引導學生體驗科學探究的過程

馬媛媛

【設計思路】

本節為蘇教版高中《生物》必修二教材中第四章第一節的內容。主要通過三個經典實驗，總結了“DNA是主要的遺傳物質”的探索過程：格里菲思的肺炎雙球菌體內轉化實驗、艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗和赫爾希、蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗。本節內容安排為兩個課時，本案例為第一課時內容。

核酸的結構、科學探究的步驟都是學習過的內容，這為本節內容的學習提供了知識基礎。這節課重點是讓學生“重走探索之路”，以人類早期對遺傳物質的推測為問題源頭，通過對上述實驗的介紹和分析，讓學生親自體驗科學研究的思路和方法。

【教學目標】

1.分析肺炎雙球菌轉化實驗的過程、原理和結論。

2.通過模擬發現遺傳物質的實驗過程，學習科學研究的方法，進行科學探究；通過分析圖文資料，嘗試信息的處理；模仿科學家通過分析、比較、推理、歸納等，去解決實際問題。

3.通過學習遺傳物質的發現過程，養成實事求是的科學態度和不斷探究的科學精神；在學習過程中，形成科學的認知論，掌握唯物辯證法。

【教學過程】

一、創設問題情境，激發學生興趣

師（引入問題）：通過前面的學習，我們知道遺傳是普遍存在的現象，而染色體在遺傳上能保持連續性和穩定性。20世紀中葉，科學家發現染色體主要是由蛋白質和DNA組成的。在這兩種物質中，究竟哪一種是遺傳物質呢？這個問題曾經引起生物界激烈的爭論。你認為遺傳物質應該具有什么特點？

生1：應該可以傳給下一代。

生2：遺傳物質本身要穩定。

師：很好！還有么？

生3：本身要能夠攜帶大量遺傳信息，還要能夠精確復制。

師：大家考慮得很全面。那如果你要通過實驗來驗證某種物質是不是遺傳物質，你會選擇什么樣的生物材料呢？

生：最好簡單一點的。

師：比如什么生物？

生：單細胞的，細菌就可以。

師：同學們的想法跟科學家們的不謀而合，果然英雄所見略同！下面我們就來看看當時科學家們是如何用實驗揭開遺傳物質的真面目的。

【利用問題創設情境，既營造了良好的課堂氛圍，又為接下來的分析實驗埋下伏筆。】

二、引入實驗，跟隨科學先驅一起思考

師：20世紀初，人們對蛋白質的認識比較深入。當時已經知道蛋白質是由多種氨基酸連接而成的大分子，各種氨基酸可以按照不同的方式排列，形成不同的蛋白質。這樣就使人很自然地想到，氨基酸多種多樣的排列順序可能蘊含遺傳信息。首先通過確鑿的實驗證據向“遺傳物質是蛋白質”的觀點發出挑戰的是美國科學家艾弗里，而艾弗里的實驗又是在英國科學家格里菲思的實驗基礎上進行的。

探究活動1 1928年，格里菲思以小鼠為實驗材料，研究肺炎雙球菌是如何使人患肺炎的。他用兩種不同類型的肺炎雙球菌去感染小鼠。一種細菌的菌體有多糖類的莢膜，在培養基上形成的菌落光滑，叫做S型細菌；另一種細菌的菌體沒有多糖類的莢膜，在培養基上形成的菌落表面粗糙，叫做R型細菌。在這兩種細菌中，S型細菌可以使人患肺炎或使小鼠患敗血癥，R型細菌不會引起上述癥狀，是無毒性的。（PPT展示圖片）

