例談如何利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

張琳琳

[摘 ? 要]生物科學(xué)史包含大量的科學(xué)實驗，蘊含著科學(xué)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、批判性和繼承性，體現(xiàn)科學(xué)探索的艱辛過程，是生物教學(xué)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源之一。利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境可以加深學(xué)生對核心概念的理解，有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。文章以“噬菌體侵染細菌實驗”為例談?wù)勅绾卫每茖W(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)史;教學(xué)情境;噬菌體侵染細菌實驗

[中圖分類號] ? ?G633.91 ? ? ? ?[文獻標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）26-0090-03

教材內(nèi)容的呈現(xiàn)應(yīng)當(dāng)有利于學(xué)生通過活動建構(gòu)新知識。有效的教學(xué)情境，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，點燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生形成良好的求知心理，從而使學(xué)生主動參與對所學(xué)知識的探索發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識過程[1]。教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)的方式較多[2]，本文以“噬菌體侵染細菌實驗”教學(xué)為例談?wù)勅绾卫每茖W(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。

一、 利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的內(nèi)涵分析

生物科學(xué)史包含大量的科學(xué)實驗，凝結(jié)著科學(xué)家的智慧，蘊含著科學(xué)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、批判性和繼承性，也展現(xiàn)了科學(xué)探索的艱辛過程，因此成為生物學(xué)核心概念形成的源泉，是生物教學(xué)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源之一。然而，科學(xué)的發(fā)展是螺旋前進的過程，其中有科學(xué)家的困頓，有新發(fā)現(xiàn)的欣喜，有堅持傳統(tǒng)觀念的偏執(zhí)，有科學(xué)實驗的深奧。因此，利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，不應(yīng)是科學(xué)事件的簡單堆砌，而應(yīng)當(dāng)以核心概念為中心對科學(xué)史進行研究、甄選和加工，以活潑的方式、清晰的歷史路線展現(xiàn)科學(xué)史資源，恰當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生進行思維，從而實現(xiàn)教學(xué)的基本目標(biāo)，落實對學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境需要教師關(guān)注、選擇和收集科學(xué)史材料，并對其進行恰當(dāng)?shù)奶幚砗笞鳛榻虒W(xué)情境設(shè)計的資料和學(xué)生課堂討論的素材。以“噬菌體侵染細菌實驗”教學(xué)為例，在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境時可收集以下科學(xué)史材料。

[科學(xué)史材料]1915年，英國著名細菌學(xué)家Twort在培養(yǎng)化膿性葡萄球菌時發(fā)現(xiàn)有些菌落上長了透明斑，從而推測可能是細菌分泌的一種酶將菌體裂解了[3]。1917年，法國D' Herelle以恢復(fù)期病人志賀氏痢疾桿菌為材料觀察到噬菌現(xiàn)象，并分離出這種能使細菌裂解的過濾因子，命名為“Bacteriophage”，即噬菌體[3]。隨著噬菌體研究的深入，發(fā)現(xiàn)噬細菌體、噬藍細菌體和噬放線菌體等，它們廣泛存在于自然界中。因此，噬菌體被定義為能夠感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱[4-5]。

20世紀(jì)40年代是研究噬菌體的重要時期，隨著第一批電子顯微鏡的制造，1941年開始陸續(xù)報道出對噬菌體形態(tài)的觀察。1942年，Luria和Thomas F.Anderson利用電子顯微鏡首次看到了吸附在細菌表面的噬菌體。次年，美國M.Delbrück（噬菌體學(xué)派創(chuàng)始人）也加入到電子顯微鏡觀察噬菌體的行列中，觀察到了四株噬菌體侵染大腸桿菌并吸附的過程。1942年，Delbrück和Luria合作，憑借他們良好的物理學(xué)訓(xùn)練和物理學(xué)研究經(jīng)歷，他們的思想更加解放、更富有創(chuàng)造力，最終分離出大腸桿菌噬菌體T系列、[?]X174等，發(fā)現(xiàn)噬菌體的釋放是一個爆發(fā)過程，包括潛伏期、生長期和裂解釋放期，并設(shè)計了一步生長實驗，測定了烈性噬菌體T2侵染細菌和成熟噬菌體釋放的時間間隔，繪制出每個被侵染細胞釋放噬菌體的生長曲線，即T2噬菌體一步生長曲線[6]。

