基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

田婷婷

摘要 以“噬菌體侵染細(xì)菌”的實(shí)驗(yàn)為例，基于智慧課堂的探究式教學(xué)模式主要通過問題引導(dǎo)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究活動，實(shí)時(shí)展示學(xué)生小組合作，并利用教具模擬噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)探究過程。此外，教師通過引導(dǎo)學(xué)生對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，歸納實(shí)驗(yàn)成功的設(shè)計(jì)思路與方法，并加以運(yùn)用，以提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞? 智慧課堂科學(xué)探究模擬實(shí)驗(yàn)遺傳物質(zhì)

中圖分類號 G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0055-03

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“噬菌體侵染細(xì)菌”是人教版高中生物學(xué)教材《必修2·遺傳與進(jìn)化》第三章第一節(jié)“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”第2課時(shí)的內(nèi)容，主要包括噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)、探究煙草花葉病毒遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)等，該內(nèi)容在學(xué)生學(xué)習(xí)肺炎鏈球菌的體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上展開，對DNA是主要遺傳物質(zhì)進(jìn)行了深入的探究。

本節(jié)課的教學(xué)依照“設(shè)疑導(dǎo)入-問題引導(dǎo)呈現(xiàn)探究過程-小組合作使用教具模擬噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過程-討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果-歸納總結(jié)-反饋運(yùn)用”的教學(xué)程序，通過三個(gè)小組合作的探究活動，借助平板實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，創(chuàng)造輕松愉悅、積極主動的課堂氛圍。在本節(jié)課中，教師強(qiáng)調(diào)生物科學(xué)史和科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在獲取生物知識的同時(shí)，體驗(yàn)科學(xué)探索的過程，領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法，加深對DNA 是主要遺傳物質(zhì)的理解，從而提升了學(xué)生的科學(xué)思維以及科學(xué)探究能力，有利于發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過推送與噬菌體相關(guān)的視頻、圖片，學(xué)生了解噬菌體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、寄生方式、培養(yǎng)方法等，更好地理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，認(rèn)識到生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究過程中選材的重要性。

（2）利用自制教具模擬噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生小組合作探討實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)問題，鍛煉交流合作討論和動手實(shí)踐能力，提升科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)分析能力。

（3）通過一系列問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考討論，學(xué)生總結(jié)并運(yùn)用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究思路和方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問題，逐步養(yǎng)成科學(xué)探究的態(tài)度、方法和思維，提升科學(xué)探究能力，意識到正確運(yùn)用科學(xué)研究方法的重要性。

（4）通過重溫科學(xué)家的探索歷程，學(xué)習(xí)科學(xué)家堅(jiān)持不懈的科研精神，學(xué)生意識到科學(xué)發(fā)展需要幾代科學(xué)家持續(xù)的探索，人類對遺傳物質(zhì)的認(rèn)識是不斷深化，不斷完善的過程，總結(jié)實(shí)驗(yàn)中所運(yùn)用的技術(shù)手段，了解實(shí)驗(yàn)技術(shù)在探究 DNA 是主要遺傳物質(zhì)過程中的重要作用。

3 教學(xué)過程

3.1溫故知新，設(shè)疑導(dǎo)入

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)問題，指出艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不被認(rèn)可的原因，激發(fā)學(xué)生思考：是否有更好的實(shí)驗(yàn)方法和材料來證明 DNA是遺傳物質(zhì)？

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生的疑問，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)探究的過程中充滿各種挑戰(zhàn)，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)需要勇于突破傳統(tǒng)。

3.2問題引導(dǎo)，呈現(xiàn)探究

3.2.1噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)

教師展示噬菌體與大腸桿菌的圖片，介紹噬菌體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、繁殖方式、侵染過程等，通過播放噬菌體侵染細(xì)菌的模擬動畫，引導(dǎo)學(xué)生思考赫爾希和蔡斯選擇噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料的原因，并使用平板隨機(jī)提問功能讓學(xué)生回答。

