摘要：
本文尝试引用有关科学史来引导学生通过预测→观察→解释探索DNA的复制方式，进而实现科学概念的转变，在此过程中引导学生构建科学探究的基本范式。
正文：
POE教学策略是由探查学生理解科学的研究方法演化而来的，建立在“观察渗透理论”的哲学观念和建构主义理论基础之上的新型演示策略。POE教学策略共包括3个教学环节： 预测(predict)→观察(observe)→解释(explain)。这些环节就是科学知识的发现过程，是经典的科学研究范式，旨在探查和转变学生的前科学概念，并形成科学概念。
DNA复制方式是苏教版高中生物学必修2第4章第2节“DNA的复制(replication)”中的核心内容，一直是遗传学教学中的重点和难点。该部分内容的学习有助于学生进一步理解和巩固有丝分裂、减数分裂、遗传规律等知识，是学习生物变异内容的基础。笔者尝试依托有关科学史实验，通过预测→观察→解释的环节，帮助学生深入理解DNA复制方式的本质。
1 第1环节：预测
预测环节是POE教学策略的起始环节。该环节要求学生根据教师提供的背景材料，结合教师提出的问题，对事件、情境或实验等作出预测，并说明理由，使学生暴露出前科学概念，促使学生自我反思。教师通常展示一个演示实验，让学生预测一段时间后的实验结果，但对于无法在课堂上演示的实验(如一些科学史方面的实验)，教师可以展示科学家的实验背景和实验处理，然后让学生预测其结果。
学生在学习了DNA双螺旋结构的基础上，进一步研究DNA的遗传特性如何传递给后代。首先教师在黑板上画出一段含有10对碱基的DNA片段，将其类比成教师手上的一份试卷，教师设置层层递进的问题串： ①如何操作才能使同学们的手上都有一份同样的试卷呢？学生们很容易就可以想到复印，亲代生物体也正是通过DNA复制的方式将遗传信息准确地传递给后代。②那么复印需要哪些条件？引导学生通过类比的方法得出DNA复制的条件： 教师试卷——模板、A4纸——原料、电源——能量、复印机——有关酶。③为了避免出现缺页、模糊、倒置等现象，要怎样复印才能得到同样清晰准确的试卷呢？以黑板上的一段含有10对碱基的DNA片段为例展开分析。
教师呈现背景资料1： ①每个DNA上具有特定的遗传信息，一个亲代DNA分子复制产生的两个子代DNA的遗传信息必须完全相同。②碱基互补配对原则是DNA分子的结构基础，这个原则在DNA复制过程中也起着重要的指导作用。请学生预测DNA分子可能的复制方式： 全保留复制、半保留复制、弥散复制(图1)。大部分学生由于预习了教材内容，只绘制了半保留复制过程及结果： 母链DNA分开，根据碱基互补配对原则复制形成两条子链DNA，母链和子链不再分开，直接成为子代DNA分子。在此基础上教师引导学生分析全保留复制的猜想： 母链DNA分开，根据碱基互补配对原则复制形成两条子链DNA，随后两条母链重新结合恢复原状，新合成的两条子链也彼此结合，形成一条新的双链DNA分子。
图1 DNA复制方式预测示意图
猜想只是理论上的预测，想要得到科学的DNA复制方式，就必须要用实验来验证猜想。为了准确观察DNA分子的复制情况，科学家们采用了同位素标记法和放射自显影(autoradiograph)技术。
教师呈现背景资料2： 1958年，美国科学家米西尔森(M.Meselson)和斯塔尔(F.Stahl)设计了很巧妙的实验： 将大肠杆菌在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基上生长12代，获得15N标记的大肠杆菌，再将其转移到普通培养基(含14N的氮源)中培养，经过一代培养后得到的子一代DNA两条链分别含有哪种N元素标记？将子一代DNA进行氯化铯密度梯度离心(由于15N-DNA的密度比普通14N-DNA的密度大，所以15N-DNA分布在氯化铯溶液的最下端，即重带；14N-15N杂合DNA分布在中间，即混合带；14N-DNA分布在最上端，即轻带)，其结果如何分布？若将每个子一代DNA通过加热得到两条单链，再进行离心，其结果又会如何分布？教师引导学习小组讨论、预测不同复制方式情况下的实验结果，并描绘子一代DNA在氯化铯溶液中的位置。
由于这类实验所研究的复制中的DNA在提取过程中已被断裂成许多片段，得到的信息只涉及DNA复制前和复制后的状态，无法观察到完整的DNA复制过程。
