DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)中“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗”教學(xué)設(shè)計

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【摘要】本節(jié)以“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗”為載體，利用圖片素材和問題設(shè)計引領(lǐng)學(xué)生體驗遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程，通過實驗設(shè)計訓(xùn)練提高學(xué)生的實驗探究能力。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計；DNA；遺傳物質(zhì)

【中圖分類號】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）17-0277-02

一、教材分析

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”是人教版生物學(xué)教材《遺傳與進(jìn)化》第三章的第一節(jié)，主要內(nèi)容是介紹和分析肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化、噬菌體侵染細(xì)菌兩個實驗，讓學(xué)生重走探索之路。教材中科學(xué)史的內(nèi)容多于基本概念和原理的表述，旨在以科學(xué)史分析為載體，促進(jìn)學(xué)生主動建構(gòu)知識和更好地掌握概念原理，因此本節(jié)的教學(xué)重點應(yīng)是兩個經(jīng)典實驗的原理和方法，而不是科學(xué)史本身。本章從分子水平上進(jìn)一步詳盡地闡述遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用原理，有著承上啟下的作用，本節(jié)通過講述DNA是遺傳物質(zhì)的實驗證據(jù)，為后面學(xué)習(xí)DNA的分子結(jié)構(gòu)及復(fù)制功能作好鋪墊，同時讓學(xué)生認(rèn)識到人類對科學(xué)的認(rèn)識是不斷深化和不斷完善的過程。

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識目標(biāo)：

說明肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗的探索過程和主要的原理、方法和結(jié)論。

（二）能力目標(biāo)：

通過分析圖文資料，培養(yǎng)學(xué)生的識圖和語言表達(dá)能力；通過實驗設(shè)計領(lǐng)悟科學(xué)研究的過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力。

（三）情感態(tài)度與價值觀：

體驗科學(xué)探究的艱辛歷程，認(rèn)同人類對遺傳物質(zhì)的認(rèn)識是不斷深化、完善的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和合作精神。

三、教學(xué)重點

肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗的原理和過程

四、教學(xué)過程

（一）復(fù)習(xí)導(dǎo)入新課

教師提問：通過前面對生殖發(fā)育過程中減數(shù)分裂，受精作用和有絲分裂等的學(xué)習(xí)，請問細(xì)胞中哪一結(jié)構(gòu)在前后代保持連續(xù)性和穩(wěn)定性上起著重要作用？（染色體）

那也就是說染色體在我們生物的遺傳當(dāng)中扮演著重要的角色，染色體主要是由什么組成的？（蛋白質(zhì)和DNA）

這兩種物質(zhì)中究竟誰才是遺傳物質(zhì)呢，負(fù)責(zé)將我們父母的遺傳信息傳遞給我們？

這個問題曾引起了生物學(xué)界激烈的爭論，也經(jīng)歷了一段相當(dāng)艱辛的探索過程。

（二）對遺傳物質(zhì)的早期推測

讓學(xué)生閱讀課本42頁

教師提出問題：

1）20世紀(jì)20年代，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為生物體的遺傳物質(zhì)是什么？為什么會有這樣的觀點？

2）20世紀(jì)30年代，人們對DNA有哪些認(rèn)識？

學(xué)生閱讀后回答：1、20世紀(jì)20年代，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為生物體的遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)，因為人們已經(jīng)認(rèn)識到蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的生物大分子，各種氨基酸可以按照不同的方式排列，形成不同的蛋白質(zhì)。這就使人們很自然地想到氨基酸多種多樣的排列順序可能蘊含著豐富的遺傳信息。

3）DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而形成的生物大分子，組成DNA的有四種脫氧核苷酸。四種脫氧核苷酸在形成DNA時可能也會有不同的排列順序。

點評學(xué)生的回答。

但是由于當(dāng)時對DNA分子的結(jié)構(gòu)沒有清晰的了解，蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀點依然占主導(dǎo)地位。

那想要知道遺傳物質(zhì)到底是什么，必須有確鑿的證據(jù)，而獲得這一證據(jù)最有利的方法就是用實驗說話。

首先利用實驗證據(jù)向遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點提出挑戰(zhàn)的，是美國科學(xué)家艾弗里，而艾弗里的實驗又是在英國科學(xué)家格里菲思的實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