學(xué)生活動：結(jié)合教材內(nèi)容自主學(xué)習(xí)，通過觀看視頻，了解噬菌體侵染細(xì)菌的過程，思考選材原因。

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，觀看視頻，了解噬菌體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，有利于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，認(rèn)識到生物實(shí)驗(yàn)研究選材的重要性，也為后面的實(shí)驗(yàn)探究打好知識基礎(chǔ)。

（1）探究活動一：如何標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材相關(guān)內(nèi)容并思考三個(gè)問題：①什么技術(shù)可以在不分離蛋白質(zhì)和 DNA 兩種成分的前提下，跟蹤 DNA 和蛋白質(zhì)？②分別選擇何種元素標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA？③如何獲得含有放射性標(biāo)記的噬菌體？

學(xué)生通過回顧所學(xué)知識，小組合作交流討論并推選代表回答：①放射性同位素標(biāo)記技術(shù)；②因?yàn)閮H蛋白質(zhì)分子中含有S，P 幾乎都存在于DNA分子中，所以可分別用32P和35S標(biāo)記噬菌體的DNA 和蛋白質(zhì)；③ T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內(nèi)的病毒，不可以直接用培養(yǎng)基來培養(yǎng)T2噬菌體，必須先分別用含有32P 和35S 的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，再用標(biāo)記好的大腸桿菌培養(yǎng)噬菌體。

教師讓小組學(xué)生代表使用平板展示并講解分別用32P和35S標(biāo)記噬菌體的實(shí)驗(yàn)過程（圖1），并引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)回答：用放射性同位素32P 和35S 分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)的目的是可直接地、單獨(dú)地觀察它們各自的作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過設(shè)置層層遞進(jìn)的問題引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA和蛋白質(zhì)的組成元素、同位素標(biāo)記法以及病毒的生存方式，進(jìn)而思考能夠區(qū)分DNA和蛋白質(zhì)的標(biāo)記元素以及具體的標(biāo)記過程，考查學(xué)生必備的生物學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和知識的理解應(yīng)用能力。通過該環(huán)節(jié)，學(xué)生明白科學(xué)家們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路及原理，認(rèn)同生物科學(xué)的研究和發(fā)展離不開技術(shù)的支持。

（2）探究活動二：模擬噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材中科學(xué)家完成的噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過程，結(jié)合圖解，引導(dǎo)學(xué)生回答探究活動二中的兩個(gè)問題：①實(shí)驗(yàn)過程中攪拌、離心的目的是什么？②離心后上清液與沉淀物中各有什么成分？

教師利用平板推送小組合作的模擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)，安排學(xué)生分小組利用教具模擬噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過程。學(xué)生拍照上傳模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（圖2），并完成對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論的填寫（表1）。教師用平板實(shí)時(shí)展示學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)的過程，并請小組代表對模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行講解。教師進(jìn)行點(diǎn)評及對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：DNA是遺傳物質(zhì)。

教師引導(dǎo)學(xué)生將小組模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與科學(xué)家完成的真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，找出不同之處，并分小組思考討論以下兩個(gè)問題：①為什么科學(xué)家用35S 標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，沉淀物中會檢測到含有很低的放射性？②為什么用32P 標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，上清液中會檢測到含有很低的放射性？

根據(jù)學(xué)生的回答，教師歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，讓學(xué)生回顧總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中使用了哪些技術(shù)手段并思考討論得出赫爾希和蔡斯實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵設(shè)計(jì)思路。最后，教師使用平板發(fā)布隨堂檢測題，學(xué)生完成后通過平板提交答案，教師可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的答題情況并進(jìn)行分析點(diǎn)評。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過小組合作模擬實(shí)驗(yàn)并思考討論相關(guān)的問題，重溫科學(xué)家的探索之路，學(xué)生通過親身體驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)過程，并利用平板功能進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，鍛煉了學(xué)生的動手操作能力，幫助學(xué)生更加深入的了解實(shí)驗(yàn)原理及過程。教師通過問題導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，小組合作討論，增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。此外，小組合作利用教具模擬實(shí)驗(yàn)并通過平板功能實(shí)時(shí)展示環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，增加了學(xué)生對生物實(shí)驗(yàn)的興趣，從研究方法和結(jié)論中理解實(shí)驗(yàn)原理，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的科學(xué)探究和實(shí)驗(yàn)實(shí)施能力。