師：實驗先進行第（1）（2）組的目的是什么？可否直接進行第（4）組實驗？

生：第（1）（2）組是做對照的，不能直接進行第（4）組實驗。

師：是的，科學探究實驗要設置對照實驗，（1）（2）組實驗可以證明R型和S型細菌的作用，排除小鼠死亡的其他原因。分析對比（1）（2）組實驗，說明什么？

生：（1）（2）組對比，說明R型活菌不致死，而S型活菌致死。

師：對比（1）（2）組說明什么？

生：說明加熱死亡的S型細菌不致死。

師：對比（3）（4）組說明什么？

生：（3）（4）組的實驗結果說明R型活細菌與S型死細菌混合培養后產生了S型活細菌。

師：對。格里菲思從第（4）組死亡的小鼠尸體中分離出了有毒性的S型活細菌，而這些S型細菌的后代也是S型活細菌，說明這種轉化是可以遺傳的。該實驗能證明遺傳物質是什么嗎？

生：不能。

師：那這個實驗的結論是什么呢？

生：這個實驗能證明S型細菌中有一種轉化因子，使R型活細菌轉化為S型活細菌。

【以問題為向導形成問題串且循序漸進的探究過程體現了科學研究的思想和方法；在教學中突出了學生的主體地位，引導學生多角度、多方位思考問題；問題緊扣教材，引發學生討論得出相應的結論。】

探究活動2 上述格里菲思的實驗中，S型細菌中有某種轉化因子使R型細菌發生轉化，這個因子究竟是什么呢？格里菲思并沒有能夠證明，那我們來找找看吧！要找到細菌中究竟什么物質是轉化因子，先要來看看細菌里有哪些物質。同學們還記得初中學習過的細菌的基本結構嗎？（PPT出示細菌結構圖）

圖3

生：細菌的基本結構有細胞壁、細胞膜、細胞質和DNA。

師：有成型的細胞核嗎？

生：沒有。

師：是的，除了上述結構之外，有些細菌還有莢膜、鞭毛等結構。莢膜起保護作用，S型肺炎雙球菌就是有莢膜的，但沒有鞭毛。那么這些結構的主要成分是什么呢？

生1：細胞壁的主要成分是多糖，細胞膜是由蛋白質和脂質組成的。

生2：DNA就是脫氧核糖核酸。

生3：莢膜的主要成分應該是多糖吧？

師：對！所以加熱殺死的S型細菌中有蛋白質、脂質、多糖和DNA等物質。要證明這些物質中哪一個才是轉化因子，首先應該如何操作呢？大家討論一下。

（學生分組討論）

生：最好將它們分開。

師：對，必須將蛋白質、糖類、脂質和DNA分開，才能一一確定它們是不是轉化因子。假如你是當時的科學家，你會如何設計實驗來證明轉化因子是哪一個呢？

（學生紛紛討論）

師：我們先來回想一下，科學探究的五個步驟是？

生（齊）：提出問題、作出假設、實驗、得出結論、表達交流。

師：很好！那各位科學家現在要探究的問題是……？

生：DNA、蛋白質和其他物質究竟誰是轉化因子？

師：你們的假設是……？

生：DNA是轉化因子。

師：那各位科學家的實驗方案是什么呢？

生：首先從S型細菌中分別提取出DNA、蛋白質、多糖、脂質等物質。然后分別將它們加入到已經培養了R型細菌的培養基中，觀察結果。

師：你們預測會有什么結果？

生：應該是只有加入DNA的才能使R型細菌轉化成S型細菌。

師：如何鑒別R型細菌和S型細菌呢？

生：可以用顯微鏡觀察，S型是有莢膜的，R型沒有。

師：很好，有別的辦法嗎？

生：可以看菌落，S型菌落光滑，R型菌落粗糙。

師：很好！同學們考慮得很周全。其實，1944年，科學家艾弗里就是這么做的。看來我們的同學已經可以像科學家一樣去解決問題了，非常棒！我們一起來看一看他們的實驗結果。（演示課件）

