搭建思維階梯重溫科學(xué)史探究過程

摘 要：《探索遺傳物質(zhì)的過程》是高中生物必修二第四章《遺傳的分子基礎(chǔ)》的第一節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中大多數(shù)只停留在記住實驗基本過程上，并沒有真正領(lǐng)會科學(xué)家在不斷研究中所采用的技術(shù)以及設(shè)計思路，所以考試時對于出現(xiàn)的題目無從下手。如若我們在課堂教學(xué)實踐中，搭起良好的思維階梯，讓學(xué)生參與科學(xué)家探索的過程，不斷思考，那么對于這部分知識便可以輕松掌握。同時也能夠讓學(xué)生獲得成就感，對生命科學(xué)研究產(chǎn)生濃厚的興趣。本文筆者便以如何構(gòu)架思維階梯，談一談自己在教學(xué)實踐中的一些思考。

關(guān)鍵詞：思維階梯;遺傳物質(zhì);高中生物學(xué)

一、 巧設(shè)鋪墊，填補教材思維斷層

本節(jié)課課題為《探索遺傳物質(zhì)的過程》，所以重心在“遺傳物質(zhì)”這個詞上。遺傳物質(zhì)是什么？這個問題對于學(xué)生現(xiàn)有的知識水平來說，很容易便可以答出來——“DNA”，但本節(jié)課是探索遺傳物質(zhì)到底是什么的過程，所以得讓學(xué)生跟隨科學(xué)家的腳步一步一步地去探索。在課堂開始之前，我采用了這樣的導(dǎo)入方式：生活中經(jīng)常會遇到這樣一個場景——這孩子跟他爸爸長得真像。那么問題來了，“長得真像”是什么意思？用生物學(xué)知識怎么描述？那能不能說他爸爸跟他長得很像？這些問題雖然切入點很小，但卻揭示了遺傳物質(zhì)的本質(zhì)。接著我給出遺傳的概念與原因。

遺傳：子代與親代個體之間相似的現(xiàn)象稱為遺傳。

原因：親代通過遺傳物質(zhì)把遺傳信息傳遞給子代，子代按照遺傳信息生長、發(fā)育，因此子代總有與親代相同或相似的性狀。

學(xué)生根據(jù)所給內(nèi)容自由討論后，可以總結(jié)出一些遺傳物質(zhì)的特點，如可遺傳、可控制生物性狀、攜帶大量遺傳信息等等。為什么這個地方我要設(shè)置這個環(huán)節(jié)呢？這是為了給后面格里菲思實驗結(jié)論的分析作理論基礎(chǔ)。

格里菲思用肺炎雙球菌做完體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗后得出結(jié)論：加熱殺死的S型菌中必然存在某種“轉(zhuǎn)化因子”，可以將R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。當(dāng)我們講解到格里菲思結(jié)論時，學(xué)生必然會有疑問，不是要探究遺傳物質(zhì)是什么嗎？怎么又多了個“轉(zhuǎn)化因子”？“轉(zhuǎn)化因子”和遺傳物質(zhì)是什么關(guān)系？那么這個地方便存在著思維斷層，教材中并沒有特別體現(xiàn)這一點。那么作為教師，我們需要思考“轉(zhuǎn)化因子”和遺傳物質(zhì)的關(guān)系，當(dāng)我們認(rèn)真分析格里菲思做的第四組實驗，我們不難發(fā)現(xiàn)，這個“轉(zhuǎn)化因子”在行使遺傳物質(zhì)的功能。分析如下：

事實1：“轉(zhuǎn)化因子”必然使R型菌出現(xiàn)了莢膜，使得轉(zhuǎn)化的R型菌能夠抵御小鼠體內(nèi)免疫系統(tǒng)的傷害，表現(xiàn)出致死的能力，即轉(zhuǎn)化為了S型菌，發(fā)生遺傳性狀的改變。

結(jié)論1：“轉(zhuǎn)化因子”可控制生物性狀。

事實2：科學(xué)家在第四組死亡小鼠體內(nèi)剝離出了R型菌和少部分發(fā)生轉(zhuǎn)化得到的S型菌，這些轉(zhuǎn)化后得到的S型菌后代仍然為S型菌。

結(jié)論2：“轉(zhuǎn)化因子”可遺傳。

事實3：“轉(zhuǎn)化因子”能夠使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。

結(jié)論3：“轉(zhuǎn)化因子”可遺傳并且控制著生物的變異。

結(jié)合本節(jié)課開始前分析的遺傳物質(zhì)的特點，我們很容易便可以分析出“轉(zhuǎn)化因子”便是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。這樣便可以解決學(xué)生內(nèi)心的困惑，也可以讓課堂走向一直圍繞著“遺傳物質(zhì)”展開。

