生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)在科學(xué)思維培養(yǎng)中的應(yīng)用

廣東中山市第一中學(xué)（528403）王孟雨

“科學(xué)思維”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中對(duì)“科學(xué)思維”的定義是：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，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力［1］。生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作中，由于條件限制，有時(shí)不能直接對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究，此時(shí)就需要借助合適的替代物來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文結(jié)合幾個(gè)高中生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，闡述如何應(yīng)用生物學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，為生物學(xué)一線教師提供參考與借鑒。

一、化抽象為具體，讓學(xué)生通過直觀體驗(yàn)理解和建構(gòu)知識(shí)

人教版教材選擇性必修3第3章“基因工程”的內(nèi)容比較抽象，比如構(gòu)建基因表達(dá)載體的過程中常選擇雙酶切而不是單酶切，如果學(xué)生只是通過想象，是很難理解其原因的。如果教師設(shè)計(jì)并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，就可以化抽象為具體，讓學(xué)生通過直觀體驗(yàn)理解和建構(gòu)知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)材料：A4 紙，剪刀（代表限制酶），透明膠條（代表DNA連接酶）。

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）教師先選擇2種限制酶（EcoRⅠ和SmaⅠ），并根據(jù)這兩種酶的識(shí)別序列，設(shè)計(jì)如下目的基因的部分DNA 序列和質(zhì)粒序列，并打印在A4 紙上做成紙帶。

（2）學(xué)生拿出“單酶切的質(zhì)?！奔垘?，將“質(zhì)?！笔÷蕴?hào)處首尾相連，完成“質(zhì)?！敝谱?；用剪刀模擬限制酶（EcoRⅠ）在“單酶切的基因”和“單酶切的質(zhì)粒”特定位點(diǎn)分別對(duì)運(yùn)載體和目的基因進(jìn)行切割；將切取的目的基因取出，用透明膠條模擬DNA連接酶實(shí)現(xiàn)目的基因轉(zhuǎn)移到質(zhì)粒上。

（3）學(xué)生拿出“雙酶切的質(zhì)粒”紙帶，將“質(zhì)?！笔÷蕴?hào)處首尾相連，完成“質(zhì)粒”制作；用剪刀模擬限制酶（EcoRⅠ和SmaⅠ）在“雙酶切的基因”和“雙酶切的質(zhì)粒”特定位點(diǎn)分別對(duì)運(yùn)載體和目的基因進(jìn)行切割；將切取的目的基因取出，用透明膠條模擬DNA連接酶實(shí)現(xiàn)目的基因轉(zhuǎn)移到質(zhì)粒上。

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）用同種限制酶切割目的基因與運(yùn)載體的目的是什么？

（2）如果最多考慮2 個(gè)DNA 片段在DNA 連接酶作用下相連，單酶切和雙酶切會(huì)有幾種結(jié)果？哪一種連接方式是我們需要的？（注意基因是有方向的）

（3）選擇雙酶切的優(yōu)點(diǎn)是什么？

“基因工程”內(nèi)容比較抽象，因此本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要由教師完成，學(xué)生進(jìn)行具體的實(shí)踐操作。學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)操作，構(gòu)建了基因表達(dá)載體的物理模型，直觀體驗(yàn)了基因工程操作的核心步驟。在知識(shí)建構(gòu)上，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了目的基因和運(yùn)載體可以出現(xiàn)自身環(huán)化或反向連接等多種可能，而選用雙酶切的方法，可以減少這些可能情況的出現(xiàn)。

二、在生活中尋找材料，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和批判性思維

（一）“性狀分離比”模擬實(shí)驗(yàn)

人教版教材必修2 中是用小桶和彩球來模擬一對(duì)相對(duì)性狀的性狀分離比實(shí)驗(yàn)的，而北師大版和蘇教版教材中則使用黑白圍棋子和圍棋罐來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這些實(shí)驗(yàn)材料都不難獲得。在教學(xué)過程中，教師還可以尋找更為便利的實(shí)驗(yàn)材料，如用2種顏色的粉筆頭分別模擬2 種配子，用2 個(gè)紙杯分別模擬雌雄生殖器官。具體模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓學(xué)生同桌一組，每人從紙杯內(nèi)隨機(jī)抓取1 個(gè)粉筆頭，放在一起，表示雌雄配子隨機(jī)結(jié)合形成的受精卵。每次做好記錄后，再把粉筆頭放回原來的紙杯內(nèi)并混合均勻，同樣的操作重復(fù)10次。最后統(tǒng)計(jì)全班學(xué)生的數(shù)據(jù)，計(jì)算性狀分離比和遺傳因子組成比。

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）兩個(gè)紙杯中的粉筆頭總數(shù)要不要相等？每個(gè)紙杯中的粉筆頭數(shù)量要不要相等？（2）每次抓取粉筆頭為什么要放回，不放回會(huì)怎樣？（3）將本小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與全班所有小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，你有什么發(fā)現(xiàn)？（4）模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與一對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比，你認(rèn)為孟德爾的假說是否合理？

