ 探究科学发现过程来学习科学研究方法
4 教具准备
多媒体教学，噬菌体侵染细菌的Flash动画
5 课时安排
1课时
四 教学过程
教
学
环
节
教师的组织和引导
学生活动
教学意图
设
疑
导
入
通过前面的学习，大家对有丝分裂、减数分裂以及受精作用的过程有了深入了解，在研究这它们的过程中，科学家发现有一种物质在这三个过程中，行为有着规律性的变化，是什么物质呢？
根据学生的回答具体引导在这三个过程中染色体数目的具体变化，进一步引导大家猜想，染色体可能和生物体的什么现象有关？
染色体的主要成分是什么呢？
那么起遗传作用的究竟是DNA还是蛋白质呢？这个问题当时在科学界引起了激烈的争论。
思考回答：是染色体数目的变化
思考回答：染色体可能在生物的遗传中起重要作用
回答是DNA和蛋白质
通过对前面所学知识的回忆和总结，为下面引入遗传物质做铺垫
为下面探讨什么是遗传物质做好铺垫
提出探究的问题，引起悬念
引导探讨
引
导
探
讨
引
导
探
讨
接下来引导学生探讨，如果作为一种遗传物质，应该具备什么特点？
多媒体显示当时科学家对DNA和蛋白质的认识水平：
对蛋白质的认识水平：
认识到蛋白质是由许多种氨基酸连接成的生物大分子
对DNA的认识水平：
还不清楚DNA的结构，只知道它是由4种脱氧核苷酸连接成的大分子。
提出问题：如果你是当时的一位科学家，对DNA和蛋白质的认识仅限于上述水平，你觉得那个更适合做遗传物质？为什么？
提出由于当时认识水平的限制，科学家曾经认为蛋白质是生物体的遗传物质。
接下来介绍这个观点最早被美国科学家艾弗里提出质疑，他是在总结英国科学家格里菲斯的实验基础上，进一步通过自己的实验证据提出遗传物质是DNA。
一 肺炎双球菌的转化实验
1实验材料
介绍此菌可感染人和老鼠，顺便解释“败血症”，接下来多媒体课件R菌和S菌的不同之处，强调荚膜的存在才使得S菌表现出毒性。
2实验过程
多媒体展示肺炎双球菌的四组转化实验并提出问题：
①     预测第一组和第二组实验结果会怎样？为什么？
②     第三组的“加热杀死”是什么意思？加热的温度控制在多少度？
教师指出加热的温度一般不超过90度，杀死是指S菌失去了感染能力，但里面的遗传物质并没有被破坏。
③ 第四组实验里活的S菌是怎么来的？
④ 提取出的S菌的后代仍然是S菌，这说明什么？
⑤ 究竟是什么物质使R菌转化为有毒的S菌？
教师多媒体显示格里菲思的猜测：
在加热杀死的S菌中必然存在某种“转化因子”使R菌转化为有毒的S菌
⑥ 如果你是当时的一位科学家，为了弄清楚这种转化因子到底是什么物质，你该如何设计这个实验？
引入美国科学家艾弗里和他同事们的工作，课件显示他们的实验设计和观察到的结果，引导学生分析：
①     只有加入哪种物质R菌才能转化为S菌呢？
②     加入DNA以后所有的R菌都能转化吗？这说明什么？
教师补充转化的效率其实是比较低的。
③ DNA水解物是什么？
解释是加入DNA酶，把DNA降解脱氧核苷酸，说明只有完整的DNA才能发生转化作用。
④ 艾弗里的实验说明什么？
⑤ 艾弗里的实验思路和研究成果对我们有什么启示？
介绍由于艾弗里所提DNA纯度不够高，还含有少量蛋白质，所以在他提出结论之后，并没有被所有的科学家认同
进一步引导学生开放思维，DNA纯度不够高，在实验中可能是什么起了转化作用？
由于此实验的不完美引入下一个实验
二 噬菌体侵染细菌的实验
1 噬菌体的结构
2 噬菌体的繁殖
① 营寄生生活
② 在遗传信息的指导下进行繁殖
③     繁殖原料来自宿主大肠杆菌
④     子代噬菌体从宿主细胞裂解释放。
3放射性同位素标记技术
提出问题
① 到目前为止，一共学到几个利用放射性同位素标记技术的实验？
②     实验中为什么用35S和32P作标记？
组织学生阅读教材45页右上栏的相关信息。
③     通过此项技术表明赫尔希的研究思路是什么？
4实验过程
先让学生阅读教材5～8分钟，掌握实验基本步骤，阅读结束后，教师多媒体课件显示和实验有关的一些问题，了解学生对实验原理和相关步骤的掌握程度，同时强调实验的一些细节，比如保温时间很短，这有助于学生对后面实验现象的分析。接下来教师引导学生先分析35S标记的实验现象
引导分析
① 上清液放射性很高，说明上清液主要成分是什么？
② 沉淀物放射性很低，说明在大肠杆菌体内有没有被标记的35S？
③大肠杆菌裂解释放子代噬菌体进行检测，与我们刚才预测的结果一样吗？
④说明噬菌体在繁殖的时候有没有用到蛋白质呢？
多媒体课件显示用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌的过程，引导学生分析：
① 上清液放射性很低，说明上清液有没有32P呢？
② 沉淀物放射性很高，说明在大肠杆菌体内有没有被标记的32P？
③大肠杆菌裂解释放子代噬菌体进行检测，与我们刚才预测的结果一样吗？