教师呈现背景资料3： 1963年Cairns用放射自显影技术将3H-脱氧胸苷标记大肠杆菌DNA，然后用溶菌酶消化掉细胞壁，释放出完整DNA，铺在一张透析膜上，在暗处用感光乳胶覆盖于干燥的表面上几星期。期间3H由于放射性衰变而放出β粒子，使乳胶曝光生成银粒。显影后银粒黑点轨迹勾画出DNA分子的形状，黑点数目代表了3H在DNA分子中的密度。把显影后的片子放在显微镜下即可观察到大肠杆菌DNA的全貌。教师引导学生尝试用黑点绘制大肠杆菌DNA复制时的放射自显影示意图。
2 第2环节：观察
观察环节是学生暴露出前科学概念后，要对相关现象进行实际观察，并记录实际发生的情况，该环节通常由学生实验操作或教师演示实验，由学生观察和记录实验结果。观察结果与预测结果产生矛盾，即产生认知冲突，这是学生概念转变的刺激所在。
其实早在1953年沃森(J.D.Watson)和克里克(F.Crick)提出DNA双螺旋结构模型时就推测： 在复制过程中首先碱基间氢键需破裂并使双链解旋和分开，然后每条链可作为模板在其上合成新的互补链，结果由一条链可以形成互补的两条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。每个DNA分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，即DNA复制方式是半保留复制。但这只是他们的猜想，正如同学们的猜想一样，还需要实验验证。
教师播放视频： 该视频比较简单、通俗，观看后，学生很容易用自己的语言简洁地归纳出DNA复制的基本步骤，以及DNA复制所需的条件。由学生自己构建新知，增加学生的学习自信心。
1958年美国科学家米西尔森和斯塔尔的实验结果是将15N标记的大肠杆菌转移到14N普通培养基中培养，得到的所有子一代DNA的两条链一半含15N，另一半含14N，即14N-15N杂合DNA，将其进行密度梯度离心后均分布在中间的混合带。若将每个子一代DNA通过加热得到两条单链，再进行离心，其放射性一半分布在轻带(14N-DNA)，另一半分布在重带(15N-DNA)。这也证明了在DNA复制时原来的DNA分子可被分成两个亚单位，分别构成子代分子的一半，这些亚单位经过许多代复制仍然保持着完整性。
1963年Cairns用放射自显影技术观察到大肠杆菌DNA的全貌，并绘制大肠杆菌DNA复制时的放射自显影示意图(图2)，阐明了大肠杆菌DNA是一个环状分子，并以半保留方式进行复制。3H胸苷渗入大肠杆菌DNA复制两代，非复制部分(C)银粒密度较低，由一股放射性链和一股非放射性链组成；双链(B)中仅一股链是标记的；双链(A)的两股链都是标记的。
图2 复制中的大肠杆菌DNA放射自显影示意图
3 第3环节：解释
解释环节是学生对比预测结果和观察结果，判断自己的看法，适当调整前科学概念，形成观察后的解释。教师可以组织学生对这种解释进行小组分析和讨论，在此过程中教师通过问题的方式给予恰当的引导。最后，师生共同形成讨论后的科学解释，最终整合到学生的认知结构中[1]。
针对1958年米西尔森和斯塔尔的实验，师生共同讨论后绘制15N-DNA在14N的氮源中复制一代的过程图和离心后在氯化铯溶液中的分布图，并解释子一代DNA加热后离心分布位置的原因，同时教师引导学生继续深入思考复制两代、多代后的DNA标记情况，形成有关标记通式，进而得出离心后在氯化铯溶液中的分布图和后代DNA加热后离心的分布图。同时利用DNA半保留复制机制分析1963年Cairns的实验结果： 没有标记的大肠杆菌DNA在3H脱氧胸苷中复制两代，其后代DNA中有一半的DNA的两条链都有放射性标记，另一半DNA的两条链中各有一条链有放射性标记。
教师适当拓展： 半保留复制是双链DNA普遍的复制机制，即使是单链DNA在复制时通常也要先形成双链形式。半保留复制机制说明了DNA代谢的相对稳定性，但实际过程很复杂，需要多种细胞组分参与，受到细胞中多种条件控制，同时DNA复制还需要保持高度忠实性来保持遗传的稳定性。
(基金项目：2016年江苏省“十三五”教育科学规划课题“苏派教育在培养中学生核心素养中的探究与实践”,No.D/2016/02/41)
主要参考文献
王 健.2015.基于概念转变理论的POE教学设计.生物学通报,50(4)： 23～27
