利用生命科學(xué)史培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)實(shí)踐
——以“DNA是主要遺傳物質(zhì)的探索”為例

重慶市綦江中學(xué) 莫良華

重慶市綦江區(qū)教育科學(xué)研究所 肖廷忠

北京市昌平區(qū)第一中學(xué) 周有祥

一、教學(xué)背景分析

（一）課標(biāo)分析

本節(jié)課內(nèi)容屬于模塊2大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，對應(yīng)的重要概念為“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”，次位概念為“概述多數(shù)生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上”。

（二）教材分析

“DNA是主要遺傳物質(zhì)的探索”是北師大版高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》第1章“遺傳信息的分子基礎(chǔ)”的第一節(jié)內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)建立在學(xué)生學(xué)習(xí)了有絲分裂、染色體的主要成分是DNA和蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)之上。在未證實(shí)DNA是主要遺傳物質(zhì)之前相當(dāng)長的時(shí)間里，人們一直把蛋白質(zhì)作為遺傳物質(zhì)，那么，如何證實(shí)遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)呢？教材在此埋下伏筆，并闡述了20世紀(jì)早期人們對遺傳物質(zhì)的推測。然后教師通過“肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”以及“煙草花葉病毒的重建實(shí)驗(yàn)”，引導(dǎo)學(xué)生重溫科學(xué)家的探究歷程，領(lǐng)悟科學(xué)研究的過程和方法，最終得出科學(xué)的結(jié)論。本節(jié)內(nèi)容較多，計(jì)劃2課時(shí)完成。

（三）學(xué)情分析

學(xué)生通過必修1的學(xué)習(xí)，對核酸的結(jié)構(gòu)和功能有了初步認(rèn)識(shí)，具備一定的提出假說、進(jìn)行推理的能力，能初步基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和推斷結(jié)論。但對遺傳物質(zhì)在生物性狀的控制、親子代的傳遞、遺傳變異中的作用等方面還有待進(jìn)一步明晰，思維方式和邏輯推理能力還有待改進(jìn)和提高。學(xué)生通過對本節(jié)內(nèi)容中生命科學(xué)史的學(xué)習(xí)，四個(gè)層面的學(xué)科核心素養(yǎng)都能得到不同程度的發(fā)展，尤其是通過回顧科學(xué)家科學(xué)探究的過程能很好地培育科學(xué)思維素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

（一）教學(xué)目標(biāo)

（1）通過回顧基于遺傳物質(zhì)的探索科學(xué)史，進(jìn)一步形成生命的物質(zhì)觀。

（2）通過基于遺傳物質(zhì)探索實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和研究方法的學(xué)習(xí)，能運(yùn)用概括、不完全歸納、假說演繹等科學(xué)思維方法闡述遺傳物質(zhì)的科學(xué)探究過程。

（3）通過學(xué)習(xí)遺傳物質(zhì)的特點(diǎn)，能對流感病毒變異、疫苗研制和生產(chǎn)等社會(huì)熱點(diǎn)問題、科技前沿問題進(jìn)行理性討論和分析。

（二）教學(xué)重難點(diǎn)

基于遺傳物質(zhì)探索實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和研究方法的學(xué)習(xí)，說明自變量控制中的“加法原理和減法原理”。運(yùn)用概括、不完全歸納、假說演繹等科學(xué)思維方法闡明遺傳物質(zhì)的科學(xué)探究過程。

三、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)思考

教師結(jié)合生物遺傳現(xiàn)象“種瓜得瓜，種豆得豆”，提出問題——遺傳物質(zhì)應(yīng)該具備哪些特點(diǎn)？

學(xué)生通過查找資料、參考生活經(jīng)驗(yàn)以及思考與交流，總結(jié)遺傳物質(zhì)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：①分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，儲(chǔ)存遺傳信息；②可以自我復(fù)制，使生物體前后代保持一定的連續(xù)性；③能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成；④能產(chǎn)生可遺傳的變異。

設(shè)計(jì)意圖：利用俗語讓學(xué)生了解遺傳這一生物學(xué)現(xiàn)象自古以來就引發(fā)人們的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生對遺傳現(xiàn)象背后遺傳本質(zhì)的探究欲望——遺傳物質(zhì)是什么？遺傳物質(zhì)應(yīng)該具備什么樣的特點(diǎn)？遺傳的規(guī)律是什么？其中，遺傳物質(zhì)具備的特點(diǎn)恰恰是遺傳物質(zhì)探索過程所運(yùn)用的“必要條件”。

（二）格里菲斯“體內(nèi)轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)

教師介紹格里菲斯實(shí)驗(yàn)——將加熱殺死的S型菌與R型活菌注射入小鼠體內(nèi)，小鼠死亡，而且從死亡小鼠體內(nèi)分離出S型活菌。提出問題：你認(rèn)為小鼠死亡的原因是什么？（哪種菌造成了小鼠的死亡？）欲證明你的想法，還需要補(bǔ)充哪些實(shí)驗(yàn)？

