探究科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

谷輝

摘 要： 探究是學(xué)生認(rèn)識(shí)生命世界、學(xué)習(xí)生物課程的有效方法之一，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)應(yīng)看做一條重要途徑。教師要尊重學(xué)生的不同見解，傾聽學(xué)生合理的創(chuàng)新假設(shè)，新實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，新實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用，以及新實(shí)驗(yàn)材料的選擇。

關(guān)鍵詞： 生物教學(xué) 科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 創(chuàng)新意識(shí)

以往課程實(shí)施過程中教師過于依賴教材，過于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練。新一輪課程改革旨在倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、探究發(fā)現(xiàn)、交流合作的學(xué)習(xí)方式，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推動(dòng)、開展探究性學(xué)習(xí)成為新一輪課程改革的主旋律。

就生物學(xué)科教育而言，從內(nèi)容到方法都提供了豐富的、基于實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)材料，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)應(yīng)看做一條重要的途徑。教學(xué)時(shí)我們?nèi)绻芮‘?dāng)引入科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，那么既增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)的趣味性，又加深了對(duì)所學(xué)的生物學(xué)基本概念和基本規(guī)律的理解，還培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新意識(shí)。如何將生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)與探究性學(xué)習(xí)結(jié)合在一起，通過探究科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)呢？

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，首先教師應(yīng)提供科學(xué)探究過程中的背景資料，授課時(shí)不妨把已解決的問題和未解決的環(huán)節(jié)交給學(xué)生，讓他們想辦法解決，引導(dǎo)學(xué)生從多種角度入手解決。是創(chuàng)新提出合理假設(shè)，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，選擇新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，還是尋找新的實(shí)驗(yàn)材料？這樣促使學(xué)生重新組織所學(xué)知識(shí)，就好像這些知識(shí)全然是新發(fā)現(xiàn)的一樣。

筆者在進(jìn)行“探究遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程”課堂教學(xué)時(shí)，引用了“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”和“噬菌體侵染大腸桿菌”經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，其中設(shè)置了幾個(gè)可讓學(xué)生探究的“創(chuàng)新”點(diǎn)。

1.創(chuàng)新提出假設(shè)

探究?jī)?nèi)容始于1928年格里菲斯所做的用肺炎雙球菌感染小家鼠的實(shí)驗(yàn)。

1.1教師展示背景資料。他發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的兩種菌株，一種為R型，外面沒有莢膜，注入小鼠后小鼠正常；另一種是S型，外面有一層多糖類莢膜，光滑，注入小鼠后很快導(dǎo)致小鼠死亡，加熱殺死后注入小鼠，小鼠正常。

將S型肺炎球菌在特殊條件下進(jìn)行離體培養(yǎng)，從中分離出R型。當(dāng)他把這種R型的少量活細(xì)菌和大量已被殺死的S型肺炎球菌混合注射到小家鼠體內(nèi)以后，出乎意外，小家鼠卻死了。剖檢發(fā)現(xiàn)，小家鼠的心血中有S型細(xì)菌。

1.2教師評(píng)價(jià)。在第三組實(shí)驗(yàn)中，究竟小家鼠為何死亡？為何會(huì)出現(xiàn)S型活細(xì)菌在體內(nèi)繁殖？S型活細(xì)菌從何而來？

1.3學(xué)生創(chuàng)新提出假設(shè)。S型細(xì)菌在小家鼠體內(nèi)繁殖導(dǎo)致死亡。創(chuàng)新提出假設(shè)：有學(xué)生認(rèn)為R型細(xì)菌中有某種“活性物質(zhì)”，能使S型細(xì)菌復(fù)活，然后在小家鼠體內(nèi)繁殖；有學(xué)生認(rèn)為已經(jīng)死亡的S型細(xì)菌中有某種“轉(zhuǎn)化物質(zhì)”，能使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)镾型。

2.創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

2.1教師評(píng)價(jià)、質(zhì)疑。針對(duì)學(xué)生提出的可能性，教師放下教案，對(duì)這兩種假設(shè)做出評(píng)價(jià)：“兩者假設(shè)均合理，無對(duì)錯(cuò)之分，關(guān)鍵是能否自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的假設(shè)？”引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.2學(xué)生討論。剛才加熱殺死的S型細(xì)菌仍然保留了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，所以R型細(xì)菌中可能存在的“活性物質(zhì)”使其復(fù)活，那么可否破壞它的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使其失去復(fù)活的先決條件呢？