在格里菲思做完實驗后，書上緊接著介紹了艾弗里實驗，那我們?nèi)绾巫龊眠@一部分的鋪墊工作呢？書上積極思維中提到了一句話：“格里菲思的實驗還不能說明遺傳物質(zhì)是什么。如果讓你接替格里菲思的研究工作，進(jìn)一步證明什么是遺傳物質(zhì)的話，你應(yīng)該如何設(shè)計并實施實驗？”那么根據(jù)書上這句話的引導(dǎo)，我將這個問題分散成幾個小問題：

問題1：格里菲思結(jié)論中的“轉(zhuǎn)化因子”具體是什么物質(zhì)我們知不知道？你還在哪些地方聽過“因子”這個詞？

分析1：“轉(zhuǎn)化因子”具體是什么誰也不知道?！耙蜃印边@個詞在前面我們有接觸過“致癌因子”和“遺傳因子”。這些詞的共同點就是我們不知道它具體是什么物質(zhì)，但它確實是存在的，命名方式就是“功能”+“因子”。

問題2：如果你是格里菲思，肯定會想知道“轉(zhuǎn)化因子”是什么物質(zhì)，你有什么思路嗎？

分析2：將S型菌各種組分分離提純后，再分別研究他們的轉(zhuǎn)化作用。

問題3：那么格里菲思為什么沒有進(jìn)一步展開相關(guān)研究呢？是他沒有想到這個思路嗎？

分析3：格里菲思時代不具備分離提純條件，科學(xué)發(fā)展離不開技術(shù)的支持。

問題4：你是如何認(rèn)識科學(xué)與技術(shù)之間關(guān)系的，對你有什么啟示？

分析4：科學(xué)成果的取得必須有技術(shù)手段作保證，技術(shù)的發(fā)展需要以科學(xué)原理為基礎(chǔ)，因此，科學(xué)與技術(shù)是相互支持、相互促進(jìn)的。

問題5：如果將S型菌各組分分離提純獲得純凈物后，你將如何設(shè)計這個實驗？

分析5：將S型菌各種組分分離提純后分別與R型菌混合，注射到小鼠體內(nèi)，觀察小鼠死活，使小鼠致死的那一組便是加了“轉(zhuǎn)化因子”。另外，我們也可以直接將S型菌各組分分離提純后與R型菌混合，放入各組培養(yǎng)基中培養(yǎng)，如果菌落中出現(xiàn)光滑菌落，即表明出現(xiàn)了S型菌，這種組分便為“轉(zhuǎn)化因子”，也就是遺傳物質(zhì)。

通過設(shè)置以上問題給小組討論，學(xué)生自己便能夠想出下一步的設(shè)計思路，并且他們的想法與接下來要介紹的艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗一致，在這個過程中，能夠讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的成就感并對生命科學(xué)研究產(chǎn)生興趣。

二、 層層剝絲，突顯科學(xué)探索精神

本節(jié)課旨在學(xué)生以生命科學(xué)史線路和科技發(fā)展線路重溫科學(xué)家探索遺傳物質(zhì)的過程。所以在整個課堂教學(xué)中，可以按照遺傳學(xué)時間發(fā)展順序展開教學(xué)。

如對遺傳物質(zhì)的早期推測中：我們可以先從最初對遺傳物質(zhì)探索的科學(xué)家孟德爾回憶起，19世紀(jì)中期，孟德爾在做完8年豌豆實驗后揭示了遺傳學(xué)上兩大定律，基因分離定律和基因自由組合定律。證明了生物的性狀是由遺傳因子控制的。后來丹麥科學(xué)家約翰遜將遺傳因子更名為基因。20世紀(jì)初期，摩爾根通過果蠅實驗證明了基因位于染色體上。當(dāng)時科學(xué)家已經(jīng)知道染色體主要由蛋白質(zhì)和DNA組成，那么，這兩種物質(zhì)中，究竟哪一種是遺傳物質(zhì)呢？科學(xué)家大多認(rèn)為遺傳物質(zhì)為蛋白質(zhì)，因為氨基酸的多種排列順序可能蘊含著遺傳信息。簡短幾分鐘的介紹，加深了學(xué)生對生命科學(xué)史的了解，并且讓學(xué)生身臨其境地思考問題，激發(fā)學(xué)生無窮的探索欲望。

在艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗中，書上給“S型菌DNA與R型菌混合”這一組實驗加了一組對照實驗：“S型菌DNA與DNA酶混合后與R型菌混合”。但設(shè)身處地地想一想，當(dāng)時艾弗里的實驗肯定不是一次完成的。是先發(fā)現(xiàn)“S型菌DNA與R型菌混合”這一組實驗的培養(yǎng)基上出現(xiàn)了外表光滑的菌落，即S型菌的DNA為“轉(zhuǎn)化因子”，為了驗證結(jié)論的正確性，才設(shè)計了這一組實驗的對照組，即“S型菌DNA與DNA酶混合后與R型菌混合”。目的是進(jìn)一步確定是S型菌的DNA為“轉(zhuǎn)化因子”。所以在課堂教學(xué)中，我們可以先了解下學(xué)生的探索思路，如果有不足的地方，可以加以補充，而不是直接將艾弗里實驗展示在學(xué)生面前，這樣做的目的是更好地還原探索過程中科學(xué)家的心路歷程。

艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗?zāi)軌虻贸鼋Y(jié)論：DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)等其他物質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。我們回顧格里菲思體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗中，S型菌的DNA為轉(zhuǎn)化因子。但為什么已經(jīng)被加熱殺死的S型菌的DNA還能使R型菌轉(zhuǎn)化呢？我們可以給出一段材料：聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）原理，讓學(xué)生在閱讀材料過程中思考問題。通過思考，學(xué)生能夠得知：當(dāng)溫度升高到90～95℃時，DNA雙鏈自然解開;當(dāng)溫度回落到60～65℃時，DNA兩條鏈之間的氫鍵自然恢復(fù)，即恢復(fù)活性。故而加熱殺死的S型菌中的DNA仍然具有轉(zhuǎn)化活性。

格里菲思與艾弗里開展的實驗都是肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗。那肺炎雙球菌到底如何發(fā)生轉(zhuǎn)化的呢？轉(zhuǎn)化的實質(zhì)又是什么？如圖所示：

通過展示上圖，學(xué)生可以清楚地知道肺炎雙球菌是如何發(fā)生轉(zhuǎn)化的。肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化的實質(zhì)便是基因重組?！稗D(zhuǎn)化”一詞在生物必修課本中并不常見，選修中涉及農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化技術(shù)。在本節(jié)課教材中，“轉(zhuǎn)化”一詞出現(xiàn)頻繁，所以我覺得有必要在這個地方給學(xué)生普及一下“轉(zhuǎn)化”的知識，為后面學(xué)習(xí)基因重組和選修內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

我們知道艾弗里實驗設(shè)計思路非常好，但由于當(dāng)時技術(shù)條件的不足，艾弗里提取出的DNA，純度最高時，仍然混有0.02%的蛋白質(zhì)，所以學(xué)術(shù)界對艾弗里的實驗結(jié)論還是很質(zhì)疑。艾弗里提取出的DNA純度不足違背了他一開始的實驗設(shè)計思路：將S型菌各組分分離提純后與R型菌混合培養(yǎng)，單獨直接地觀察它們的作用。正是因為艾弗里實驗存在不足，才會引入到T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗。但本著鍛煉學(xué)生探索精神的目的，我們可以讓學(xué)生對艾弗里提取的DNA純度不夠做出解決措施。學(xué)生可能會有以下兩種方案：

方案1：將從S型菌中分離并提純出的DNA進(jìn)行加熱處理，在高溫條件下，DNA和蛋白質(zhì)都會變性，當(dāng)溫度回落后，DNA復(fù)性，蛋白質(zhì)活性不恢復(fù)，能夠起到除雜的作用。

方案2：在從S型菌中分離并提純出的DNA中加入蛋白酶處理，蛋白酶可以水解蛋白質(zhì)。

以上兩種方案是我們學(xué)生通過前面所學(xué)知識能夠想到的，這些方案的提出我們需要給予表揚，接著我們讓學(xué)生思考并討論這些方案的可行性。方案2中蛋白酶可以除去蛋白質(zhì)，但在除雜的過程中蛋白酶自身就是雜質(zhì)，所以這種方案不可行。方案1的操作具有可行性，就是學(xué)生剛剛接觸的格里菲思體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗中的第四組實驗。所以學(xué)生能夠想到這個方法說明學(xué)生已經(jīng)學(xué)以致用了。學(xué)生思考到這個地方求知欲已經(jīng)上升到高潮，此時我們再來一句過渡語：到底如何將蛋白質(zhì)和DNA徹底分開單獨研究呢？這一問題將在下面一個實驗：T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗中得以解決，勾起學(xué)生無限的好奇欲。

三、 結(jié)語

以上便是我在《探索遺傳物質(zhì)的過程》這節(jié)課中的一些教學(xué)感想，總的下來便是一句話：授人以魚不如授人以漁。在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)，這便是我們應(yīng)該努力的方向。當(dāng)然，在實際教學(xué)實踐中肯定還存在著諸多不足，但我相信，不斷思考，注意傾聽學(xué)生的聲音，一定可以讓生物課堂開出美麗而嬌艷的花。

參考文獻(xiàn)：

[1]周東美，曲桂玲.《DNA是主要的遺傳物質(zhì)》一課中生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報，2017（7）：74-75.

[2]李珊珊.“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)生物學(xué)，2018，34（9）：7-9.

[3]鐘慧娟.“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一課學(xué)生的思維斷層[J].中學(xué)生物學(xué)，2018（8）：26-27.

作者簡介：

江蘇云，江蘇省南京市，南京市棲霞中學(xué)。