“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”探究性教學(xué)設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)評(píng)

張樹虎

摘 要 通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、問(wèn)題預(yù)設(shè)、討論解答等方面對(duì)“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”一課探究性教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行較為深入的探討，并對(duì)課堂情境設(shè)置、制造“問(wèn)題鏈”等教學(xué)設(shè)計(jì)作出簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn) 教學(xué) 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”是驗(yàn)證DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)較好的素材。教材雖然采用了圖文并舉的編寫方法，但是由于文字過(guò)于簡(jiǎn)練，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了一定的困難。再加上很多教師將該實(shí)驗(yàn)理解為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)完這部分內(nèi)容后，常常是疑問(wèn)重重。突破這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，關(guān)鍵在于課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)以探究為主線進(jìn)行。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 課堂導(dǎo)入

教師創(chuàng)設(shè)情境：DNA和蛋白質(zhì)到底哪一個(gè)才是遺傳物質(zhì)？1944年，美國(guó)細(xì)菌學(xué)家艾弗里（1877-1955）等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：死去的S型菌并未復(fù)活，而是S型菌的DNA進(jìn)入了R型菌，使其轉(zhuǎn)化為新的S型致病肺炎雙球菌。艾弗里等人的實(shí)驗(yàn)不僅揭開了“格里菲思之謎”，并且在世界上第一次證明遺傳基因就在DNA上。但是，當(dāng)時(shí)遺傳學(xué)界的主流觀點(diǎn)是蛋白質(zhì)承擔(dān)著遺傳信息載體的作用，艾弗里的研究不僅沒(méi)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。

請(qǐng)思考回答：（1） 通過(guò)什么現(xiàn)象第一次證明遺傳基因就在DNA上？能否證明作為遺傳物質(zhì)必須具備的親子代間的傳遞性？（2） 在人們的質(zhì)疑中，最具有代表性的觀點(diǎn)是什么？

盡管格里菲斯和艾弗里已經(jīng)證實(shí)了DNA是導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)化的因子，但這僅僅是從一個(gè)側(cè)面證明了DNA可以控制細(xì)菌莢膜的形成，并沒(méi)有證明作為遺傳物質(zhì)必須具備的親子代間的傳遞性。

不論純化的DNA從數(shù)據(jù)上看是如何純凈，它仍然可能藏留著一絲蛋白質(zhì)殘余，說(shuō)不定這就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。那么有沒(méi)有哪種生物材料能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)和DNA分開？以此引出新課教學(xué)。

1.2 “噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)

1.2.1 知道噬菌體的特點(diǎn)

教師首先創(chuàng)設(shè)情境：艾弗里等人的實(shí)驗(yàn)受到質(zhì)疑，那么，如何使實(shí)驗(yàn)更嚴(yán)謹(jǐn)、更有說(shuō)服力呢？能否找到更好的實(shí)驗(yàn)材料來(lái)替代？這種材料必須具備什么特點(diǎn)呢？

這樣設(shè)計(jì)的目的是激發(fā)學(xué)生思維，并讓他們知道選擇的材料最好能自然將蛋白質(zhì)和DNA徹底的分開，從而引出實(shí)驗(yàn)材料——噬菌體。

師：1969年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了三位遺傳學(xué)家，他們是德爾布呂克、盧里亞和赫爾希，以表彰“他們利用噬菌體作為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)了病毒的復(fù)制機(jī)制和基本結(jié)構(gòu)”。營(yíng)細(xì)胞內(nèi)寄生的噬菌體，是一種結(jié)構(gòu)異常簡(jiǎn)單的生物，只有蛋白質(zhì)外殼包裹著DNA構(gòu)成。如果能證明噬菌體傳遞給后代的只有DNA而沒(méi)有蛋白質(zhì)，就能強(qiáng)有力地證明DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