3.2.2煙草花葉病毒侵染煙草的實(shí)驗(yàn)

教師提出問題：DNA 是所有生物的遺傳物質(zhì)嗎？接著，教師展示煙草花葉病毒的圖片并講述煙草花葉病毒的組成成分是RNA 與蛋白質(zhì)，并不含有DNA，引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)。

教師用平板發(fā)布小組合作探究活動三：根據(jù)赫爾希和蔡斯實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵設(shè)計(jì)思路，小組合作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)。

學(xué)生小組代表講述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路（圖3），根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是 RNA。教師進(jìn)一步舉例并展示SARS病毒、HIV病毒、新型冠狀病毒等的遺傳物質(zhì)也是RNA，并引導(dǎo)學(xué)生回顧科學(xué)家對遺傳物質(zhì)的探究歷程。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回顧科學(xué)家對遺傳物質(zhì)的探究歷程中涉及的四個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，不僅可以讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家的探索精神，了解科學(xué)探究路途的艱辛，同時(shí)讓學(xué)生學(xué)會實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵思路并加以應(yīng)用，鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)學(xué)生對生物科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

3.3歸納總結(jié)，得出結(jié)論

教師提出問題：為什么說 DNA 是主要的遺傳物質(zhì)？根據(jù)學(xué)生的回答，教師總結(jié)歸納：對于具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物遺傳物質(zhì)是 DNA，只有在 RNA 病毒中， RNA 才是遺傳物質(zhì)，進(jìn)而總結(jié)出 DNA 是主要的遺傳物質(zhì)。教師通過平板推送隨堂檢測題，檢測學(xué)生對相關(guān)知識的掌握情況，加深學(xué)生對DNA是主要遺傳物質(zhì)的理解，便于教師及時(shí)查缺補(bǔ)漏。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過對生物進(jìn)行簡單的分類，并分析其各自的遺傳物質(zhì)，總結(jié)歸納出絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是 DNA，所以自然界中 DNA 是主要的遺傳物質(zhì)，讓學(xué)生對遺傳物質(zhì)的本質(zhì)形成了完整的認(rèn)識，真正理解DNA是主要的遺傳物質(zhì)。

3.4總結(jié)方法，學(xué)以致用

教師講述自變量控制中的“加法原理”與“減法原理”，引導(dǎo)學(xué)生小組討論和交流，并舉出生活中運(yùn)用“加法原理”和“減法原理”解決實(shí)際問題的實(shí)例，鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)科學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力。

設(shè)計(jì)意圖：通過總結(jié)科學(xué)研究的方法并提出問題，學(xué)生思考嘗試運(yùn)用科學(xué)方法解決生活中的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力，將生物學(xué)知識運(yùn)用到日常生活中，學(xué)以致用，落實(shí)生物學(xué)教學(xué)的社會責(zé)任。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課以問題探究為主要教學(xué)方法，借助于智慧課堂的教學(xué)模式，以科學(xué)家探索遺傳物質(zhì)化學(xué)本質(zhì)的科學(xué)史為主線，通過了解科學(xué)家提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過程，讓學(xué)生初步形成探究的能力。同時(shí)，教師指導(dǎo)學(xué)生通過教具模擬噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會邏輯推理，重溫科學(xué)家的探索之路，分析科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，從研究過程和結(jié)論中理解科學(xué)原理，學(xué)習(xí)科學(xué)家的探索精神，體會科學(xué)探究的基本思路和方法并運(yùn)用科學(xué)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，解決生活中的實(shí)際問題。在探究過程中，教師培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，同時(shí)運(yùn)用智慧課堂教學(xué)模式在資源推送、交流互動、評價(jià)反饋等方面及時(shí)性的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物的主動性和積極性，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。