圖4

師：你們觀察到了什么現象？

生：只有加入DNA，R型細菌才能夠轉化為S型細菌。

師：為何要設計加入DNA和DNA酶的那組實驗？

生：應該是和只加入DNA的那組實驗形成對照。

師：非常好！科學探究實驗中，要設置對照實驗，注意控制實驗變量。你們剛才的假設成立了么？

生：成立了！

師：看來同學們都有當科學家的潛質，好好努力！艾弗里和他的同事進行的肺炎雙球菌的體外轉化實驗，結論是：只有加入DNA，R型細菌才能夠轉化為S型細菌，并且DNA的純度越高，轉化就越有效；如果用DNA酶分解從S型細菌中提取的DNA，就不能使R型細菌發生轉化。實驗結果甚至出乎艾弗里自己的預料，于是艾弗里提出了不同于當時大多數科學家觀點的結論：DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。艾弗里的實驗引起了人們的注意，但是，由于艾弗里實驗中提取出的DNA純度最高時也還有0.02%的蛋白質，因此，仍有人對實驗結論表示懷疑。接下來，科學家們依然在努力揭開遺傳物質的面紗，下節課我們將繼續沿著科學家的探索之路往下走。

【這是本節課的第二個探究活動——艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗，當年這個實驗是在格里菲思實驗的基礎之上完成的，所以我引導學生主動去思考：如果你是當年的科學家，要接著去探究轉化因子到底是什么，你會怎么做？為了降低學生思考的難度，先和學生一起討論出，如果要揭示轉化因子是什么物質，最關鍵的步驟是必須將蛋白質、糖類、脂質和DNA分開，才能一一確定它們是不是轉化因子。然后，和學生一起復習科學探究實驗的五個步驟，最后再讓學生去討論設計實驗方案。當學生討論出實驗方案以后，告知他們，這與當年科學家的做法是一致的，學生非常有成就感，學習積極性高漲。這樣的安排，既使學生的思維得到鍛煉，又讓他們主動地獲取了知識，效果甚佳。】

【教學思考】

本節課在實施過程當中，依照學生的認知規律，通過有步驟、分層次地創設問題情境，讓學生主動探究、發現問題，并且得出結論，從而讓學生學到了科學探究的基本方法，達到了掌握知識、培養能力的目標。

1.引導學生體驗科學探索過程，領悟科學研究方法。

讓學生“重走探索之路”，以人類早期對遺傳物質的推測為問題源頭，通過對艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗的介紹和分析，讓學生親自體驗科學研究的思路和方法，學習科學家的研究態度和合作精神。對學生在分析過程中提出的疑問，及時給予解答。教學過程中，引導學生分析“誰在轉化實驗中起作用”，“轉化因子究竟是什么物質”，“如果你是科學家，你會如何設計實驗”等問題，為探索艾弗里等人進行的實驗做好鋪墊。在探索艾弗里的轉化實驗時，結合課件和教材的圖文，引導學生分析實驗結果，得出結論：只有DNA具有轉化作用。最后，指出艾弗里實驗的不足之處，即DNA純度不夠，不能排除蛋白質的作用，進而引出噬菌體侵染細菌的實驗，為下一課時埋下伏筆。

2.直觀形象地呈現實驗過程，化解教學難點。

由于DNA的轉化等實驗是在特定的實驗室條件下才能進行的，學生無法親自動手操作，缺少感性認識，因此，需要教師形象直觀地介紹實驗操作步驟。在教學中，筆者利用圖片、動畫及多媒體課件，分步演示實驗過程，讓學生置身于探究的全過程，有效地化解了教學難點。（作者單位：南京外國語學校）

