基于科學(xué)史建構(gòu)生物學(xué)重要概念的實(shí)踐分析

孟凡龍　劉滿希

摘要 基于實(shí)證研究、問題探究、模型實(shí)踐建構(gòu)生物學(xué)中的一些重要概念，引導(dǎo)學(xué)生深度分析、深入理解、遷移應(yīng)用有關(guān)的生物學(xué)重要概念。

關(guān)鍵詞 科學(xué)史 重要概念 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生命科學(xué)史描繪了生命科學(xué)的起源和概念、原理的發(fā)展過程，揭示了自然科學(xué)的本質(zhì)，展現(xiàn)了客觀真理的發(fā)現(xiàn)歷史，蘊(yùn)含了科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，呈現(xiàn)了科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和科學(xué)世界觀，具有重要的教育價(jià)值。將生命科學(xué)史融入生物課堂教學(xué)中，教師既可以依托實(shí)證教學(xué)，逐步呈現(xiàn)各種基本概念和原理在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生和發(fā)展的歷史，挖掘和闡述生物科學(xué)知識(shí)的形成過程，全面提高學(xué)生的概念理解水平；還可以在基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)中，通過問題探究方式，使學(xué)生深入理解科學(xué)家獨(dú)特的科學(xué)方法，體悟到創(chuàng)造性的科學(xué)思維；還可以將歷史重演，通過模型實(shí)踐還原知識(shí)的形成過程，讓學(xué)生建構(gòu)新的重要概念，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)思維品質(zhì)和科學(xué)思維能力。

1基于實(shí)證研究建構(gòu)重要概念

實(shí)證研究是指研究者親自收集觀察資料，為提出理論假設(shè)或檢驗(yàn)理論假設(shè)而展開的研究。實(shí)證研究的基本原則是科學(xué)結(jié)論要注重客觀性和普遍性，強(qiáng)調(diào)知識(shí)必須建立在觀察和實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)上，通過經(jīng)驗(yàn)觀察的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)研究的手段來揭示一般結(jié)論，并且要求這種結(jié)論在同一條件下具有可證性。

在建構(gòu)“DNA分子進(jìn)行半保留復(fù)制”這一重要概念時(shí)，教師先后呈現(xiàn)背景資料1：①每個(gè)DNA上具有特定的遺傳信息，一個(gè)親代DNA分子復(fù)制產(chǎn)生的兩個(gè)子代DNA的遺傳信息必須完全相同。②堿基互補(bǔ)配對(duì)原則是DNA分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在DNA復(fù)制過程中也起著重要的指導(dǎo)作用。學(xué)生通過分析資料1，預(yù)測(cè)DNA分子的復(fù)制可能是通過全保留復(fù)制、半保留復(fù)制或彌散復(fù)制進(jìn)行的。

資料2：1958年，美國(guó)科學(xué)家米西爾森和斯塔爾設(shè)計(jì)了很巧妙的實(shí)驗(yàn)。將大腸桿菌在以¹⁵NH₄Cl為唯一氮源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，獲得15N標(biāo)記的大腸桿菌，再將其轉(zhuǎn)移到普通培養(yǎng)基（含¹⁴N的氮源）中培養(yǎng)，經(jīng)過一代培養(yǎng)后得到的子一代DNA兩條鏈分別含有哪種N元素？將子一代DNA進(jìn)行氯化銫密度梯度離心，其結(jié)果如何分布？若將每個(gè)子一代DNA通過加熱得到兩條單鏈，再進(jìn)行離心，其結(jié)果又會(huì)如何分布？各學(xué)習(xí)小組根據(jù)資料2，在教師的指導(dǎo)下討論、預(yù)測(cè)不同復(fù)制情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并繪制子一代DNA在氯化銫溶液中的位置，并了解：由于這類實(shí)驗(yàn)所研究的復(fù)制中的DNA在提取過程中已被斷裂成許多片段，得到的信息只涉及DNA復(fù)制前和復(fù)制后的狀態(tài)，無法觀察到完整的DNA復(fù)制過程。

資料3：1963年Cairns用放射自顯影技術(shù)將³H-脫氧胸苷標(biāo)記大腸桿菌DNA，然后用溶菌酶消化掉細(xì)胞壁，釋放出完整DNA，鋪在一張透析膜上，在暗處用感光乳膠覆蓋于干燥的表面上幾星期。期間³H由于放射性衰變而放出B粒子，使乳膠曝光生成銀粒。顯影后銀粒黑點(diǎn)軌跡勾畫出DNA分子的形狀，黑點(diǎn)數(shù)目代表了³H在DNA分子中的密度。把顯影后的片子放在顯微鏡下即可觀察到大腸桿菌DNA全貌。學(xué)生分析資料3，深入理解DNA分子的復(fù)制結(jié)果特點(diǎn)表現(xiàn)為半保留復(fù)制。