④ 说明噬菌体在繁殖的时候用到了哪种物质？
最后引导学生把这两个同位素标记实验综合起来分析，由学生归纳出结论。
Flash动画显示噬菌体在大肠杆菌体内繁殖的过程
提出问题：教材45页右下栏，在上述实验中，如果用14C和18O标记行吗？
教师引导学生回顾历经24年对遗传物质的探索过程，启发学生从中得到那些启示？
学生讨论总结四点
①能准确的进行自我复制，传递给下一代。
②要有储存大量遗传信息的能力
③结构要比较稳定，不容易被破坏
④能控制生物的性状和代谢
讨论作答：蛋白质更适合作遗传物质，因为DNA仅由4种脱氧核苷酸组成，很难和生物多样性联系在一起，而组成蛋白质的氨基酸有许多种，在各种各样的排列顺序中很可能就蕴藏了大量的遗传信息。
回答第一组小鼠不会死，因为R菌没有毒性，第二组小鼠会死，因为S菌是有毒性的。
积极思考得出S菌应该是由活的R菌转化而来的。
思考作答：说明这种转化是可以遗传的。
思考讨论
学生思考讨论，提出自己的实验设计思路。
加入DNA
从课件中得出并不是所有的R菌都能转化成S菌。
说明真正起转化作用的是DNA
分析比较得出关键思路在于把DNA和蛋白质分开来，单独观察它们的作用。
进一步总结归纳出科学探究要有科学思路，要善于总结他人经验
引导学生回忆病毒的组成
回忆共两个：一是探究光合作用放出的O2来自水还是CO2；另一个是研究分泌蛋白合成途径也用到此技术
阅读相关信息，得出结论
经过分析比较后得出他的思路和艾弗里一样，把DNA和蛋白质完全分开，单独观察它们的作用。
思考得出结论主要成分是被35S标记的蛋白质。
猜测应该是没有。
与猜测一样，在新的噬菌体里果真没检测到35S
得出结论：没用到蛋白质
学生回答，几乎没有，也就是几乎没有DNA了
猜测应该是有32P
与猜测一样，在新的噬菌体里果真检测到32P
分析得出结论：用到DNA
学生进行归纳总结
噬菌体繁殖时用的是DNA而不是蛋白质，而,说明它是在DNA的指导下完成繁殖的，进一步说明DNA才是它的遗传物质
学生思考作答
学生总结
①科学探索是艰辛曲折的②科学研究是一个不断纠正错误，发现整理的过程
③要科学的选择实验材料
④科学发展需要技术支持
为当时科学家们判断DNA和蛋白质哪个更适合做遗传物质提供依据
通过设疑，让学生自己得出曾经一个错误的观点，从中总结出知识水平决定决定认知水平。
引入本节课的第一个关键实验。激发学生科学探究的热情
让学生沿着科学发展的轨迹观察问题，发现问题，提出问题并进一步分析问题。
培养学生科学思维和科学探究的能力
培养学生分析问题，归纳结论的能力
培养学生分析问题，归纳结论的能力
使学生了解噬菌体繁殖过程，为下面具体分析实验铺好基础。
通过不同的标记，使学生经过分析比较后归纳出这个实验的研究思路
培养学生分析问题，提出假设，验证假设的能力
培养学生分析比较实验现象，归纳结论的能力
培养学生正确的科学认识和对科学坚持不懈探索的精神，
进一步探究
问题:遗传物质都是DNA吗？
通过烟草花叶病病毒感染烟草的实验，得出除了DNA之外，有些病毒体内的RNA是该病毒的遗传物质
看书思考
树立辩证唯物主义世界观
归纳
总结
细胞生物遗传物质是DNA
非细胞生物的遗传物质是DNA或RNA,所以说DNA是主要的遗传物质。
问题：上述两个经典实验能证明DNA是主要的遗传物质吗？
思考作答：只能证明DNA是遗传物质，但不能证明DNA是主要的遗传物质。
五 板书
(一) 肺炎双球菌的转化实验
1材料：R菌，S菌，小鼠
2过程：① R，没死
②S，死
③ S（加热杀死），没死
④ R＋S(加热杀死)，死
3结论：“转化因子”存在，使R菌转化为S菌
艾弗里：分离，单独转化
结论：DNA才是遗传物质
(二) 噬菌体侵染细菌的实验
1 噬菌体结构
2 噬菌体繁殖
3 放射性同位素标记技术
4 实验过程
5结论：DNA才是遗传物质
(三) DNA是主要的遗传物质
细胞生物：DNA
非细胞生物：DNA或RNA
六 教学反思
“自主性、探究性、合作性”是学生课堂学习的三个基本维度，尤其新课程标准强调要转变学生的学习方式，如果采用传统的教学方法，学生对整节内容理解可能就不会那么透彻，这样也就更谈不上培养学生自主学习和探究能力。采用“探究－发现”的教学方式后，通过教师的引导和启发，学生自主的模拟科学发现过程，这就激发了学习的积极性，在思考分析和讨论中，学生的科学想法得以表达和流露，科学探索的热情进一步提高，这对他们研究性学习课程也有一定的指导意义。而且在课堂上学生也提出了一些具有探讨性的问题，还有一些实验的细节问题，比如噬菌体侵染细菌实验中，保温时间很短，时间如何控制？为什么35S标记下面沉淀物中放射性很低，而不是没有放射性呢？32P标记的上清液为什么还会检测到有少量放射性？这些都说明学生已经融入到整个科学探索过程中，同时在探索中领悟到科学探索的艰辛和科学家持之以恒的精神，潜移默化中，也就培养了学生创造性思维品质。