（三）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗（體內(nèi)轉(zhuǎn)化及體外轉(zhuǎn)化）

1.格里菲思體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗

1）實驗材料：第一個就是為科學(xué)多次獻(xiàn)身的小白鼠，另外一個是肺炎雙球菌，一種細(xì)菌，有兩種類型，一種類型細(xì)菌的菌體有多糖類的莢膜，選擇這種細(xì)菌的一個或者幾個在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，之后它們就會大量繁殖形成肉眼可見的細(xì)菌群體，這些細(xì)菌群體我們就叫它菌落。單個的細(xì)菌我們是看不見的，但是我們可以根據(jù)看得見的菌落的形態(tài)特征來判斷是哪種細(xì)菌。有莢膜的肺炎雙球菌形成的菌落表面光滑，叫做S型細(xì)菌，它可以使人患肺炎，使小鼠患敗血癥，故有毒性。另外一種類型沒有莢膜，培養(yǎng)以后形成的菌落表面粗糙，叫做R型細(xì)菌，但沒有毒性。推測S型菌有毒和它的哪個結(jié)構(gòu)有關(guān)？（多糖莢膜）

2）教師介紹格里菲思的實驗過程并提問：

第1組：給小鼠注射R型活細(xì)菌，小鼠存活；這說明什么？

學(xué)生回答：說明R型細(xì)菌沒有毒性，不具有致死性。

第2組：給小鼠注射S型活細(xì)菌，小鼠死亡；這說明什么？

學(xué)生回答：說明S型細(xì)菌有毒性，具有致死性。

第3組：給小鼠注射加熱后殺死的S型細(xì)菌，小鼠存活；這又說明什么呢？

學(xué)生回答：說明加熱殺死后的S型細(xì)菌不再具有毒性。

教師小結(jié)：前面三個實驗說明只有S型活細(xì)菌才有毒性。接下來格里菲思走了最具有創(chuàng)造性的一步。

第4組：將R型活細(xì)菌與加熱后殺死的S型細(xì)菌混合后注射，小鼠死亡。

第四組的小鼠為什么會死？R型活細(xì)菌和S型死細(xì)菌單獨注射都不能使小鼠死亡，但混合一塊怎么就死了呢？

格里菲思之后從第四組實驗的小鼠尸體中分離出了有毒性的S型活細(xì)菌，而且這些S型活細(xì)菌的后代也是有毒性的S型細(xì)菌。說明這種性狀的轉(zhuǎn)化是可以穩(wěn)定遺傳的。

那么這S型細(xì)菌是怎么來的呢？（嘗試著讓學(xué)生來說，并由他們自己來初步判斷）

學(xué)生思考后回答：

已死的S型細(xì)菌“復(fù)活”？或者由R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化而來？從第三組中可以看出已死的S型細(xì)菌不會“復(fù)活”，故小鼠不死亡。

教師進(jìn)一步追問：R型活細(xì)菌為什么會轉(zhuǎn)化成有毒的S型細(xì)菌呢？是誰促使這一轉(zhuǎn)化完成的呢？由此，能得出什么樣的結(jié)論呢？endprint

學(xué)生回答：是S型死細(xì)菌促使這一轉(zhuǎn)化完成的。加熱殺死的S型細(xì)菌中，含有某種促成這一轉(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型活細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有毒性的S型活細(xì)菌。

2.艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗

這種轉(zhuǎn)化因子究竟是什么物質(zhì)？

1）尋找轉(zhuǎn)化因子：

既然轉(zhuǎn)化因子是S型細(xì)菌所含有的成分，S型細(xì)菌有哪些組成成分呢？（細(xì)菌細(xì)胞的組成成分）

教師和學(xué)生共同回憶細(xì)胞中含有的化合物有：水、無機鹽、糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸。

水和無機鹽是無機物就不考慮，故加熱殺死的S型細(xì)菌當(dāng)中會有多糖、脂類、蛋白質(zhì)、RNA和DNA，但究竟哪一個才是轉(zhuǎn)化因子，怎樣設(shè)計實驗？

