運用論證式教學(xué)策略 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

張 飛

(重慶市渝中區(qū)教師進修學(xué)院 重慶 400015)

1 科學(xué)思維與論證式教學(xué)策略

論證式教學(xué)實質(zhì)上是將科學(xué)領(lǐng)域論證工作方式引入課堂，使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的論證過程，以促進學(xué)生理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)，并發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)模式。本文主要參考自Toulmin的論證模式(圖略)，該模式包含5個環(huán)節(jié)： 從“資料1”分析得出“主張1”；提供“論據(jù)1”解釋支持主張1；提供“論據(jù)2”經(jīng)“質(zhì)疑和辯駁”后，修正或認可主張1[1]。

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念的得出，正是經(jīng)歷了“特定階段得出科學(xué)結(jié)論，后又受到質(zhì)疑，再次論證修改結(jié)論的循環(huán)論證過程”，與Toulmin論證模式非常契合。因此，本文圍繞以下“主張”采用論證式教學(xué)策略展開教學(xué)： 蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)→DNA可能為遺傳物質(zhì)→DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)→DNA是主要遺傳物質(zhì)。

2 教學(xué)過程

2.1 導(dǎo)入新課，提出質(zhì)疑 具體如下：

資料1： 1926年，摩爾根在《基因論》中提出遺傳物質(zhì)“基因”位于染色體上。雖然當(dāng)時人們已知染色體是由DNA和蛋白質(zhì)組成，但人們普遍認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。資料1提出主張，教師引導(dǎo)學(xué)生尋找支持該主張的論據(jù)。(論據(jù)： 蛋白質(zhì)是多種多樣的大分子物質(zhì)，可由不同的氨基酸組成，各種不同的氨基酸就是遺傳信息的貯存單位。)

資料2： 1929年，美國華裔化學(xué)家列文在生物體中發(fā)現(xiàn)了DNA，并推測DNA是由內(nèi)部順序固定的4種脫氧核苷酸縮合成的“四核苷酸”構(gòu)成的生物大分子[2]。通過資料2提供的新論據(jù)，學(xué)生用類比推理的科學(xué)思維歸納總結(jié)遺傳物質(zhì)的共性。同時，對“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”的主張?zhí)岢鲑|(zhì)疑，進行辯駁，提出新的主張“DNA也可能為遺傳物質(zhì)”，該部分論證式教學(xué)流程歸納為圖1。

圖1 DNA是否是遺傳物質(zhì)論證式教學(xué)流程

過渡： 通過確鑿證據(jù)向遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點發(fā)起挑戰(zhàn)的人是美國科學(xué)家艾弗里。而艾弗里的實驗又是在格里菲斯的實驗基礎(chǔ)上進行的。

2.2 DNA是主要遺傳物質(zhì)的探索 具體探索過程如下：

2.2.1 肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗 論證式教學(xué)過程如下：

論據(jù)： 自然界中，有兩種類型的肺炎雙球菌，一種為無莢膜的R型細菌，菌落小而粗糙；另一種為有莢膜的S型細菌，菌落大而光滑。1928年，格里菲斯發(fā)現(xiàn)了一個很奇怪的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，通過PPT展示高中生物學(xué)教材(必修2)中圖3-2。

科學(xué)分析： 圖3-2所展示的實驗是否為對照實驗？(是。)你能從中分析得出的結(jié)論是什么？(根據(jù)一、二對照可以得出S型細菌有毒性，R型細菌無毒性；一、三分組分析可以得出，加熱殺死的S型細菌中有一種特殊的物質(zhì)，能使R型細菌轉(zhuǎn)化為活的S型細菌，且轉(zhuǎn)化后可以遺傳。)

設(shè)計意圖： 使學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括，用科學(xué)的思維方式認識事物。

提出主張： 加熱殺死的S型細菌中有一種“轉(zhuǎn)化因子”，能促使R型細菌轉(zhuǎn)化為S型細菌，而且轉(zhuǎn)化后可以遺傳。

學(xué)生提出質(zhì)疑：“轉(zhuǎn)化因子”的化學(xué)本質(zhì)是什么？

論據(jù)： 隨著分離提純技術(shù)的發(fā)展，1944年，美國細菌學(xué)家艾弗里和同事對S型細菌中DNA、蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)等物質(zhì)進行提純和鑒定。然后，進行肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有DNA能使R型細菌轉(zhuǎn)化為S型細菌。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率就越高。如果用DNA酶分解從S型細菌中提取的DNA，就不能使R型細菌發(fā)生轉(zhuǎn)化。

結(jié)論： DNA是肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化因子。

科學(xué)分析： 該實驗的設(shè)計思路是什么？(把DNA與其他物質(zhì)分開，單獨研究各自遺傳功能。)為什么上述實驗中還要設(shè)置用DNA酶處理DNA？(驗證某種物質(zhì)的功能思路是： 有因有果即加入該物質(zhì)產(chǎn)生效果；無因無果即不加該物質(zhì)沒有產(chǎn)生效果，才能說明該物質(zhì)的功能。需要“一加”和“一減”驗證，建立驗證物質(zhì)功能的模型。)如何使支持“DNA是遺傳物質(zhì)”的實驗更加嚴謹？學(xué)生進行了實驗的設(shè)計(圖2)。

