基于學(xué)科核心素養(yǎng)之高中生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐探析
——以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例

（如皋市第一中學(xué) 江蘇南通 226500）

新課標(biāo)、新教材、新高考是近年高中課改的熱詞，伴隨著新教材的全面啟用，標(biāo)志著第八次基礎(chǔ)教育課程改革全面落地生根。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出“著眼于學(xué)生適應(yīng)未來社會發(fā)展和個(gè)人生活的需要，從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，充分體現(xiàn)課程的學(xué)科特點(diǎn)和育人價(jià)值”。如何將高中生物學(xué)的“生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任”四大核心素養(yǎng)落實(shí)在教學(xué)過程中，是一線教師需要思考與研究的。下面結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例，就如何引導(dǎo)學(xué)生在探究“遺傳物質(zhì)是什么”的同時(shí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行了實(shí)踐和探索。

1 高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)概述

《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“以發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，構(gòu)建課程內(nèi)容”。學(xué)科核心素養(yǎng)是第八次基礎(chǔ)教育課程改革的新亮點(diǎn)，是學(xué)科育人價(jià)值的體現(xiàn)。高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是在傳統(tǒng)的“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀”等三維目標(biāo)基礎(chǔ)上整合凝練而來的，是學(xué)生通過生物學(xué)學(xué)習(xí)而逐步發(fā)展起來的，解決面向真實(shí)情境中的實(shí)際問題時(shí)所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力以及正確的價(jià)值觀，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。在實(shí)際教學(xué)過程中，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，教師必須以課程內(nèi)容為載體，全面落實(shí)立德樹人根本任務(wù)為抓手進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。學(xué)生在課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中通過觀察真實(shí)世界中的生命現(xiàn)象進(jìn)行生命規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、質(zhì)疑以及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施等，理解并解釋生物學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和科學(xué)史實(shí)，以達(dá)到探究生命活動規(guī)律，解決實(shí)際問題的目標(biāo)。學(xué)生在探究生命規(guī)律過程中，逐步形成尊重事實(shí)和證據(jù)、崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度；在解決真實(shí)問題的過程中，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識與創(chuàng)新思維的能力；在參與個(gè)人與社會事務(wù)的討論中，形成正確的生命觀念等。

2 基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐探析

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”是普通高中生物新教材必修2模塊“基因的本質(zhì)”一章的第一節(jié)，該節(jié)是在前面“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”“基因和染色體的關(guān)系”基礎(chǔ)上基于科學(xué)探究的歷程展開，是后續(xù)有關(guān)“基因本質(zhì)”進(jìn)一步學(xué)習(xí)探究的基礎(chǔ)。

2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路分析

新教材中“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)以“遺傳物質(zhì)是什么”為探究主線，真實(shí)呈現(xiàn)了這段科學(xué)史的探究歷程：格里菲思的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、艾弗里的肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、赫爾?！趟沟氖删w侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)。新教材以上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)為主線，真實(shí)還原了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“DNA是遺傳物質(zhì)”的歷程，最后通過歸納比較的方式呈現(xiàn)了“RNA病毒的遺傳物質(zhì)是RNA”這一科學(xué)史實(shí)，從而引導(dǎo)學(xué)生歸納出“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的觀念。具體教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

2.2 教學(xué)過程分析

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入學(xué)習(xí)

教師播放“遺傳物質(zhì)的探究歷程”記錄片導(dǎo)入新課，呈現(xiàn)早期科學(xué)家們對遺傳物質(zhì)推測的過程，創(chuàng)設(shè)情境，提出問題：遺傳物質(zhì)可能是什么？

學(xué)生觀看視頻，思考問題。

教學(xué)設(shè)計(jì)意圖：教師通過視頻創(chuàng)設(shè)探究遺傳物質(zhì)的情境導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生對“遺傳物質(zhì)是什么”的探究欲望，引導(dǎo)學(xué)生對遺傳物質(zhì)是什么進(jìn)行探究，形成尊重事實(shí)和證據(jù)、崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度。

2.2.2 項(xiàng)目任務(wù)1——分析格里菲思的細(xì)菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和艾弗里的細(xì)菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

教師展示格里菲思所做的肺炎鏈球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)示意圖（圖2）和艾弗里所做的肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)示意圖（圖3），要求學(xué)生仔細(xì)觀察兩圖，分析實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，回答下列問題：實(shí)驗(yàn)①、②對比說明什么？實(shí)驗(yàn)②、③對比說明什么？實(shí)驗(yàn)②～④對比說明什么？