2）小組討論：

課件展示：

（1）設(shè)計一個探究實驗：

探究S型細(xì)菌中的哪種物質(zhì)才是轉(zhuǎn)化因子

（2）要求：從所給材料中選擇適當(dāng)實驗材料，設(shè)計實驗的主要步驟

R型活細(xì)菌，R型死細(xì)菌，S型活細(xì)菌細(xì)菌的培養(yǎng)基小鼠

提示：

（1）當(dāng)時已經(jīng)具有：將細(xì)胞中的各種化合物分離提純的技術(shù)，在人工配制的培養(yǎng)基上培養(yǎng)細(xì)菌的技術(shù)。

（2）R型肺炎雙球菌和S型肺炎雙球菌可以通過觀察它們在培養(yǎng)基上形成的菌落來區(qū)分。

學(xué)生經(jīng)討論后可能提出如下方案：

方案一：R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的DNA→注射進(jìn)小鼠體內(nèi)

R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的多糖/脂類/蛋白質(zhì)→注射進(jìn)小鼠體內(nèi)

R型細(xì)菌+S型細(xì)菌RNA→注射進(jìn)小鼠體內(nèi)

方案二：

R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的DNA→在培養(yǎng)基上培養(yǎng)

R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的多糖/脂類/蛋白質(zhì)→在培養(yǎng)基上培養(yǎng)

R型細(xì)菌+S型細(xì)菌RNA→在培養(yǎng)基上培養(yǎng)

教師點評，并可以復(fù)習(xí)實驗設(shè)計中涉及到的方法：控制變量法。

3、學(xué)習(xí)艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗：

A組：R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中加入：R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的DNA→長出了R型菌和S型菌

B組：R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中加入：R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的蛋白質(zhì)或者莢膜多糖→只長出了R型菌

這兩組實驗?zāi)隳艿贸鍪裁唇Y(jié)論？

學(xué)生回答：DNA是促使R型活細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型活細(xì)菌的轉(zhuǎn)化因子

若要從進(jìn)一步佐證這個觀點，你覺得還可以怎么做？

學(xué)生思考后較易得出：將DNA去掉，看是否還可以長出S型菌。

教師展示艾弗里的C組實驗：R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中加入：R型細(xì)菌+S型細(xì)菌的DNA和DNA酶→只長出了R型菌

這也說明轉(zhuǎn)化因子確實就是DNA。

至此艾弗里的實驗結(jié)束，他發(fā)現(xiàn)加入的DNA的純度越高，轉(zhuǎn)化就越有效，由此他得出DNA是轉(zhuǎn)化因子，是使R型菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。

也就是說真正的遺傳物質(zhì)是什么？（DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)）

但是由于艾弗里實驗中提取出來的DNA，純度最高時也還有0.02%的蛋白質(zhì)，因此，仍有人對此表示懷疑。而且這個實驗并沒有直接證明作為遺傳物質(zhì)必須具備的親子代間的傳遞性。

（四）引入“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”

能否找到更好的實驗材料，不需要人為地提純、分離就能將其中的物質(zhì)分離開呢？而且最好這種材料是只有蛋白質(zhì)和DNA。你會想到什么？（病毒）

事實上赫爾希和蔡斯就是利用病毒這種獨特的生物找到了更具說服力的證據(jù)。展示T2噬菌體的結(jié)構(gòu)模式圖，噬菌體是寄生在動物細(xì)胞、植物細(xì)胞還是細(xì)菌內(nèi)的呢？（細(xì)菌）

給學(xué)生布置課后任務(wù)：怎樣證明DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)呢？請寫出實驗設(shè)計思路。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課的重點是肺炎雙球菌的體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)化實驗，在格里菲思的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗之中提出了“轉(zhuǎn)化因子”，尋找轉(zhuǎn)化因子不是直接給出艾弗里的實驗，而是以一個探究實驗展開，這里是以小組討論的方式設(shè)計探究方案，為艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗做好鋪墊，所以后面艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗就呼之欲出了。整節(jié)課是由問題驅(qū)使學(xué)生思考，逐步理解兩個實驗，促進(jìn)學(xué)生的積極思考，并學(xué)會設(shè)計探究性實驗。但是在課堂組織方面顯得生硬，小組討論部分有的小組參與度低，而且整節(jié)課課堂氛圍不是很輕松，可能是語言方面注重了嚴(yán)謹(jǐn)性而缺乏了一些活躍因素。

參考文獻(xiàn)

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