探究科學史經典實驗，培養學生創新意識

谷輝

摘 要： 探究是學生認識生命世界、學習生物課程的有效方法之一，通過實驗進行探究性學習應看做一條重要途徑。教師要尊重學生的不同見解，傾聽學生合理的創新假設，新實驗方案的設計，新實驗技術的運用，以及新實驗材料的選擇。

關鍵詞： 生物教學 科學史經典實驗 創新意識

以往課程實施過程中教師過于依賴教材，過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練。新一輪課程改革旨在倡導學生主動參與、探究發現、交流合作的學習方式，注重激發學生的學習興趣，推動、開展探究性學習成為新一輪課程改革的主旋律。

就生物學科教育而言，從內容到方法都提供了豐富的、基于實驗的探究性學習材料，通過實驗進行探究性學習應看做一條重要的途徑。教學時我們如果能恰當引入科學史經典實驗，那么既增強了學生學習生物科學的趣味性，又加深了對所學的生物學基本概念和基本規律的理解，還培養了學生的科學素養與創新意識。如何將生物實驗教學與探究性學習結合在一起，通過探究科學史經典實驗，培養學生的創新意識呢？

培養學生的創新意識，首先教師應提供科學探究過程中的背景資料，授課時不妨把已解決的問題和未解決的環節交給學生，讓他們想辦法解決，引導學生從多種角度入手解決。是創新提出合理假設，設計新的實驗方案，選擇新的實驗技術，還是尋找新的實驗材料？這樣促使學生重新組織所學知識，就好像這些知識全然是新發現的一樣。

筆者在進行“探究遺傳物質的發現歷程”課堂教學時，引用了“肺炎雙球菌轉化實驗”和“噬菌體侵染大腸桿菌”經典實驗，其中設置了幾個可讓學生探究的“創新”點。

1.創新提出假設

探究內容始于1928年格里菲斯所做的用肺炎雙球菌感染小家鼠的實驗。

1.1教師展示背景資料。他發現肺炎雙球菌的兩種菌株，一種為R型，外面沒有莢膜，注入小鼠后小鼠正常；另一種是S型，外面有一層多糖類莢膜，光滑，注入小鼠后很快導致小鼠死亡，加熱殺死后注入小鼠，小鼠正常。

將S型肺炎球菌在特殊條件下進行離體培養，從中分離出R型。當他把這種R型的少量活細菌和大量已被殺死的S型肺炎球菌混合注射到小家鼠體內以后，出乎意外，小家鼠卻死了。剖檢發現，小家鼠的心血中有S型細菌。

1.2教師評價。在第三組實驗中，究竟小家鼠為何死亡？為何會出現S型活細菌在體內繁殖？S型活細菌從何而來？

1.3學生創新提出假設。S型細菌在小家鼠體內繁殖導致死亡。創新提出假設：有學生認為R型細菌中有某種“活性物質”，能使S型細菌復活，然后在小家鼠體內繁殖；有學生認為已經死亡的S型細菌中有某種“轉化物質”，能使R型細菌轉變為S型。

2.創新設計實驗

2.1教師評價、質疑。針對學生提出的可能性，教師放下教案，對這兩種假設做出評價：“兩者假設均合理，無對錯之分，關鍵是能否自己設計實驗來驗證自己的假設？”引發學生進一步探究如何設計實驗。

2.2學生討論。剛才加熱殺死的S型細菌仍然保留了細胞的結構，所以R型細菌中可能存在的“活性物質”使其復活，那么可否破壞它的細胞結構，使其失去復活的先決條件呢？

2.3學生創新設計實驗。認為破壞加熱殺死的S型細菌的細胞結構，與R型細菌混合，注射小家鼠體內，觀察小白鼠是否死亡。

2.4教師展示背景資料。格里菲斯在此后不到兩年，又發現S型細菌的無細胞抽提物加到生長著的R型培養物上，也能產生R向S的轉化（R→S）。于是，研究者們提出，加熱殺死的S型細菌培養物或其無細胞抽提物中，一定存在著某種導致細菌類型發生轉化的物質。這種物質究竟是什么，人們尚不知道，為便于研究，暫時叫做“轉化因子”。

在上述探究過程中，學生創新提出合理假設，創新設計可行性的實驗驗證自己的假設，在研究的思路上與格里菲斯不謀而合，掌握了生物科學研究的思維方式和方法，初步培養了生物科學素養。