1.2.2 猜測(cè)噬菌體侵染細(xì)菌的形式

在學(xué)生了解噬菌體的基礎(chǔ)上，教師設(shè)計(jì)問(wèn)題：如果你是赫爾希、蔡斯團(tuán)隊(duì)中的一員，你對(duì)“噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，進(jìn)入細(xì)菌的是DNA分子，還是蛋白質(zhì)”是如何推測(cè)的？

教師引導(dǎo)學(xué)生分組討論，并猜測(cè)可能的形式。學(xué)生通過(guò)討論得出三種可能：① 注入DNA，蛋白質(zhì)衣殼留在外面；② 注入蛋白質(zhì)衣殼，DNA留在外面；③ 同時(shí)注入DNA、蛋白質(zhì)衣殼。

以上猜測(cè)存在一個(gè)演繹推理，是實(shí)驗(yàn)的前提條件，教師必須讓學(xué)生明白這個(gè)推理過(guò)程。所謂演繹推理就是由普通性的前提推出特殊性結(jié)論的推理。演繹推理有三段論，有假言推理和選言推理等形式，該實(shí)驗(yàn)的推理屬于假言推理。

假言推理的基本原則是：小前提肯定大前提的后件，結(jié)論就要肯定大前提的前件；小前提否定大前提的前件，結(jié)論就要否定大前提的后件。推理的過(guò)程如表1所示。

這個(gè)問(wèn)題旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的演繹推理法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

師：以上僅僅是猜測(cè)，這樣一個(gè)微觀過(guò)程如何才能觀察到？這就是赫爾希和蔡斯遇到的難題。

1.2.3 探究噬菌體侵入細(xì)菌體內(nèi)的物質(zhì)

師：噬菌體侵染細(xì)菌的究竟是噬菌體DNA還是蛋白質(zhì)？如果你是赫爾希、蔡斯團(tuán)隊(duì)中的一員，你將采取什么方法來(lái)區(qū)別蛋白質(zhì)、DNA？請(qǐng)同學(xué)們分組討論，小組提出可行性方案。

生：用同位素標(biāo)記法。

學(xué)生從教材中能夠發(fā)現(xiàn)答案，因此教師不需要過(guò)多解釋這個(gè)內(nèi)容，防止分散學(xué)生的注意力。

分組討論，讓學(xué)生體會(huì)探究實(shí)驗(yàn)的“一般流程”：

實(shí)驗(yàn)原理：生長(zhǎng)在含有放射性物質(zhì)的培養(yǎng)基中的細(xì)菌及其體內(nèi)的噬菌體也將帶有放射性，并可被專門儀器所測(cè)定。

在T2噬菌體的化學(xué)組成中，60%是蛋白質(zhì)，40%是DNA；S僅存在于蛋白質(zhì)分子中，99%的P存在于DNA分子中。

器材用具：選用實(shí)驗(yàn)材料和有關(guān)的儀器、試劑（略）。

方法步驟：采取分組標(biāo)記，第一組標(biāo)記蛋白質(zhì)，第二組標(biāo)記DNA。

用35S、32P分別標(biāo)記噬菌體：把宿主細(xì)菌分別培養(yǎng)在含有35S、32P的培養(yǎng)基中，細(xì)菌在生長(zhǎng)過(guò)程中分別被35S和32P所標(biāo)記。再用噬菌體分別侵染被標(biāo)記的細(xì)菌，噬菌體在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體。用儀器測(cè)定這些子代的噬菌體：噬菌體侵染35S標(biāo)記的細(xì)菌被35S所標(biāo)記；噬菌體侵染32P標(biāo)記的細(xì)菌被32P所標(biāo)記。

測(cè)定同位素標(biāo)記的細(xì)菌：用35S標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的細(xì)菌，然后測(cè)定該細(xì)菌的同位素標(biāo)記。用32P標(biāo)記的噬菌體儀染未標(biāo)記的細(xì)菌，然后測(cè)定該細(xì)菌的同位素標(biāo)記。