2.3學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。認(rèn)為破壞加熱殺死的S型細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，與R型細(xì)菌混合，注射小家鼠體內(nèi)，觀察小白鼠是否死亡。

2.4教師展示背景資料。格里菲斯在此后不到兩年，又發(fā)現(xiàn)S型細(xì)菌的無細(xì)胞抽提物加到生長(zhǎng)著的R型培養(yǎng)物上，也能產(chǎn)生R向S的轉(zhuǎn)化（R→S）。于是，研究者們提出，加熱殺死的S型細(xì)菌培養(yǎng)物或其無細(xì)胞抽提物中，一定存在著某種導(dǎo)致細(xì)菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟是什么，人們尚不知道，為便于研究，暫時(shí)叫做“轉(zhuǎn)化因子”。

在上述探究過程中，學(xué)生創(chuàng)新提出合理假設(shè)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)可行性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的假設(shè)，在研究的思路上與格里菲斯不謀而合，掌握了生物科學(xué)研究的思維方式和方法，初步培養(yǎng)了生物科學(xué)素養(yǎng)。

3.創(chuàng)新運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)

探究?jī)?nèi)容是艾弗里和同事麥克勞德和麥卡蒂為了弄清轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)而進(jìn)行的“肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”。

3.1教師質(zhì)疑。細(xì)胞內(nèi)的主要物質(zhì)有：多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)。那么能否再通過實(shí)驗(yàn)確定究竟具體是什么物質(zhì)在起遺傳作用呢？

3.2學(xué)生創(chuàng)新運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)。學(xué)生提出，能否利用化學(xué)技術(shù)將S型細(xì)菌中的各種物質(zhì)分開，然后分別和R型細(xì)菌混合，觀察是否會(huì)使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。

3.3教師展示背景資料。1944年，在紐約洛克菲勒研究所，他們開始對(duì)含有R→S轉(zhuǎn)化因子的S型細(xì)菌的無細(xì)胞抽提物進(jìn)行分餾、純化工作。他們根據(jù)染色體物質(zhì)的絕大部分是蛋白質(zhì)的事實(shí)，曾一度推斷蛋白質(zhì)很可能是“轉(zhuǎn)化因子”。然而，當(dāng)他們使用一系列的化學(xué)法和酶催化法，把各種蛋白質(zhì)、類脂、多糖和核糖核酸從抽提物中去掉之后，卻發(fā)現(xiàn)抽提物的剩余物質(zhì)仍然保持把R型轉(zhuǎn)化為S型的能力。于是，他們對(duì)自己的推斷動(dòng)搖了。最后，在對(duì)抽提物進(jìn)一步純化之后，他們發(fā)現(xiàn)，只需把取自S型細(xì)菌細(xì)胞抽提物的純化DNA，以低達(dá)六億分之一的劑量加在一個(gè)R型細(xì)胞的培養(yǎng)物中，仍然具有使R→S的轉(zhuǎn)化能力。于是，他們得出結(jié)論說“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA，并在《實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》第79卷第137期發(fā)表了這一研究成果。

3.4教師評(píng)價(jià)鼓勵(lì)。同學(xué)們能創(chuàng)造性地把化學(xué)技術(shù)運(yùn)用在生物學(xué)的研究中，這一點(diǎn)很值得鼓勵(lì)。當(dāng)年艾弗里和同事麥克勞德就是利用了化學(xué)中的分離物質(zhì)的手段才使得尋找遺傳物質(zhì)的研究取得突破性進(jìn)展，看來學(xué)生的創(chuàng)新運(yùn)用意識(shí)有所強(qiáng)化。

在深入探究遺傳物質(zhì)時(shí)，學(xué)生能想到恰當(dāng)?shù)馗淖儗?shí)驗(yàn)方法尋求實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展，并且是科學(xué)合理的、切實(shí)可行的，這是學(xué)生創(chuàng)新能力的表現(xiàn)，是探究性學(xué)習(xí)方式引入課堂帶來的成功。

4.創(chuàng)新思考

探究?jī)?nèi)容是1952年赫爾希和蔡斯證明了噬菌體DNA能攜帶母體病毒的遺傳信息到子代病毒中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