噬菌體如何侵染細菌？是何種物質(zhì)在噬菌體增殖中起作用？1949年，生物化學(xué)家Cohen利用同位素標(biāo)記的方法發(fā)現(xiàn)噬菌體幾乎全部由蛋白質(zhì)和DNA組成。同年，美國Anderson發(fā)現(xiàn)在高濃度NaCl溶液中噬菌體會失去侵染的活性，利用滲透壓的驟變可使噬菌體失活。電子顯微鏡可清晰地顯示被滲透壓沖擊失活的噬菌體釋放DNA的過程，噬菌體成為一個空殼的“幽靈”。1951年，Herriott研究發(fā)現(xiàn)滲透壓驟變能使噬菌體頭部釋放DNA，而“空殼”仍可以吸附到細菌上。Benzer Dulbecco于1952年也發(fā)現(xiàn)在不引起生長的緩沖液中，噬菌體吸附到細菌上后，其DNA變得對DNA酶敏感了[7]。在前人的基礎(chǔ)上，為了更好地驗證噬菌體吸附細菌后DNA從外殼中排出，1952年，赫爾希和蔡斯用35S和32P標(biāo)記的噬菌體吸附細菌碎片，在37 ℃保溫30 min，離心15 min，然后對沉淀和上清液分別進行分析，其結(jié)果證實了噬菌體DNA具有感染性。

自此，科學(xué)家基本上弄清了噬菌體的吸附、侵入、復(fù)制、組裝、釋放這一由親代到子代的生命周期。1969年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了德爾布呂克、盧里亞和赫爾希三位遺傳學(xué)家，以表彰他們“利用噬菌體作為實驗材料，發(fā)現(xiàn)了病毒的復(fù)制機制和基本結(jié)構(gòu)”[8]。

二、依據(jù)核心概念進行科學(xué)史甄選

情境創(chuàng)設(shè)需要根據(jù)課程和學(xué)生的接受能力做相應(yīng)的調(diào)整，使其具有針對性。筆者認(rèn)真研究了噬菌體侵染細菌實驗的相關(guān)歷史材料，并根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和高中生的思維特點，圍繞核心概念對科學(xué)史事件進行篩選（如表1）。

三、利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

1.利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)真實的歷史情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

真實情境的創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生的生活或認(rèn)知范疇，容易激發(fā)學(xué)生的情感。噬菌體侵染細菌實驗以印度恒河為真實情境，展示印度恒河的照片，提供歷史資料：200年前，英屬東印度公司的貨船專門補充恒河水，為什么呢？1896年，英國細菌學(xué)家在印度的Gangs和Jumna河的水域中發(fā)現(xiàn)一種有明顯抗霍亂弧菌的物質(zhì)，因此恒河水經(jīng)過幾個月的長途航行依然甘甜如初，不會變質(zhì)。該故事引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突，使學(xué)生迅速產(chǎn)生探究欲望。

2. 利用科學(xué)史設(shè)計科學(xué)家對話情境，引發(fā)學(xué)生自主探究

設(shè)計多位科學(xué)家的自述，體現(xiàn)科學(xué)歷史發(fā)展規(guī)律。

德爾布呂克的自述：“我是德爾布呂克，一名原子物理學(xué)家。我為生命著迷，但是成天與果蠅打交道實在太難，感謝噬菌體拯救了我。我和盧里亞成立了噬菌體俱樂部來研究噬菌體的生長特點。我們對它的生長進行定量研究，寄主菌和噬菌體的實驗結(jié)果分析十分簡單，實驗1天內(nèi)就能完成，而且技術(shù)容易掌握。瞧，這是噬菌體一步生長曲線，你看到了什么？”

Anderson的自述：“1949年注定是我不平凡的一年，我利用電子顯微鏡觀察到因滲透壓的驟變而失活的噬菌體呈蝌蚪形的空殼‘幽靈，真不可思議?！?/p>

Herriott的自述：“在1951年，我發(fā)現(xiàn)滲透壓驟變能使噬菌體的DNA釋放到溶液中，而‘空殼仍可以吸附到細菌上。難道噬菌體的增殖首先要除去保護性的外殼？”