預(yù)期結(jié)果：從理論上講，第一組僅用35S標(biāo)記噬菌體外殼，侵染細(xì)菌后攪拌離心，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是只有上清液（含有噬菌體外殼）具有放射性，而沉淀物不應(yīng)該有放射性，這樣才能說(shuō)明噬菌體的蛋白質(zhì)外殼沒(méi)有進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)。第二組僅用32P標(biāo)記噬菌體的DNA，侵染細(xì)菌后攪拌離心，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是只有沉淀物（細(xì)菌）具有放射性，而上清液不應(yīng)該有放射性，這樣才能說(shuō)明噬菌體的DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)了。endprint

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：經(jīng)同位素35S和32P的標(biāo)記實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，噬菌體注入細(xì)菌的物質(zhì)是DNA。

分析結(jié)論：子代噬菌體的各種性狀是通過(guò)親代的DNA遺傳給后代的，因此，DNA才是真正的遺傳物質(zhì)。

在小組討論后，各小組展示成果，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)。

這個(gè)問(wèn)題是教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，教學(xué)時(shí)教師先讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)操作的視頻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果快要出現(xiàn)時(shí)，將視頻停下來(lái)，讓學(xué)生思考、推測(cè)可能出現(xiàn)的結(jié)果。學(xué)生討論。當(dāng)學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用35S標(biāo)記的噬菌體的放射性在上清液中，而32P標(biāo)記的噬菌體的放射性在沉淀物中。學(xué)生議論紛紛，興趣馬上被調(diào)動(dòng)起來(lái)。此時(shí)必然有學(xué)生認(rèn)為教材結(jié)論有問(wèn)題。教師要針對(duì)學(xué)生的思考以及教材的缺陷，適時(shí)抓住情境，讓學(xué)生真正理解知識(shí)。

接著教師設(shè)計(jì)以下問(wèn)題進(jìn)行追問(wèn)：

（1） 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，現(xiàn)象并不符合預(yù)期結(jié)果，第一組沉淀物中也有較弱放射性，應(yīng)該如何解釋？第二組上清液中也有較弱的放射性，應(yīng)該如何解釋？

答案：只有把握好噬菌體侵染持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，才不至于導(dǎo)致某些噬菌體因沒(méi)來(lái)得及侵入而留在上清液，或者某些細(xì)菌因時(shí)間過(guò)長(zhǎng)已經(jīng)裂解，從而存在于上清液中。

第一組實(shí)驗(yàn)：硫元素僅存在于蛋白質(zhì)中，所以，最可能的原因是攪拌不徹底，會(huì)導(dǎo)致部分吸附的噬菌體外殼沒(méi)有脫落下來(lái)就離心了，所以這少量的外殼會(huì)存在于沉淀物中。

第二組實(shí)驗(yàn)：有3個(gè)可能的原因：① 噬菌體侵染細(xì)菌需要一個(gè)過(guò)程，有些噬菌體還沒(méi)有來(lái)得及侵入就已經(jīng)攪拌離心了，這些沒(méi)有來(lái)得及侵入的噬菌體存在于上清液中；② 噬菌體侵入細(xì)菌后使細(xì)菌解體，釋放出來(lái)的子代噬菌體會(huì)存在于上清液中；③ T2噬菌體的化學(xué)成分中，99%的磷元素存在于DNA分子中，可能是另外1%的磷使上清液顯示出很弱的放射性。

該題設(shè)計(jì)意圖是訓(xùn)練學(xué)生的思維深度，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入分析，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)得以升華。要解決上述問(wèn)題，學(xué)生必須深入思考實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟的目的（如攪拌、離心）與原因以及該步驟的注意事項(xiàng)，必須從一個(gè)操作者的角度去思考才能有所收獲，從而解決問(wèn)題。教師可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后組織學(xué)生通過(guò)“小組討論→代表回答→評(píng)價(jià)修正→總結(jié)歸納”的方式進(jìn)行。