教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生立足科學(xué)史中的實(shí)證資料，經(jīng)歷“預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)本質(zhì)”的過程來深入理解DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制的原因，有利于培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)觀察、推論、實(shí)證來理解科學(xué)研究的思路和方法，進(jìn)而認(rèn)同生物學(xué)科的科學(xué)本質(zhì)和理科屬性，提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

2基于問題探究建構(gòu)重要概念

問題探究法是指在教學(xué)過程中精心創(chuàng)造條件，激發(fā)學(xué)生提出問題，并以問題為主線，通過師生共同探討研究，得出結(jié)論，從而使學(xué)生獲得知識(shí)、發(fā)展能力的一種教學(xué)方法。問題探究法本質(zhì)上是一種發(fā)現(xiàn)教學(xué)，側(cè)重于讓學(xué)生通過自己的探索來發(fā)現(xiàn)知識(shí)。教學(xué)通過問題探究研究學(xué)生的常規(guī)思維方法和能力水平，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并確定問題性質(zhì)，鼓勵(lì)學(xué)生作出大膽假設(shè)，并進(jìn)行討論。

在建構(gòu)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念時(shí)，教師呈現(xiàn)1928年格里菲思進(jìn)行了肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)學(xué)生敘述實(shí)驗(yàn)流程。教師設(shè)計(jì)問題引導(dǎo)學(xué)生討論：肺炎雙球菌有無毒性主要取決于什么？在第三組中被加熱殺死的S型細(xì)菌還有沒有毒性？在第四組的加熱殺死的S菌+R菌'S菌+R菌中，是哪種球菌導(dǎo)致小鼠死亡？第四組小鼠體內(nèi)分離出S型活細(xì)菌是在開始時(shí)注射進(jìn)去的，還是混合后重新出現(xiàn)的？

針對(duì)格里菲思的實(shí)驗(yàn)主張，教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)變量和對(duì)照實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步深入理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。學(xué)習(xí)小組交流討論，嘗試設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)或改進(jìn)格里菲思的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來支持格里菲思的實(shí)驗(yàn)主張。教師追問：20世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，染色體主要由蛋白質(zhì)和DNA組成。那么，DNA和蛋白質(zhì)，哪種物質(zhì)才是遺傳物質(zhì)呢？如何去證明呢？

教師呈現(xiàn)1944年艾弗里的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：僅根據(jù)S菌的DNA+R菌→S菌+R菌，能否肯定S菌的DNA就是轉(zhuǎn)化因子，即遺傳物質(zhì)呢？可以再設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)：S菌的DNA+DNA酶+R菌→R菌，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)S菌的RNA+RNA酶+R菌→R菌，R菌的DNA+DNA酶+S菌→S菌。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明只有保持DNA結(jié)構(gòu)的完整性才能體現(xiàn)轉(zhuǎn)化作用，進(jìn)一步說明了DNA是轉(zhuǎn)化因子。

教師呈現(xiàn)1952年T₂噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生分析下列問題：①由于肉眼無法觀察T2噬菌體侵染細(xì)菌的過程，科學(xué)家如何知道DNA進(jìn)入到細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，而蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入呢？②如何對(duì)元素進(jìn)行標(biāo)記才能區(qū)分DNA和蛋白質(zhì)？實(shí)驗(yàn)要設(shè)計(jì)成幾組？為什么？③如何用放射性同位素³²P標(biāo)記T2噬菌體的DNA？如何用放射性同位素³⁵S標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)？④用³²P標(biāo)記DNA的T₂噬菌體侵染普通細(xì)菌，經(jīng)攪拌、離心后實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)如何？請(qǐng)解釋原因。⑤用³⁵S標(biāo)記蛋白質(zhì)的T₂噬菌體侵染普通細(xì)菌，經(jīng)攪拌、離心后實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)如何？請(qǐng)解釋原因。⑥根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你能得出什么結(jié)論？

同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：用¹⁵N標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的細(xì)菌、用未標(biāo)記的噬菌體侵染³⁵S標(biāo)記的細(xì)菌，經(jīng)攪拌、離心后檢測(cè)到放射性主要部位應(yīng)該在哪里呢？

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析下列問題，促進(jìn)學(xué)生形成“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念：①大多數(shù)生物以什么作為遺傳物質(zhì)？這些生物有哪些？②少數(shù)生物以什么作為遺傳物質(zhì)？這些生物有哪些？③DNA是主要的遺傳物質(zhì)，你如何理解“主要”的含義？以此來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)遺傳物質(zhì)的深度理解。

教學(xué)過程中，教師精心設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維、設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。問題的設(shè)置有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生的思維能力，使教學(xué)源于科學(xué)史但又超越科學(xué)史，從而推動(dòng)學(xué)生的推理、再認(rèn)知，使學(xué)生深入理解科學(xué)探究的本質(zhì)，發(fā)展批判性思維，提升科學(xué)素養(yǎng)。

