例談基于論證的遺傳科學(xué)史復(fù)習(xí)教學(xué)

◎福建省晉江市養(yǎng)正中學(xué)　杜惠東

例談基于論證的遺傳科學(xué)史復(fù)習(xí)教學(xué)

◎福建省晉江市養(yǎng)正中學(xué)杜惠東

以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念為復(fù)習(xí)教學(xué)案例，依據(jù)遺傳科學(xué)史發(fā)展順序及論證式教學(xué)策略，通過問題設(shè)置使案例主題情境化，創(chuàng)設(shè)“質(zhì)疑和辯駁”課堂活動(dòng)環(huán)節(jié)，逐步深化學(xué)生對(duì)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”重要概念的理解和相關(guān)概念體系的建構(gòu)。

論證式教學(xué)；論證；科學(xué)史

科學(xué)的本質(zhì)是基于證據(jù)的思想、解釋與辯解，是證實(shí)和證偽的過程。論證式教學(xué)是指將科學(xué)研究方式引入課堂教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的評(píng)價(jià)資料、提出主張、為主張進(jìn)行辯駁等過程，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式。論證是指圍繞某一論題利用科學(xué)的方法收集證據(jù)，運(yùn)用一定的論證方式解釋、評(píng)價(jià)自己及他人證據(jù)與觀點(diǎn)之間的相關(guān)性，促進(jìn)思維的共享與交鋒，最終達(dá)成限定條件下可成立的結(jié)論的活動(dòng)?？茖W(xué)教育中實(shí)施論證式教學(xué)有利于學(xué)生對(duì)重要概念的理解，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的建構(gòu)、科學(xué)探究的深入開展以及學(xué)生論證能力與解決問題能力的培養(yǎng)。

人教版《高中生物·必修2·遺傳與進(jìn)化》中的“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)，提供了人類對(duì)遺傳物質(zhì)的探索歷程豐富的科學(xué)史，展示了科學(xué)家如何逐步通過實(shí)證的方法獲得相應(yīng)科學(xué)結(jié)論的過程，也體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)的影響過程。復(fù)習(xí)教學(xué)時(shí)，可以通過論證式教學(xué)，解決學(xué)生普遍存在的“小鼠對(duì)兩種類型肺炎雙球菌的免疫過程是什么樣的？”“轉(zhuǎn)化因子為什么是遺傳物質(zhì)？”“艾弗里的實(shí)驗(yàn)既然已經(jīng)證明DNA是遺傳物質(zhì)，為什么赫爾希和蔡斯還要用噬菌體侵染細(xì)菌做實(shí)驗(yàn)得出相同的結(jié)論？”“赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細(xì)菌能不能證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)？”等四個(gè)疑問。

二、論證式教學(xué)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)學(xué)生的四個(gè)疑問，以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為主題，展開基于論證式教學(xué)策略的復(fù)習(xí)教學(xué)。通過問題設(shè)置、補(bǔ)充資料、還原科學(xué)史實(shí)，使得論證主題情境化，沿著“轉(zhuǎn)化因子→遺傳物質(zhì)→DNA是遺傳物質(zhì)→RNA是遺傳物質(zhì)→DNA是主要的遺傳物質(zhì)”論證框架，逐步深化學(xué)生對(duì)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念的理解，并通過設(shè)置“質(zhì)疑和辯駁”課堂活動(dòng)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的復(fù)習(xí)熱情和興趣。再把相關(guān)生物變異、免疫調(diào)節(jié)、DNA分子結(jié)構(gòu)、DNA分子雜交等重要概念穿插于復(fù)習(xí)教學(xué)中，使得學(xué)生體驗(yàn)和領(lǐng)悟科學(xué)精神以及科學(xué)、技術(shù)之間的相互影響。