（2） 噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褡C明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)？艾弗里的實(shí)驗(yàn)可以證明嗎？

答案：T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA。這兩組實(shí)驗(yàn)并不能說(shuō)明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)沒(méi)有進(jìn)入細(xì)菌，所以無(wú)法知道蛋白質(zhì)對(duì)遺傳是否有作用，但艾弗里的實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

（3） 科學(xué)家選用噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明DNA是遺傳物質(zhì)，你認(rèn)為有什么巧妙之處？這一實(shí)驗(yàn)與肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想與方法上有什么共同之處？

答案：噬菌體僅有蛋白質(zhì)和DNA兩種化學(xué)成分，它的頭部和尾部的外殼都由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，頭部?jī)?nèi)含有DNA。共同之處是均設(shè)法把DNA與蛋白質(zhì)分開，從而單獨(dú)地、直接地去觀察DNA的作用。只是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中使DNA與蛋白質(zhì)分開的方式不同，另外都遵循了對(duì)照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。

如果課堂時(shí)間充足，教師還可以設(shè)計(jì)以下問(wèn)題或者由學(xué)生提問(wèn)：

（1） 目前有多種同位素如14C、15N、3H、32P、35S等，選擇哪種元素進(jìn)行標(biāo)記？為什么？能不能直接標(biāo)記？可以用含有同位素的培養(yǎng)基培養(yǎng)得到標(biāo)記的病毒嗎？如何才能做到？

（2） 如果同時(shí)用不同的同位素分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)可以嗎？為什么？

（3） 怎樣使噬菌體外殼從細(xì)菌表面脫落下來(lái)？

2 簡(jiǎn)評(píng)

2.1 情境設(shè)置，誘發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈探究欲望

情境的創(chuàng)設(shè)要符合學(xué)生的知識(shí)水平、生活經(jīng)驗(yàn)、個(gè)性特征和情感體驗(yàn)；要緊扣教學(xué)內(nèi)容，凸現(xiàn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)，尤其要能引發(fā)學(xué)生提出問(wèn)題。在設(shè)計(jì)提問(wèn)時(shí)，教師要依據(jù)素材設(shè)計(jì)出與本節(jié)課重點(diǎn)知識(shí)有關(guān)的問(wèn)題，目的是幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解學(xué)科知識(shí)的內(nèi)涵，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的動(dòng)力和熱情。例如，本課導(dǎo)入材料的教學(xué)情境是通過(guò)回顧上節(jié)課核心知識(shí)引出本節(jié)新知識(shí)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并形成與原認(rèn)知結(jié)構(gòu)間的思維沖突大有幫助。再如“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的情境設(shè)計(jì)：通過(guò)質(zhì)疑，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神，引導(dǎo)學(xué)生重視科學(xué)探究的歷程，按照生命科學(xué)史的發(fā)展去思考問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。這樣，既延伸了舊課，導(dǎo)出新課，同時(shí)又激發(fā)學(xué)生的求知欲，為新課的教學(xué)創(chuàng)造有利的氛圍。另外，教師利用生物科學(xué)史、生物學(xué)家的故事導(dǎo)入時(shí)，一定要還原事實(shí)真相，這樣能收到較好的教育教學(xué)效果，而且可以教育學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)、學(xué)會(huì)創(chuàng)新，有助于培養(yǎng)他們實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

2.2 “問(wèn)題串”幫助學(xué)生突破探究難點(diǎn)