學(xué)生提出多種假設(shè)：①加熱殺死的S型菌造成了小鼠的死亡；②R型活菌造成了小鼠的死亡；③S型活菌造成了小鼠的死亡。并提出對應(yīng)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)：①給小鼠注射加熱殺死的S型菌；②給小鼠注射R型活菌；③給小鼠注射S型活菌。

教師給出三組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：①給小鼠注射加熱殺死的S型菌，小鼠正常；②給小鼠注射R型活菌，小鼠正常；③給小鼠注射S型活菌，小鼠死亡。并追問：你現(xiàn)在認(rèn)為小鼠死亡的原因是什么？為什么實(shí)驗(yàn)中死亡小鼠體內(nèi)會(huì)有S型活菌？

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出判斷：小鼠的死亡是由S型菌造成的，進(jìn)一步推測加熱殺死的S型菌雖然不能造成小鼠死亡，但可以讓R型活菌轉(zhuǎn)化為S型菌，從而造成小鼠死亡。

設(shè)計(jì)意圖：在科學(xué)探究活動(dòng)中融入科學(xué)思維過程，充分假設(shè)使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更加嚴(yán)密；基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推測，引入分子水平的探究。

（三）艾弗里“體外轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)

教師提問：在格里菲斯實(shí)驗(yàn)中使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌的“轉(zhuǎn)化因子”究竟是哪種物質(zhì)？該如何證明？

學(xué)生回答：將組成S型肺炎鏈球菌的各種物質(zhì)提取出來，分別與R型菌混合培養(yǎng)，觀察究竟是哪種物質(zhì)引起了轉(zhuǎn)化。

教師繼續(xù)追問，在當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)條件下，很難對每一種物質(zhì)進(jìn)行分離提純，又該如何操作呢？如果不能分離提純每一種物質(zhì)，那么能不能想辦法去掉某種物質(zhì)？或者專一性地去掉某種物質(zhì)？

學(xué)生聯(lián)想到必修1中學(xué)習(xí)的“酶具有專一性”。蛋白酶能專一性地分解蛋白質(zhì)，DNA酶能特異性地分解DNA分子，以此類推，用某種酶將S型菌的某種物質(zhì)特異性地去掉后，再與R型菌混合，看能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，以此來確定“轉(zhuǎn)化因子”究竟是哪種物質(zhì)。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在S型肺炎鏈球菌培養(yǎng)物中，蛋白酶把蛋白質(zhì)、RNA酶把RNA特異性分解后，R型肺炎鏈球菌依然發(fā)生轉(zhuǎn)化，而DNA酶特異性把S型肺炎鏈球菌培養(yǎng)物中的DNA分解后，R型肺炎鏈球菌卻不能發(fā)生轉(zhuǎn)化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：使R型菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的是S型菌的DNA分子。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生遵循單因子變量原則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合酶具有專一性的特點(diǎn)，專一性地去掉某種物質(zhì)（即“減法原理”）。學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過程中進(jìn)一步深挖“轉(zhuǎn)化因子”的本質(zhì)，深刻體會(huì)并理解遺傳物質(zhì)具有保持生物親子代性狀的連續(xù)性。教師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究中反復(fù)訓(xùn)練以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（四）噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶病毒的結(jié)構(gòu)和生活特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)噬菌體。隨后提出問題：噬菌體的遺傳物質(zhì)也是DNA嗎？

學(xué)生根據(jù)噬菌體的結(jié)構(gòu)，推測噬菌體的遺傳物質(zhì)也應(yīng)該是DNA。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析文字資料，并提問：若想得到35S標(biāo)記的噬菌體或32P標(biāo)記的噬菌體，應(yīng)如何操作，請簡要繪制技術(shù)路線圖。

學(xué)生根據(jù)病毒不能獨(dú)立生活，判斷不能直接在培養(yǎng)基上培養(yǎng)病毒。噬菌體需要在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)寄生，故需要將大腸桿菌標(biāo)記上35S或32P，可以在含35S或32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)進(jìn)而得到相應(yīng)被標(biāo)記的大腸桿菌。

教師繼續(xù)提問，赫爾希與蔡斯采用了哪些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？再結(jié)合艾弗里的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對認(rèn)識(shí)科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系有什么啟示？

學(xué)生通過獨(dú)立思考，小組交流匯總：赫爾希與蔡斯采用了同位素標(biāo)記法、離心等技術(shù)?；仡櫩茖W(xué)家的探究歷程，不難發(fā)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為生物學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步也起到了促進(jìn)作用。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到一個(gè)正確的結(jié)論可以通過不同的途徑獲得，人類對遺傳物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是不斷深化和完善的過程，科學(xué)的發(fā)展離不開相關(guān)技術(shù)的支持。

四、教學(xué)反思

利用生命科學(xué)史發(fā)展科學(xué)思維，是一個(gè)需要長期培養(yǎng)和發(fā)展的過程，是一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步升華的發(fā)展過程，需要廣大教師在教學(xué)中大力推廣和實(shí)踐。