論證是從學(xué)生活動(dòng)“質(zhì)疑舉證：蛋白質(zhì)是生物體的遺傳物質(zhì)”導(dǎo)入，再以“肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”“噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)”和“重組煙草花葉病毒接種實(shí)驗(yàn)”為主體展開對(duì)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”論證，最后歸納總結(jié)作為遺傳物質(zhì)應(yīng)具備的基本條件。論證過程力圖使學(xué)生領(lǐng)悟到：一個(gè)正確的結(jié)論可以通過不同的方法獲得，從而認(rèn)同科學(xué)結(jié)論獲得的最基方法是實(shí)證方法，人類對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是不斷深化和不斷完善的過程。其中補(bǔ)充“兩種肺炎雙球菌的遺傳關(guān)系”“肺炎雙球菌引發(fā)人患肺炎和鼠患敗血癥的生理機(jī)制”等資料，對(duì)格里菲斯、艾弗里的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方案與思路的還原，穿插引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生物變異、DNA分子雜交技術(shù)等概念解決“轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制”問題、運(yùn)用免疫調(diào)節(jié)的知識(shí)分析“R型活菌與加熱處理的S型死菌混合條件下在小鼠體內(nèi)的數(shù)量變化”等問題。最后引導(dǎo)學(xué)生歸納DNA作為遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性和功能特性。

通過上述論證教學(xué)，還引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)“從微生物培養(yǎng)技術(shù)到物質(zhì)分離提純技術(shù)，從同位素標(biāo)記技術(shù)到病毒重組技術(shù)，從X射線衍射技術(shù)到化學(xué)物質(zhì)含量測(cè)定技術(shù)”等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)科學(xué)發(fā)展的影響。

二、論證式教學(xué)與反思

1.“蛋白質(zhì)是生物的遺傳物質(zhì)”的論證式教學(xué)

學(xué)生通過回顧蛋白質(zhì)相關(guān)知識(shí)，圍繞主張“蛋白質(zhì)是生物的遺傳物質(zhì)”從正、反兩個(gè)方面提出相應(yīng)的質(zhì)疑和支持的證據(jù)。

證據(jù)①：組成蛋白質(zhì)的氨基酸種類有20種，由于氨基酸的種類和數(shù)量不同、排列順序不同，空間結(jié)構(gòu)具有多樣性，具有貯存大量信息的潛能。

證據(jù)②：蛋白質(zhì)的功能具有多樣性，其作為酶能夠控制代謝，進(jìn)而影響生物的性狀表現(xiàn)。這與遺傳物質(zhì)能控制生物新陳代謝和生物性狀相同。

證據(jù)③：蛋白質(zhì)具有種屬的特異性，遺傳物質(zhì)也具有種屬的特性。

質(zhì)疑①：蛋白質(zhì)不能進(jìn)行自我復(fù)制。這與遺傳物質(zhì)能夠傳遞給子代不符。

質(zhì)疑②：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和含量不穩(wěn)定。這與遺傳物質(zhì)具有結(jié)構(gòu)和含量的相對(duì)穩(wěn)定不符。

質(zhì)疑③：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和活性易受外界條件影響而改變。

2.“格里菲斯的肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”的論證式教學(xué)

圍繞“死亡小鼠體內(nèi)的S型活菌從何而來？”和“R型活菌如何轉(zhuǎn)化S型活菌？轉(zhuǎn)化機(jī)制屬于基因突變還是基因重組？”這兩個(gè)問題展開論證式教學(xué)。首先，教師在課前將補(bǔ)充資料和還原后的格里菲斯實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果整合成主題案例資料，以便學(xué)生課堂閱讀，并布置學(xué)生根據(jù)上述兩個(gè)問題提出主張和搜集證據(jù)。其次，展示學(xué)生依據(jù)資料提出個(gè)人的主張。再次，通過質(zhì)疑與辯駁，學(xué)生基于證據(jù)，對(duì)自己的主張?zhí)峁┙忉尯脱a(bǔ)充證據(jù)，對(duì)他人的主張進(jìn)行質(zhì)疑。最后，對(duì)主張進(jìn)行修正和限定，達(dá)成共識(shí)。

資料1：S型細(xì)菌有莢膜，其莢膜多糖稱為內(nèi)毒素，是一種抗原物質(zhì)，對(duì)動(dòng)物體有危害作用。當(dāng)S型細(xì)菌被吞噬細(xì)胞吞噬后，由于莢膜的保護(hù)，能抵抗吞噬細(xì)胞的吞噬和消化，從而在細(xì)胞內(nèi)迅速增殖、擴(kuò)散，引起人患肺炎或鼠患敗血癥。而R型細(xì)菌無莢膜，則能被吞噬細(xì)胞吞噬、消化，所以不能使機(jī)體患病。