Benzer Dulbecco的自述：“我發(fā)現(xiàn)在不引起生長的緩沖液中，噬菌體吸附到細菌上后，其DNA變得對DNA酶敏感了。難道噬菌體侵染細菌過程中注入的是DNA？天啊，難道噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA？這怎么可能？”

教材中“噬菌體侵染細菌實驗”的表述并不能直接激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而通過歷史事件的梳理，學(xué)生可以自主構(gòu)建噬菌體的結(jié)構(gòu)和噬菌體的增殖過程。加工歷史資料，用科學(xué)家自述的口吻展現(xiàn)科學(xué)研究的發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生做出假設(shè)、設(shè)計實驗、預(yù)期結(jié)果，從而激發(fā)學(xué)生自主探究的激情，讓原本枯燥的實驗數(shù)據(jù)和實驗過程增添一些人文情懷，讓學(xué)生走近豐滿的歷史人物，尊重科學(xué)的發(fā)現(xiàn)歷史，培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和閱讀能力。

四、注重圖文展示科學(xué)史中的重要研究結(jié)果

噬菌體侵染細菌實驗難以開展學(xué)生實驗，很難讓學(xué)生親身體驗實驗過程并完成實驗結(jié)果分析。為此，巧用科學(xué)史中的實驗結(jié)果曲線圖展示，能更有效地促進學(xué)生對結(jié)果的討論和結(jié)論的獲得，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計的邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性。例如，M.Delbrück的噬菌體侵染大腸桿菌一步生長曲線（如圖1），為學(xué)生了解噬菌體侵染過程提供直觀的生長曲線，讓學(xué)生感受噬菌體生長有潛伏期、生長期和釋放期。

赫爾希和蔡斯的Worling攪切器實驗結(jié)果曲線（如圖2）幫助學(xué)生佐證自己的假說，培養(yǎng)學(xué)生的圖像分析能力，同時促使學(xué)生進一步思考實驗結(jié)果中的“意外”：怎樣設(shè)計實驗去除噬菌體不能百分之百侵染細菌對實驗結(jié)果的影響？攪拌實驗真的可以影響實驗結(jié)果嗎？讓學(xué)生感知科學(xué)研究中的批判性思維和假說—演繹法。

綜上，教師需要有目的地創(chuàng)設(shè)生動活潑的情境去營造一種富有吸引力的學(xué)習(xí)氛圍，促使學(xué)生自主參與知識認(rèn)識和探索的過程?？茖W(xué)史本身就是科學(xué)知識的來源，是眾多科學(xué)家創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的記載。但是，科學(xué)史的發(fā)展是交叉性的，涉及的研究方向較多，沒有明確的發(fā)展主線，一線教師需要研究科學(xué)史材料，圍繞教學(xué)目標(biāo)選擇、挖掘和加工科學(xué)史材料，為學(xué)生提供較為合適的材料信息，這樣才能有效地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生感受到有血有肉的科學(xué)家形象，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，使其體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的人文精神，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?沈海燕.高中生物課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)多種活動情境的研究[J].中學(xué)生物學(xué)，2011（11）：34-35.

[3] ?傅杰青.究竟是誰發(fā)現(xiàn)了噬菌體？[J].自然辯證法通訊，1985（6）：50-54+80.

[4] ?王盛，童貽剛.噬菌體治療研究進展[J].微生物學(xué)通報，2009 （7）：1019-1024.

[5] ?周德慶.微生物學(xué)教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[6] ?羅成，徐斌.噬菌體研究的歷史與現(xiàn)狀[J].生物學(xué)雜志，1987（5）：20-23.

[7] ?黃建華.以“科學(xué)思維邏輯”組織“噬菌體侵染細菌實驗”的教學(xué)建議[J].生物學(xué)教學(xué)，2016（9）：61-63.

[8] ?程銳創(chuàng).生物課堂教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)存在問題和解決策略[J].中學(xué)生物學(xué)，2016（3）：15-17.

（責(zé)任編輯 黃春香）