圖2 格里菲思的細(xì)菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

圖3 艾弗里的細(xì)菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

學(xué)生回答：實(shí)驗(yàn)①、②對比說明R型菌無毒、S型菌有毒；實(shí)驗(yàn)②、③對比說明加熱殺死S型菌無毒；實(shí)驗(yàn)②～④對比說明加熱殺死S型菌能使部分R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。

教師歸納：根據(jù)此實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，S型菌中含有一種“轉(zhuǎn)化因子”使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。

教師繼續(xù)追問：艾弗里的細(xì)菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)在格里菲思的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，請簡述他的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)圖3中的第五組實(shí)驗(yàn)的目的是什么？

學(xué)生總結(jié)，得出：艾弗里的細(xì)菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路：對S型菌中的物質(zhì)（多糖、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA等）進(jìn)行提取、分離，分別單獨(dú)觀察各種物質(zhì)對細(xì)菌的轉(zhuǎn)化作用。圖3中的第五組實(shí)驗(yàn)的目的與第一組中“提取物DNA和R型菌混合培養(yǎng)”進(jìn)行對照，進(jìn)一步證明“轉(zhuǎn)化因子”是DNA。

教師引導(dǎo)學(xué)生歸納，得出：DNA是使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌的“轉(zhuǎn)化因子”，即DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是。并提出問題：艾弗里的實(shí)驗(yàn)遭到當(dāng)時(shí)部分科學(xué)家的質(zhì)疑，原因是其提取的DNA中有少量蛋白質(zhì)雜質(zhì)。如果你是當(dāng)時(shí)的科學(xué)家如何進(jìn)一步進(jìn)行探究呢？

教學(xué)設(shè)計(jì)意圖：教師以圖片的形式呈現(xiàn)格里菲思和艾弗里的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理及設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)學(xué)生分析問題以及設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)的能力。接著，教師通過關(guān)于艾弗里實(shí)驗(yàn)的問題進(jìn)行過渡。此過渡問題無需學(xué)生此刻作答，學(xué)生帶著這一問題繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的探究，激發(fā)了求知欲望。此過程旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究以及生命觀念等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.2.3 項(xiàng)目任務(wù)2——分析赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)

教師展示用32P標(biāo)記的T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)示意圖（圖4），要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程，回答下列問題：錐形瓶中的培養(yǎng)液是用來培養(yǎng)噬菌體還是大腸桿菌？其營養(yǎng)成分中是否含有32P？32P標(biāo)記的是T2噬菌體的什么物質(zhì)？能否用培養(yǎng)液直接培養(yǎng)得到含放射性標(biāo)記的噬菌體，為什么？

圖4 噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)示意圖

學(xué)生回答：錐形瓶中的培養(yǎng)液是用來培養(yǎng)大腸桿菌，其營養(yǎng)成分中不含有32P。32P標(biāo)記的是T2噬菌體DNA，不能用培養(yǎng)液直接培養(yǎng)得到含放射性標(biāo)記的噬菌體，原因是噬菌體是一種DNA病毒，只能寄生于活細(xì)胞，不能通過培養(yǎng)液培養(yǎng)。

教師追問：用32P標(biāo)記進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)時(shí)，離心后放射性同位素主要分布在試管中的上清液還是沉淀物中？若測定發(fā)現(xiàn)在攪拌離心后的上清液中含有一定的放射性，其可能原因是什么？

學(xué)生回答：用32P標(biāo)記進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)時(shí)，離心后放射性同位素主要分布在試管中的沉淀物中。若測定發(fā)現(xiàn)在攪拌離心后的上清液中含有一定的放射性，其可能原因是兩個(gè)方面：①培養(yǎng)時(shí)間過短，部分噬菌體未能進(jìn)入大腸桿菌，離心后放射性同位素位于上清液；②培養(yǎng)時(shí)間過長，噬菌體侵染大腸桿菌后，大腸桿菌裂解死亡釋放出放射性同位素標(biāo)記的32P，故上清液中會出現(xiàn)一定的放射性。

教師繼續(xù)追問，引導(dǎo)學(xué)生自主思考：赫爾?！趟沟氖删w侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)除了上述32P標(biāo)記外，還用放射性同位素35S標(biāo)記噬菌體的什么物質(zhì)？經(jīng)過攪拌、離心培養(yǎng)后放射性同位素主要分布在試管中的上清液還是沉淀物中？此時(shí)，若測定發(fā)現(xiàn)沉淀物中含有一定的放射性，可能的原因是什么？