4.1教師展示背景資料。艾弗里等人在1944年所做的試驗(yàn)和結(jié)論，不僅沒有使科學(xué)界立即接受DNA是遺傳物質(zhì)的正確觀念，反而引起了科學(xué)界許多人的極大驚訝和懷疑。否定意見則根本不承認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì)，認(rèn)為不論純化的DNA從數(shù)據(jù)上看如何純凈，它仍然可能藏留一絲有沾污性的蛋白質(zhì)殘余，說不定這就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。

4.2教師質(zhì)疑。雖然化學(xué)提取分離細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是其所能達(dá)到的純度只能使得提取出的DNA達(dá)到99.98%，對(duì)于一些固執(zhí)和吹毛求疵的科學(xué)家來說，如何才能說服他們呢？

4.3學(xué)生創(chuàng)新思考。學(xué)生認(rèn)為：事實(shí)勝于雄辯。只有拿出更有說服力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)才能使這些懷疑者信服。但是化學(xué)提純技術(shù)已經(jīng)無法達(dá)到更高的程度，怎么辦呢？學(xué)生一度陷入了沉思……

5.創(chuàng)新選用新的實(shí)驗(yàn)材料

科學(xué)研究研究一度陷入了困境，毫無進(jìn)展……

5.1教師引導(dǎo)思考。研究思路肯定是正確的，蛋白質(zhì)和DNA的提純技術(shù)手段暫時(shí)無法達(dá)到要求的純度，難道純凈的DNA就這么難以得到嗎？能否從其他方面入手，比如：實(shí)驗(yàn)的材料……

5.2創(chuàng)新選用。話音未落，一位同學(xué)說：“病毒！”起立后陳述理由：“真核生物細(xì)胞中染色體主要是DNA和蛋白質(zhì)很難分開，所以用細(xì)菌可能更加容易一些，但是還是不能很好地把它們分開，在初中時(shí)我學(xué)過病毒，它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只有蛋白質(zhì)和DNA，最重要的是它們是完全分開的……”

5.3教師展示背景資料。1951年，赫爾希和蔡斯提出一個(gè)十分富有魅力和啟發(fā)性的假說：“病毒的作用可能像一個(gè)充滿著轉(zhuǎn)化因子的注射針。這樣的病毒本身不會(huì)進(jìn)入細(xì)胞，但它不僅用尾部接觸寄生細(xì)胞，并可能通過酶的作用在細(xì)胞外膜上鉆一小孔，然后病毒頭部的DNA就鉆入細(xì)胞?！焙諣栂Ｔ诓《靖腥炯纳?xì)胞過程的細(xì)節(jié)上都敘述得如此準(zhǔn)確，真是令人驚異。

5.4教師評(píng)價(jià)。同學(xué)們能在生物界中尋找簡(jiǎn)單的特殊的生物作為實(shí)驗(yàn)材料，再一次在尋找遺傳物質(zhì)的征途上跨越了障礙，有了這種創(chuàng)新思維，你們?cè)诮窈笠欢ù笥兴鶠?。但是真正完成還要用到物理上的新技術(shù)：同位素標(biāo)記技術(shù)，下面我們繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究……

精選生物學(xué)史上的典型實(shí)驗(yàn)，結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生仿照科學(xué)家的研究方式，學(xué)習(xí)和嘗試完整的實(shí)驗(yàn)探索過程，讓他們親身體驗(yàn)探索生物界的快樂，逐步學(xué)會(huì)科學(xué)研究的方法。

學(xué)生在積極探究思考的過程中確實(shí)閃現(xiàn)出了思維的火花，使得老師放下教案，放下教材跟著學(xué)生走。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，一方面，要尊重學(xué)生的不同見解，傾聽學(xué)生合理的創(chuàng)新假設(shè)、新實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、新實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用、新實(shí)驗(yàn)材料的選擇，教材似乎只是課程中材料來源的一個(gè)途徑，教案似乎只是探究事件發(fā)生的緊急預(yù)案，再好的教材也不能提供足夠的資料，滿足學(xué)生的探究欲望；再詳細(xì)的預(yù)案也不能應(yīng)付課堂上隨時(shí)發(fā)生的變化。另一方面，教師要鼓勵(lì)學(xué)生相互爭(zhēng)論、評(píng)價(jià)，為學(xué)生營(yíng)造良好的創(chuàng)新學(xué)習(xí)氛圍，大膽提出哪怕是老師都未曾想到過的問題和做法，培養(yǎng)他們大膽質(zhì)疑、用實(shí)驗(yàn)探究未知的創(chuàng)新精神。