資料2：R型和S型是同一物種不同品系。R型是S型自身合成莢膜的基因突變形成，即R型是由于S型發(fā)生突變而喪失了合成莢膜能力而形成。R型和S兩型可以相互轉(zhuǎn)化。S型分為許多種亞型，分別被稱為SⅠ、SⅡ、SⅢ等，其物質(zhì)基礎(chǔ)是構(gòu)成莢膜的多糖存在差異。不同亞型的S型肺炎雙球菌都能突變形成相應(yīng)的R型，它們又都能發(fā)生回復(fù)突變形成相應(yīng)的SⅠ、SⅡ、SⅢ，但只能發(fā)生同型突變（SI←→R I、SⅡ←→RⅡ、SⅢ←→RⅢ）。

資料3：還原后的格里菲斯實(shí)驗(yàn)

①問題1：死亡小鼠體內(nèi)的S型活菌從何而來？

初步主張：觀點(diǎn)①加熱處理不完全，殘余的S型活菌傷后復(fù)原繁殖產(chǎn)生；觀點(diǎn)②S型死菌死而復(fù)生；觀點(diǎn)③R型活菌自發(fā)突變形成，與加熱殺死的S型死菌無關(guān)；觀點(diǎn)④R型活菌在加熱處理的S型死菌的作用下轉(zhuǎn)化產(chǎn)生；

基于證據(jù)的辯駁：針對(duì)觀點(diǎn)①②，學(xué)生提出質(zhì)疑的間接和直接兩種證據(jù)。如證據(jù)①：蛋白質(zhì)高溫變性失活，是不可逆過程（間接證據(jù)）；證據(jù)②：第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果小鼠健康存活表明，加熱處理已致S型活菌完全死亡。針對(duì)復(fù)活觀點(diǎn)，學(xué)生補(bǔ)充提供了其通過網(wǎng)絡(luò)搜集的證據(jù)，格里菲斯在1933年，在體外用S型細(xì)菌的無細(xì)胞提取物與R型活菌混合培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，仍然發(fā)現(xiàn)S型活菌的出現(xiàn)。證據(jù)③：第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)過程中，R型活菌沒有自發(fā)突變形成S型活菌（直接證據(jù)）。

歸納解釋：R型活菌發(fā)生性狀的轉(zhuǎn)化，且這種轉(zhuǎn)化可傳遞給子代。這表明R型活菌的遺傳物質(zhì)發(fā)生了穩(wěn)定性的變化，這種可遺傳變異與S型死菌有關(guān)。

完善主張：在加熱殺死的S型菌中存在某種促成這種轉(zhuǎn)化的活性物質(zhì)（轉(zhuǎn)化因子），這種轉(zhuǎn)化因子將無毒性的R型活菌轉(zhuǎn)化為有毒性的S型活菌。

②問題2：“R型活菌如何轉(zhuǎn)化S型活菌？轉(zhuǎn)化機(jī)制屬于基因突變還是基因重組？”

預(yù)設(shè)主張：觀點(diǎn)①R型細(xì)菌自身的基因發(fā)生突變轉(zhuǎn)化形成；觀點(diǎn)②R型細(xì)菌獲得S型死菌的有關(guān)特異性莢膜合成部分遺傳物質(zhì)，通過基因重組實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。

支持辯護(hù)：先引導(dǎo)學(xué)生比較兩種觀點(diǎn)，使其明白兩種觀點(diǎn)的主要區(qū)別是對(duì)轉(zhuǎn)化因子作用的界定上，觀點(diǎn)①認(rèn)為轉(zhuǎn)化因子的作用是誘變劑，而觀點(diǎn)②認(rèn)為轉(zhuǎn)化因子的作用則是遺傳信息的載體，即轉(zhuǎn)化因子是遺傳物質(zhì)。再啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行反向推理，最后利用提供材料進(jìn)行判斷。如若是基因突變，則RII型細(xì)菌只能發(fā)生同型突變形成SII型細(xì)菌，而實(shí)驗(yàn)分離得到是SIII型細(xì)菌，從而否定觀點(diǎn)①，而支持觀點(diǎn)②。

完善主張：R型活菌發(fā)生性狀的轉(zhuǎn)化的本質(zhì)由于其接收了加熱殺死的S型細(xì)菌的部分遺傳物質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)重組整合形成的。