生：最好將它們分開。

師：對，必須將蛋白質、糖類、脂質和DNA分開，才能一一確定它們是不是轉化因子。假如你是當時的科學家，你會如何設計實驗來證明轉化因子是哪一個呢？

（學生紛紛討論）

師：我們先來回想一下，科學探究的五個步驟是？

生（齊）：提出問題、作出假設、實驗、得出結論、表達交流。

師：很好！那各位科學家現在要探究的問題是……？

生：DNA、蛋白質和其他物質究竟誰是轉化因子？

師：你們的假設是……？

生：DNA是轉化因子。

師：那各位科學家的實驗方案是什么呢？

生：首先從S型細菌中分別提取出DNA、蛋白質、多糖、脂質等物質。然后分別將它們加入到已經培養了R型細菌的培養基中，觀察結果。

師：你們預測會有什么結果？

生：應該是只有加入DNA的才能使R型細菌轉化成S型細菌。

師：如何鑒別R型細菌和S型細菌呢？

生：可以用顯微鏡觀察，S型是有莢膜的，R型沒有。

師：很好，有別的辦法嗎？

生：可以看菌落，S型菌落光滑，R型菌落粗糙。

師：很好！同學們考慮得很周全。其實，1944年，科學家艾弗里就是這么做的。看來我們的同學已經可以像科學家一樣去解決問題了，非常棒！我們一起來看一看他們的實驗結果。（演示課件）

圖4

師：你們觀察到了什么現象？

生：只有加入DNA，R型細菌才能夠轉化為S型細菌。

師：為何要設計加入DNA和DNA酶的那組實驗？

生：應該是和只加入DNA的那組實驗形成對照。

師：非常好！科學探究實驗中，要設置對照實驗，注意控制實驗變量。你們剛才的假設成立了么？

生：成立了！

師：看來同學們都有當科學家的潛質，好好努力！艾弗里和他的同事進行的肺炎雙球菌的體外轉化實驗，結論是：只有加入DNA，R型細菌才能夠轉化為S型細菌，并且DNA的純度越高，轉化就越有效；如果用DNA酶分解從S型細菌中提取的DNA，就不能使R型細菌發生轉化。實驗結果甚至出乎艾弗里自己的預料，于是艾弗里提出了不同于當時大多數科學家觀點的結論：DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。艾弗里的實驗引起了人們的注意，但是，由于艾弗里實驗中提取出的DNA純度最高時也還有0.02%的蛋白質，因此，仍有人對實驗結論表示懷疑。接下來，科學家們依然在努力揭開遺傳物質的面紗，下節課我們將繼續沿著科學家的探索之路往下走。

【這是本節課的第二個探究活動——艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗，當年這個實驗是在格里菲思實驗的基礎之上完成的，所以我引導學生主動去思考：如果你是當年的科學家，要接著去探究轉化因子到底是什么，你會怎么做？為了降低學生思考的難度，先和學生一起討論出，如果要揭示轉化因子是什么物質，最關鍵的步驟是必須將蛋白質、糖類、脂質和DNA分開，才能一一確定它們是不是轉化因子。然后，和學生一起復習科學探究實驗的五個步驟，最后再讓學生去討論設計實驗方案。當學生討論出實驗方案以后，告知他們，這與當年科學家的做法是一致的，學生非常有成就感，學習積極性高漲。這樣的安排，既使學生的思維得到鍛煉，又讓他們主動地獲取了知識，效果甚佳。】

【教學思考】

本節課在實施過程當中，依照學生的認知規律，通過有步驟、分層次地創設問題情境，讓學生主動探究、發現問題，并且得出結論，從而讓學生學到了科學探究的基本方法，達到了掌握知識、培養能力的目標。

1.引導學生體驗科學探索過程，領悟科學研究方法。

讓學生“重走探索之路”，以人類早期對遺傳物質的推測為問題源頭，通過對艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗的介紹和分析，讓學生親自體驗科學研究的思路和方法，學習科學家的研究態度和合作精神。對學生在分析過程中提出的疑問，及時給予解答。教學過程中，引導學生分析“誰在轉化實驗中起作用”，“轉化因子究竟是什么物質”，“如果你是科學家，你會如何設計實驗”等問題，為探索艾弗里等人進行的實驗做好鋪墊。在探索艾弗里的轉化實驗時，結合課件和教材的圖文，引導學生分析實驗結果，得出結論：只有DNA具有轉化作用。最后，指出艾弗里實驗的不足之處，即DNA純度不夠，不能排除蛋白質的作用，進而引出噬菌體侵染細菌的實驗，為下一課時埋下伏筆。