新課改要求課堂教學(xué)在教師的引領(lǐng)下，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容提出教學(xué)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。學(xué)生帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)并解決問(wèn)題，進(jìn)而探索出更多問(wèn)題。噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)是比較難的，為了突破這個(gè)難點(diǎn)，本節(jié)課教師設(shè)計(jì)了系列“問(wèn)題串”，解決這些問(wèn)題分三步：① 學(xué)習(xí)噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)之前要學(xué)習(xí)病毒的結(jié)構(gòu)及其繁殖過(guò)程。② 認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)。如果對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的細(xì)節(jié)教師處理不夠得當(dāng)，那么，學(xué)生的思維可能會(huì)跟不上，導(dǎo)致理解不透徹。例如，這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵之一是科學(xué)家想到了用攪拌器攪拌，那么攪拌的目的是什么？為什么會(huì)想到攪拌？這正是和本實(shí)驗(yàn)的目的相聯(lián)系的步驟。再如，離心后對(duì)于沉淀物和上清液的成分的分析，也是必要的。為什么要控制被標(biāo)記噬菌體和未標(biāo)記的細(xì)菌混合的時(shí)間長(zhǎng)短？如何得知是否有子代噬菌體干擾了實(shí)驗(yàn)結(jié)果？除了教師預(yù)設(shè)問(wèn)題外，教師還要不斷激發(fā)學(xué)生提出問(wèn)題。如教學(xué)本課時(shí)有學(xué)生問(wèn)：該實(shí)驗(yàn)是對(duì)照實(shí)驗(yàn)嗎？其中自變量是什么？因變量是什么？哪些是無(wú)關(guān)變量？為什么要讓被標(biāo)記的噬菌體分別與大腸桿菌混合？……③ 教師通過(guò)課件直觀呈現(xiàn)教材中關(guān)于標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，以此幫助學(xué)生進(jìn)一步突破難點(diǎn)。教師教學(xué)時(shí)要注意：教材中的插圖比較直觀，但是切忌死記硬背教材結(jié)果，事實(shí)上，這種結(jié)果是理論現(xiàn)象，與事實(shí)不符，所以要注意培養(yǎng)學(xué)生“想象實(shí)驗(yàn)”的能力。

2.3 體驗(yàn)學(xué)習(xí)，像科學(xué)家一樣進(jìn)行科學(xué)探究

新課程實(shí)施的難點(diǎn)之一是如何在課堂教學(xué)中真實(shí)、有效地開展探究活動(dòng)。本課的教學(xué)中，教師將實(shí)踐體驗(yàn)（像科學(xué)家一樣去經(jīng)歷）與情境體驗(yàn)（教學(xué)過(guò)程中有目的預(yù)設(shè)場(chǎng)景，如視頻活化情境）相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)“假說(shuō)——演繹法”，讓學(xué)生像科學(xué)家那樣去思考，體會(huì)科學(xué)研究的思維過(guò)程。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，注入細(xì)菌的是DNA而不是蛋白質(zhì)，學(xué)生在討論、自主探究過(guò)程中，運(yùn)用理性思維體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，對(duì)于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)大有裨益。

2.4 質(zhì)疑啟思，養(yǎng)成“先學(xué)后教”、“以學(xué)導(dǎo)教”的習(xí)慣

新課改要求教學(xué)形式或教學(xué)方式要發(fā)生變化。教師應(yīng)該“跟著學(xué)情走”，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。前已述及，“問(wèn)題串”的預(yù)設(shè)將教學(xué)活動(dòng)牢牢定位于學(xué)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)啟動(dòng)教師的教學(xué)活動(dòng)。每一個(gè)教學(xué)過(guò)程都是從學(xué)生的自學(xué)為起點(diǎn)，教師則在自學(xué)的基礎(chǔ)上施教。教學(xué)中問(wèn)題的預(yù)設(shè)與生成相輔相成，教師沒(méi)有完全按照教案教學(xué)，而是“以人為本”，并沒(méi)有“以知識(shí)為本”。另外，沒(méi)有出現(xiàn)對(duì)學(xué)生指導(dǎo)“過(guò)度”的現(xiàn)象，而是賦予學(xué)生時(shí)間、空間，讓學(xué)生“說(shuō)”不懂之處、疑問(wèn)之處。

參考文獻(xiàn)

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