教學(xué)過程中，學(xué)生往往提出有關(guān)“為什么加熱沒有使遺傳物質(zhì)失活？”問題，此時(shí)教師可直接補(bǔ)充“加熱所使用的溫度”與“遺傳物質(zhì)的熱穩(wěn)定性”等資料加以說明，也可“留白”，讓學(xué)生課后自己搜集材料思考。

本環(huán)節(jié)教學(xué)中，教師還設(shè)計(jì)兩個(gè)問題來觀察學(xué)生對(duì)這一主題是否真正理解，以及學(xué)生能否運(yùn)用實(shí)證的方法獲取相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。問題①：請(qǐng)用現(xiàn)代生物學(xué)相關(guān)方法區(qū)分RII活菌是轉(zhuǎn)化為SII型，還是SIII型？問題②：請(qǐng)分析格里菲斯第四組實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)兩種類型細(xì)菌的數(shù)量變化？值得欣慰的是，關(guān)于第一個(gè)問題學(xué)生在教師引導(dǎo)下能夠提出三種解決方案：①微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)顯微觀察；②DNA分子雜交技術(shù)；③免疫反應(yīng)抗體分析。關(guān)于第二問題學(xué)生也能做出正確判斷：R型先降后升，S型從無到有。

3.“艾弗里的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”的論證式教學(xué)

先拋出“艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不被當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家接受”的史實(shí)引發(fā)學(xué)生疑問，接著展示還原后的真實(shí)的艾弗里實(shí)驗(yàn)方案，再讓學(xué)生對(duì)比教材編者處理過的實(shí)驗(yàn)方案，使得學(xué)生認(rèn)識(shí)到雖然物質(zhì)分離方法不同，一個(gè)采用現(xiàn)代提取分離提純技術(shù)，一個(gè)采用酶解逐個(gè)成分去除技術(shù)，但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路是一致的。從中提示學(xué)生注意艾弗里采取上述方法是受限于提取分離技術(shù)，使其初步認(rèn)識(shí)到技術(shù)與科學(xué)之間的關(guān)系。最后，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，肯定艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性。并簡要補(bǔ)充介紹當(dāng)時(shí)社會(huì)背景和一些導(dǎo)致艾弗里成為諾貝爾獎(jiǎng)遺漏之珠的科學(xué)事件，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)發(fā)展的曲折以及科學(xué)精神。

4.“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”與“重組煙草花葉病毒接種實(shí)驗(yàn)”的論證式教學(xué)

關(guān)于噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)，先通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)材料選擇的依據(jù)，并從材料選擇引出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。然后引導(dǎo)學(xué)生思考該實(shí)驗(yàn)如何實(shí)現(xiàn)DNA與蛋白質(zhì)分離的觀測(cè)，得出同位素標(biāo)記方法。接著引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)論有機(jī)聯(lián)系起來。再運(yùn)用反證法說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。重組煙草花葉病毒接種實(shí)驗(yàn)方案則作為補(bǔ)充資料，用來修正“DNA是生物的遺傳物質(zhì)”這一主張。并通過細(xì)胞生物和非細(xì)胞生物的遺傳物質(zhì)比較表，進(jìn)一步完善、達(dá)成共識(shí)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。

最后，從上述相關(guān)實(shí)驗(yàn)，歸納總結(jié)作為遺傳物質(zhì)的四個(gè)基本條件。肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)說明：①遺傳物質(zhì)能控制生物的性狀；②遺傳物質(zhì)既保持相對(duì)穩(wěn)定，又可產(chǎn)生變異。噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)說明：③遺傳物質(zhì)能夠自我復(fù)制；④遺傳物質(zhì)能夠控制蛋白質(zhì)合成，貯存遺傳信息。并讓學(xué)生回顧DNA的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和三大功能，突出DNA作為遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特點(diǎn)。

雖然本節(jié)教學(xué)內(nèi)容多、難度大，但通過論證式教學(xué)，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與參與度；以教材中豐富的科學(xué)史資料，采用問題串的形式逐步引導(dǎo)學(xué)生推理、質(zhì)疑與論證，既鍛煉學(xué)生邏輯論證的思維能力和語言表達(dá)能力，又能夠及時(shí)幫助學(xué)生解決新課教學(xué)遺留的問題，建構(gòu)正確的概念體系，提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

（責(zé)任編輯：陳欣）