圖2 學(xué)生增加DNA是遺傳物質(zhì)的實驗

設(shè)計意圖： 使學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用批判性思維、創(chuàng)造性思維，通過建模來探討生命現(xiàn)象。

提出主張：“轉(zhuǎn)化因子”的化學(xué)本質(zhì)是DNA， DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

學(xué)生提出質(zhì)疑：“轉(zhuǎn)化因子”可能不是DNA，而是由吸附在DNA上或與DNA密切結(jié)合在一起微量的其他物質(zhì)所造成的，檢測不出來。

2.2.2 噬菌體侵染細菌實驗 論證式教學(xué)過程如下：

論據(jù)： 1953年，赫爾希和蔡斯用32P或35S標(biāo)記的T2噬菌體分別感染未被同位素標(biāo)記的大腸桿菌后，經(jīng)過短時間的溫育再用攪拌器攪拌(使吸附在細菌上的噬菌體與細菌分離)、離心(讓上清液中析出重量較輕的T2噬菌體顆粒，沉淀物中留下被感染的大腸桿菌)。離心后，檢查上清液和沉淀物中的放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)： 用35S標(biāo)記的一組感染實驗，放射性同位素主要分布在上清液中，用32P標(biāo)記的一組實驗，放射性的同位素主要分布在試管的沉淀物中[2]。

科學(xué)分析： 選用噬菌體作為實驗材料的優(yōu)點是什么？(T2噬菌體只有蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的DNA組成，方便研究DNA和蛋白質(zhì)的功能。同時，噬菌體的增殖速度較快，容易研究親代和子代之間的關(guān)系。)該實驗的設(shè)計思路是什么？(S是蛋白質(zhì)的特有元素，DNA分子中含有P而蛋白質(zhì)中幾乎不含有，用放射性同位素32P和35S分別標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)，單獨去觀察它們的作用。)為什么不用放射性同位素32P和35S同時標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)？(因為放射性強度的檢測是通過蓋勒計數(shù)器檢測，它可以檢測和測量射線的強度，不能檢測是哪種元素發(fā)出的射線，要追蹤不同元素的路徑，必須分別標(biāo)記。)實驗誤差是什么？試分析其原因？(誤差是離心后放射性同位素的分布情況，原因可能是溫育時間、攪拌和離心等因素造成的。)

設(shè)計意圖： 使學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、創(chuàng)造性思維、演繹與推理和批判性思維，探討、闡述生命現(xiàn)象。

提出主張： 噬菌體在細菌內(nèi)的增殖是在噬菌體DNA的作用下完成的。

學(xué)生提出質(zhì)疑： DNA是遺傳物質(zhì)嗎？如何才能充分證明DNA是遺傳物質(zhì)？

論據(jù)： 用35S標(biāo)記的一組感染實驗，子代噬菌體幾乎都不含35S；用32P標(biāo)記的一組感染實驗，約有30%的32P出現(xiàn)在子代噬菌體中。

科學(xué)分析： 在噬菌體中，親代和子代間具有連續(xù)性的物質(zhì)是DNA，子代噬菌體的各種性狀是通過親代DNA傳給后代的。

提出主張： DNA是遺傳物質(zhì)。

設(shè)計意圖： 學(xué)生尊重事實和證據(jù)，有嚴謹?shù)那笾獞B(tài)度，并運用批判性思維解決問題。

學(xué)生提出質(zhì)疑： 所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA嗎？

2.2.3 煙草花葉病毒感染煙草實驗 論證式教學(xué)過程如下：

論據(jù)： 煙草花葉病毒(TMV)是由RNA和蛋白質(zhì)組成，科學(xué)家分別用TMV的RNA和蛋白質(zhì)去感染煙草，發(fā)現(xiàn)RNA感染可使煙草出現(xiàn)病斑，而蛋白質(zhì)感染不能使煙草葉片出現(xiàn)病斑。

科學(xué)分析： 用艾弗里的實驗設(shè)計思路，證明RNA是遺傳物質(zhì)。

設(shè)計意圖： 使學(xué)生能運用演繹推理、創(chuàng)造性思維等思維方法，認識新事物、解決新問題。

提出主張： RNA是某些生物的遺傳物質(zhì)。

主張修正為： 對于大多數(shù)生物來說，遺傳物質(zhì)是DNA，而在只含有RNA和蛋白質(zhì)的病毒中，RNA是遺傳物質(zhì)。因此，DNA是主要遺傳物質(zhì)，該部分的論證式教學(xué)流程歸納為圖3。

圖3 DNA是主要遺傳物質(zhì)論證式教學(xué)流程