3基于模型實(shí)踐建構(gòu)重要概念

模型和建模在生物學(xué)教學(xué)中有著重要的教育意義，也是生物學(xué)核心素養(yǎng)中理性思維的重要組成部分。模型實(shí)踐是通過構(gòu)建模型來研究、揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的實(shí)施過程，一般采用集體教學(xué)和小組活動(dòng)兩個(gè)互補(bǔ)性基本教學(xué)方式構(gòu)成，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的精神，提高課堂教學(xué)效率。

在建構(gòu)“細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型”這一重要概念時(shí)，教師呈現(xiàn)以下資料。

資料1：1895年，歐文頓選用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞膜的通透性進(jìn)行了上萬(wàn)次的研究，發(fā)現(xiàn)：凡是易溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，易通過細(xì)胞膜；反之，不易溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，不易穿過細(xì)胞膜，并且細(xì)胞膜會(huì)被溶解脂質(zhì)的溶劑溶解。同時(shí)，有科學(xué)家對(duì)細(xì)胞膜化學(xué)成分深層分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜會(huì)被蛋白酶分解。

資料2：1917年朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)在水面上形成脂單層。

資料3：1925年荷蘭科學(xué)家戈特和格倫德爾，分離純化了紅細(xì)胞中的脂質(zhì)，發(fā)現(xiàn)提取的脂質(zhì)鋪展后所測(cè)得的面積同實(shí)際測(cè)量的紅細(xì)胞的表面積之比為（1.8～2.2）：1，約為兩倍。

資料4：1959年羅伯特森根據(jù)電子顯微鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜是類似鐵軌結(jié)構(gòu)，兩條暗線被一條明亮的帶隔開，顯示暗一明一暗的三層，總厚度為7.5 nm，中間層為3.5 nm，內(nèi)外兩層各為2 nm。并推測(cè)：暗層是蛋白質(zhì)，透明層是脂，并建議將這種結(jié)構(gòu)稱為單位膜。

教師呈現(xiàn)資料5：1970年費(fèi)雷等將人和鼠的細(xì)胞膜用不同的熒光抗體標(biāo)記，讓兩種細(xì)胞融合，雜交細(xì)胞的一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

教師呈現(xiàn)資料6：1972年桑格和尼克森根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在“單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出“流動(dòng)鑲嵌模型”。

師生針對(duì)資料1，分析實(shí)驗(yàn)材料，推測(cè)細(xì)胞膜可能的化學(xué)成分。教師提供磷脂分子特性，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料2，利用軟磁鐵在黑板上建構(gòu)磷脂分子在空氣-水界面上的排布模型。學(xué)生分析資料3，嘗試使用多個(gè)軟磁鐵在黑板上建構(gòu)細(xì)胞膜中磷脂分子的排布模型。學(xué)生分析資料4，嘗試使用多個(gè)軟磁鐵建構(gòu)單位膜上磷脂和蛋白質(zhì)分子的排布模型。學(xué)生分析資料5，回答問題：該實(shí)驗(yàn)說明了細(xì)胞膜上的分子具有怎樣的特性？學(xué)生分析資料6，嘗試建構(gòu)細(xì)胞膜完整的結(jié)構(gòu)模型。

教師充分利用科學(xué)史資料，遵循科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)歷程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，使學(xué)生逐步建構(gòu)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型。教學(xué)中，教師注重科學(xué)史的教育引領(lǐng)作用，不斷激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)

2教學(xué)目標(biāo)

（1）描述遺傳物質(zhì)探索過程中幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（2）說出推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)的思考過程，通過分析、比較、推理和歸納培養(yǎng)理性思維能力。

（3）通過學(xué)習(xí)遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程，認(rèn)同科學(xué)認(rèn)識(shí)是不斷深化、不斷完善的過程，體驗(yàn)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和不斷探究的科學(xué)精神。

3教學(xué)過程

3.1創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師展示一株“智慧樹”，要求學(xué)生結(jié)合學(xué)案思考下列問題：

①19世紀(jì)中期，孟德爾通過豌豆雜交實(shí)驗(yàn)證明了生物的性狀是由什么控制的？精神。科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，對(duì)提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)是很有意義的。在平時(shí)的教學(xué)過程中，教師要充分挖掘相關(guān)科學(xué)史，采用多種教學(xué)策略幫助學(xué)生深度理解有關(guān)生物學(xué)重要概念的內(nèi)涵與外延；同時(shí)，還要關(guān)注科學(xué)史本身的哲學(xué)、社會(huì)學(xué)等人文研究?jī)r(jià)值及其現(xiàn)實(shí)意義，引導(dǎo)學(xué)生正確、全面地理解科學(xué)史實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。