本實(shí)驗(yàn)基于孟德爾實(shí)驗(yàn)事實(shí)，采用模型構(gòu)建的科學(xué)思維方法，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，最終使學(xué)生理解孟德爾實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的“假說—演繹法”這一科學(xué)方法的精髓。在實(shí)驗(yàn)材料的選擇和實(shí)驗(yàn)的具體操作過程中，學(xué)生要思考如何滿足科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性原則等問題，這不僅能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，發(fā)展學(xué)生的批判性思維，還能很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（二）“自然選擇”模擬實(shí)驗(yàn)

達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說對(duì)生物的適應(yīng)性的形成做出了合理的解釋。達(dá)爾文認(rèn)為，通過自然選擇，種群中擁有強(qiáng)適應(yīng)性性狀的個(gè)體會(huì)隨著時(shí)間的推移數(shù)量增加［2］。人教版教材必修2中只是安排了一個(gè)“運(yùn)用自然選擇學(xué)說解釋適應(yīng)的形成”這一“思考·討論”的欄目，并沒有具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。那么能不能模擬“自然選擇”來開展實(shí)驗(yàn)?zāi)兀看鸢甘强隙ǖ摹?/p>

實(shí)驗(yàn)材料：大號(hào)珠子，中號(hào)珠子，小號(hào)珠子，鑷子，鉗子，盤子，計(jì)時(shí)器。

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）讓甲、乙、丙同學(xué)3 人一組，甲同學(xué)用鑷子來表示捕食者種群中的一個(gè)成年個(gè)體，乙同學(xué)用鉗子來表示捕食者種群中的另一個(gè)成年個(gè)體，丙同學(xué)計(jì)時(shí)。

（2）把3種珠子（被捕食者）混合放在盤子里。

（3）計(jì)時(shí)20 秒，甲、乙同學(xué)嘗試用鑷子和鉗子夾起所有能夾起來的珠子。

（4）每一顆大珠記3 分，中珠記2 分，小珠記1分，把各自的分?jǐn)?shù)加起來。

（5）按照“維持生存需要18分，產(chǎn)生一個(gè)后代額外需要10分”這一標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)幸存者和后代的數(shù)量。

（6）重復(fù)以上操作10 次，匯總小組數(shù)據(jù)和班級(jí)數(shù)據(jù)［2］。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）鑷子和鉗子代表捕食者種群中的成年個(gè)體，如果除去所有的成年個(gè)體，種群將怎樣變化？（2）哪一種成年個(gè)體（鑷子或鉗子）能更好地適應(yīng)環(huán)境，產(chǎn)生更多后代？（3）被捕食者（珠子）如何隨著捕食者種群的變化而變化？

本實(shí)驗(yàn)基于生物群落中的捕食關(guān)系，讓學(xué)生分小組進(jìn)行限時(shí)捕食操作（夾取珠子），再把更多的小組數(shù)據(jù)匯總，這就相當(dāng)于延長(zhǎng)了“生存斗爭(zhēng)”的時(shí)間，讓學(xué)生看到“適者生存”的結(jié)果。因教材中沒有該模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生要發(fā)揮創(chuàng)造性思維和批判性思維，逐步設(shè)計(jì)和完善實(shí)驗(yàn)過程，這是對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的高階培養(yǎng)。

三、巧用實(shí)驗(yàn)儀器，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件，遷移運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法

“酵母菌的純培養(yǎng)”是人教版教材選擇性必修3 第1 章第2 節(jié)“微生物的培養(yǎng)技術(shù)及應(yīng)用”中“探究·實(shí)踐”欄目的內(nèi)容。學(xué)生應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室完成該實(shí)驗(yàn)的具體操作，掌握倒平板、分離純化酵母菌等微生物培養(yǎng)技術(shù)，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足以及實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)等原因，不少學(xué)校未能開展該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能通過死記硬背來完成對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟的掌握。為了解決這一問題，筆者嘗試把實(shí)驗(yàn)室有限的實(shí)驗(yàn)儀器利用起來，簡(jiǎn)化常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作所需的條件，將倒平板、平板劃線等實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)改為模擬實(shí)驗(yàn)操作，這樣學(xué)生就能夠在模擬實(shí)驗(yàn)的操作過程中領(lǐng)悟微生物培養(yǎng)技術(shù)的精確要求，更加直觀地理解實(shí)驗(yàn)的原理和方法。

實(shí)驗(yàn)材料：玻璃培養(yǎng)皿30 套，培養(yǎng)皿大小的圓形紙片60 張，瓊脂糖，金屬接種環(huán)，一次性塑料接種環(huán)（10 μL）60 支，錐形瓶，酒精燈，玻璃棒，涂布棒，微波爐，藍(lán)色和紅色墨水。