學(xué)生小組討論后，歸納得出：放射性同位素35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)，經(jīng)過攪拌、離心培養(yǎng)后放射性同位素主要分布在試管中的上清液中。此時(shí)，若測定發(fā)現(xiàn)沉淀物中含有一定的放射性，可能的原因是攪拌不充分，有部分35S的噬菌體蛋白質(zhì)外殼吸附在細(xì)菌表面隨細(xì)菌離心到沉淀物中。

教師提出問題：該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裼?5N來標(biāo)記噬菌體的DNA，為什么？學(xué)生回答：不能，赫爾希和蔡斯的設(shè)計(jì)思路就是設(shè)法將噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)區(qū)分開單獨(dú)研究，而15N在DNA和蛋白質(zhì)中均有分布，同樣C、H、O等同位素標(biāo)記在此實(shí)驗(yàn)中也不能使用。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納：赫爾希和蔡斯通過噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)，得出DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。是不是所有生物都以DNA作為遺傳物質(zhì)？

教學(xué)設(shè)計(jì)意圖：教師以資料的形式呈現(xiàn)赫爾希-蔡斯的噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理及設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)學(xué)生分析問題以及設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)的能力。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生自主分析32P和35S區(qū)分標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)，分別研究離心后的放射性同位素的分布位置以及其他位置出現(xiàn)少量放射性的原因，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。最后，教師通過“是不是所有生物都以DNA作為遺傳物質(zhì)？”這一過渡性設(shè)問，讓學(xué)生帶著這一問題繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的探究。此過程旨在培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)的方法進(jìn)行科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)，形成尊重事實(shí)和證據(jù)、崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度以及質(zhì)疑精神。

2.2.4 項(xiàng)目任務(wù)3——分析車前草病毒和煙草花葉病毒的分離與重組實(shí)驗(yàn)

教師展示資料：車前草病毒（HRV）和煙草花葉病毒（TMV）都沒有DNA，但是它們含有RNA。它們感染植物后導(dǎo)致癥狀不同。將病毒的RNA和蛋白質(zhì)分離，使其單獨(dú)感染植物。然后，將不同病毒的RNA與蛋白質(zhì)之間重新組合形成“雜種”病毒，再感染植物（圖5）。并提出問題：（1）圖a、圖b表現(xiàn)癥狀不同，其根本原因是什么？（2）請?jiān)趫D中直接畫出葉片①、葉片②、葉片③表現(xiàn)出的感染癥狀。（3）從感染實(shí)驗(yàn)可知，起作用的是什么？本實(shí)驗(yàn)證明了什么？

圖5 車前草病毒（HRV）和煙草花葉病毒（TMV）感染植物實(shí)驗(yàn)

學(xué)生自主分析后，小組討論交流。教師引導(dǎo)學(xué)生歸納，得出結(jié)論：圖a、圖b表現(xiàn)癥狀不同，其根本原因是兩者具有不同的RNA。從感染實(shí)驗(yàn)可知，起作用的是RNA。本實(shí)驗(yàn)證明了RNA是遺傳物質(zhì)。教師追問：有些生物以DNA作為遺傳物質(zhì)，有些生物以RNA作為遺傳物質(zhì)，到底生物的遺傳物質(zhì)是什么呢？學(xué)生回答：絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，少數(shù)RNA病毒的遺傳物質(zhì)是RNA，所以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。

教學(xué)設(shè)計(jì)意圖：教師以資料的形式呈現(xiàn)車前草病毒和煙草花葉病毒的分離與重組實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生歸納部分沒有DNA的生物以RNA作為遺傳物質(zhì)的科學(xué)事實(shí)，歸納出“RNA也可以作為遺傳物質(zhì)”這一結(jié)論。最后，教師與學(xué)生一起歸納，促進(jìn)學(xué)生形成“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一觀念。此過程旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)，并通過分析科學(xué)現(xiàn)象歸納生命科學(xué)規(guī)律，形成科學(xué)的生命觀念。

3 結(jié)束語

生物學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域中的一門基礎(chǔ)學(xué)科，是研究生命現(xiàn)象以及生命活動規(guī)律的科學(xué)。生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)的過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程，通過探究性學(xué)習(xí)活動或工程學(xué)任務(wù)，加深學(xué)生對生物學(xué)“大概念”的理解，提升應(yīng)用知識的能力。學(xué)生通過分析科學(xué)史資料、小組合作探究以及自主歸納總結(jié)等方式層層推進(jìn)，有助于習(xí)得科學(xué)方法、提高科學(xué)思維能力、感悟科學(xué)精神，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生“生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究”等學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，助推了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。