3.創新運用實驗技術

探究內容是艾弗里和同事麥克勞德和麥卡蒂為了弄清轉化因子的化學本質而進行的“肺炎雙球菌體外轉化實驗”。

3.1教師質疑。細胞內的主要物質有：多糖、蛋白質、核酸、脂質。那么能否再通過實驗確定究竟具體是什么物質在起遺傳作用呢？

3.2學生創新運用實驗技術。學生提出，能否利用化學技術將S型細菌中的各種物質分開，然后分別和R型細菌混合，觀察是否會使R型細菌轉化為S型細菌。

3.3教師展示背景資料。1944年，在紐約洛克菲勒研究所，他們開始對含有R→S轉化因子的S型細菌的無細胞抽提物進行分餾、純化工作。他們根據染色體物質的絕大部分是蛋白質的事實，曾一度推斷蛋白質很可能是“轉化因子”。然而，當他們使用一系列的化學法和酶催化法，把各種蛋白質、類脂、多糖和核糖核酸從抽提物中去掉之后，卻發現抽提物的剩余物質仍然保持把R型轉化為S型的能力。于是，他們對自己的推斷動搖了。最后，在對抽提物進一步純化之后，他們發現，只需把取自S型細菌細胞抽提物的純化DNA，以低達六億分之一的劑量加在一個R型細胞的培養物中，仍然具有使R→S的轉化能力。于是，他們得出結論說“轉化因子”就是DNA，并在《實驗醫學雜志》第79卷第137期發表了這一研究成果。

3.4教師評價鼓勵。同學們能創造性地把化學技術運用在生物學的研究中，這一點很值得鼓勵。當年艾弗里和同事麥克勞德就是利用了化學中的分離物質的手段才使得尋找遺傳物質的研究取得突破性進展，看來學生的創新運用意識有所強化。

在深入探究遺傳物質時，學生能想到恰當地改變實驗方法尋求實驗研究的進展，并且是科學合理的、切實可行的，這是學生創新能力的表現，是探究性學習方式引入課堂帶來的成功。

4.創新思考

探究內容是1952年赫爾希和蔡斯證明了噬菌體DNA能攜帶母體病毒的遺傳信息到子代病毒中的經典實驗。

4.1教師展示背景資料。艾弗里等人在1944年所做的試驗和結論，不僅沒有使科學界立即接受DNA是遺傳物質的正確觀念，反而引起了科學界許多人的極大驚訝和懷疑。否定意見則根本不承認DNA是遺傳物質，認為不論純化的DNA從數據上看如何純凈，它仍然可能藏留一絲有沾污性的蛋白質殘余，說不定這就是有活性的轉化因子。

4.2教師質疑。雖然化學提取分離細胞內各種物質的技術已經相當成熟，但是其所能達到的純度只能使得提取出的DNA達到99.98%，對于一些固執和吹毛求疵的科學家來說，如何才能說服他們呢？

4.3學生創新思考。學生認為：事實勝于雄辯。只有拿出更有說服力的實驗證據才能使這些懷疑者信服。但是化學提純技術已經無法達到更高的程度，怎么辦呢？學生一度陷入了沉思……

5.創新選用新的實驗材料

科學研究研究一度陷入了困境，毫無進展……

5.1教師引導思考。研究思路肯定是正確的，蛋白質和DNA的提純技術手段暫時無法達到要求的純度，難道純凈的DNA就這么難以得到嗎？能否從其他方面入手，比如：實驗的材料……

5.2創新選用。話音未落，一位同學說：“病毒！”起立后陳述理由：“真核生物細胞中染色體主要是DNA和蛋白質很難分開，所以用細菌可能更加容易一些，但是還是不能很好地把它們分開，在初中時我學過病毒，它的結構很簡單，只有蛋白質和DNA，最重要的是它們是完全分開的……”

5.3教師展示背景資料。1951年，赫爾希和蔡斯提出一個十分富有魅力和啟發性的假說：“病毒的作用可能像一個充滿著轉化因子的注射針。這樣的病毒本身不會進入細胞，但它不僅用尾部接觸寄生細胞，并可能通過酶的作用在細胞外膜上鉆一小孔，然后病毒頭部的DNA就鉆入細胞。”赫爾希在病毒感染寄生細胞過程的細節上都敘述得如此準確，真是令人驚異。

5.4教師評價。同學們能在生物界中尋找簡單的特殊的生物作為實驗材料，再一次在尋找遺傳物質的征途上跨越了障礙，有了這種創新思維，你們在今后一定大有所為。但是真正完成還要用到物理上的新技術：同位素標記技術，下面我們繼續進行學習和探究……

精選生物學史上的典型實驗，結合具體教學內容，引導學生仿照科學家的研究方式，學習和嘗試完整的實驗探索過程，讓他們親身體驗探索生物界的快樂，逐步學會科學研究的方法。

學生在積極探究思考的過程中確實閃現出了思維的火花，使得老師放下教案，放下教材跟著學生走。培養學生的創新意識，一方面，要尊重學生的不同見解，傾聽學生合理的創新假設、新實驗方案的設計、新實驗技術的運用、新實驗材料的選擇，教材似乎只是課程中材料來源的一個途徑，教案似乎只是探究事件發生的緊急預案，再好的教材也不能提供足夠的資料，滿足學生的探究欲望；再詳細的預案也不能應付課堂上隨時發生的變化。另一方面，教師要鼓勵學生相互爭論、評價，為學生營造良好的創新學習氛圍，大膽提出哪怕是老師都未曾想到過的問題和做法，培養他們大膽質疑、用實驗探究未知的創新精神。