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）倒平板。教師把瓊脂糖溶解后用微波爐加熱（省略滅菌操作），制作簡(jiǎn)單的瓊脂糖平板代替酵母菌的平板培養(yǎng)基，由2 名學(xué)生到講臺(tái)上演示倒平板操作。

（2）接種和分離。方法一：平板劃線法。教師分發(fā)事先準(zhǔn)備好的瓊脂糖平板和一次性塑料接種環(huán)，學(xué)生蘸取“菌液”（紅色或藍(lán)色墨水），嘗試在平板上劃線，再用筆在圓紙片上畫出接種環(huán)劃線的路徑。方法二：稀釋涂布平板法。由2 名學(xué)生到講臺(tái)上演示稀釋涂布平板操作。

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）倒平板操作的步驟有哪些？哪一步體現(xiàn)了無菌操作？（2）平板冷凝后，為什么要將平板倒置？（3）為什么在操作的第一步、每次劃線之前和劃線操作結(jié)束后都要灼燒接種環(huán)？（4）為什么在做第二次以及其后的劃線操作時(shí)，總是從上一次劃線的末端開始？（5）結(jié)合學(xué)過的實(shí)驗(yàn)，有沒有將微生物分散到培養(yǎng)基表面的其他方法？（6）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將10 mL菌液稀釋10 倍、102倍、103倍、104倍、105倍、106倍，說出實(shí)驗(yàn)思路。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，省略了高壓蒸汽滅菌等操作，目的是讓學(xué)生在一節(jié)課內(nèi)掌握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)操作技能。在引入稀釋涂布平板法時(shí)，讓學(xué)生結(jié)合學(xué)過的實(shí)驗(yàn)技術(shù)說出梯度稀釋的操作步驟，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)技能的遷移運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)剩余的空平板可以放在教室內(nèi)，以便于學(xué)生用來觀察微生物菌落的特征。

四、運(yùn)用生物信息學(xué)軟件創(chuàng)設(shè)模擬實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力

對(duì)于“基因突變和基因重組”一節(jié)，教材引用了“鐮狀細(xì)胞貧血”這一實(shí)例?；颊哐t蛋白分子的肽鏈上發(fā)生了氨基酸的替換，谷氨酸被纈氨酸替換了，其根本原因是基因中堿基對(duì)發(fā)生替換。學(xué)生可以查閱密碼子表了解該實(shí)例中基因和氨基酸序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在教學(xué)中，如果要探究基因中堿基對(duì)的缺失和增添對(duì)氨基酸序列的影響，用查閱密碼子表的方法需要花費(fèi)更多的時(shí)間，會(huì)影響教學(xué)任務(wù)的完成。對(duì)此，筆者提出了“基因堿基對(duì)的缺失或增添對(duì)氨基酸序列的影響較大”這一假說，讓學(xué)生借助生物信息學(xué)軟件Gene Runner（基因序列分析軟件）來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，利用軟件中的數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察結(jié)果，進(jìn)而得出結(jié)論。

教師可提供如下血紅蛋白部分基因序列：—GTTCACCTAACGCCCGAGGAAAAG—。學(xué)生把該序列輸入到生物信息學(xué)軟件Gene Runner 中，分析得出對(duì)應(yīng)的氨基酸序列，然后刪除該序列中的某一個(gè)堿基對(duì)，分析、觀察堿基對(duì)的缺失對(duì)氨基酸序列的影響；學(xué)生也可以在以上序列中增添一個(gè)堿基對(duì)，分析、觀察堿基對(duì)的增添對(duì)氨基酸序列的影響。圖1 為某學(xué)生運(yùn)用生物信息學(xué)軟件Gene Runner 展示該模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖1 學(xué)生運(yùn)用Gene Runner軟件進(jìn)行序列分析的結(jié)果

學(xué)生操作計(jì)算機(jī)，對(duì)堿基對(duì)進(jìn)行刪除或增添，觀察結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：堿基對(duì)的缺失（增添）不影響缺失（增添）位置前的序列，影響缺失（增添）位置后的序列。因此，基因堿基對(duì)的缺失或增添對(duì)氨基酸序列的影響較大。在該模擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以直觀地觀察到基因突變對(duì)氨基酸序列的影響。

綜上，高中生物學(xué)教材中編排的模擬實(shí)驗(yàn)都很經(jīng)典，教師在教學(xué)中應(yīng)盡量安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)材料的選擇、實(shí)驗(yàn)操作的過程以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析，不僅突破了學(xué)習(xí)難點(diǎn)，還增強(qiáng)了科學(xué)探究能力。此外，教師還可以啟發(fā)學(xué)生依據(jù)教材內(nèi)容自主設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力求做到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的原理、本質(zhì)相同，實(shí)驗(yàn)過程要易于理解和操作。通過這樣的模擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生不僅學(xué)到了科學(xué)知識(shí)，還培養(yǎng)了模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維，提升了問題解決能力和科學(xué)探究能力，發(fā)展了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。