2.直觀形象地呈現實驗過程，化解教學難點。

由于DNA的轉化等實驗是在特定的實驗室條件下才能進行的，學生無法親自動手操作，缺少感性認識，因此，需要教師形象直觀地介紹實驗操作步驟。在教學中，筆者利用圖片、動畫及多媒體課件，分步演示實驗過程，讓學生置身于探究的全過程，有效地化解了教學難點。（作者單位：南京外國語學校）

生：最好將它們分開。

師：對，必須將蛋白質、糖類、脂質和DNA分開，才能一一確定它們是不是轉化因子。假如你是當時的科學家，你會如何設計實驗來證明轉化因子是哪一個呢？

（學生紛紛討論）

師：我們先來回想一下，科學探究的五個步驟是？

生（齊）：提出問題、作出假設、實驗、得出結論、表達交流。

師：很好！那各位科學家現在要探究的問題是……？

生：DNA、蛋白質和其他物質究竟誰是轉化因子？

師：你們的假設是……？

生：DNA是轉化因子。

師：那各位科學家的實驗方案是什么呢？

生：首先從S型細菌中分別提取出DNA、蛋白質、多糖、脂質等物質。然后分別將它們加入到已經培養了R型細菌的培養基中，觀察結果。

師：你們預測會有什么結果？

生：應該是只有加入DNA的才能使R型細菌轉化成S型細菌。

師：如何鑒別R型細菌和S型細菌呢？

生：可以用顯微鏡觀察，S型是有莢膜的，R型沒有。

師：很好，有別的辦法嗎？

生：可以看菌落，S型菌落光滑，R型菌落粗糙。

師：很好！同學們考慮得很周全。其實，1944年，科學家艾弗里就是這么做的。看來我們的同學已經可以像科學家一樣去解決問題了，非常棒！我們一起來看一看他們的實驗結果。（演示課件）

圖4

師：你們觀察到了什么現象？

生：只有加入DNA，R型細菌才能夠轉化為S型細菌。

師：為何要設計加入DNA和DNA酶的那組實驗？

生：應該是和只加入DNA的那組實驗形成對照。

師：非常好！科學探究實驗中，要設置對照實驗，注意控制實驗變量。你們剛才的假設成立了么？

生：成立了！

師：看來同學們都有當科學家的潛質，好好努力！艾弗里和他的同事進行的肺炎雙球菌的體外轉化實驗，結論是：只有加入DNA，R型細菌才能夠轉化為S型細菌，并且DNA的純度越高，轉化就越有效；如果用DNA酶分解從S型細菌中提取的DNA，就不能使R型細菌發生轉化。實驗結果甚至出乎艾弗里自己的預料，于是艾弗里提出了不同于當時大多數科學家觀點的結論：DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。艾弗里的實驗引起了人們的注意，但是，由于艾弗里實驗中提取出的DNA純度最高時也還有0.02%的蛋白質，因此，仍有人對實驗結論表示懷疑。接下來，科學家們依然在努力揭開遺傳物質的面紗，下節課我們將繼續沿著科學家的探索之路往下走。

【這是本節課的第二個探究活動——艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗，當年這個實驗是在格里菲思實驗的基礎之上完成的，所以我引導學生主動去思考：如果你是當年的科學家，要接著去探究轉化因子到底是什么，你會怎么做？為了降低學生思考的難度，先和學生一起討論出，如果要揭示轉化因子是什么物質，最關鍵的步驟是必須將蛋白質、糖類、脂質和DNA分開，才能一一確定它們是不是轉化因子。然后，和學生一起復習科學探究實驗的五個步驟，最后再讓學生去討論設計實驗方案。當學生討論出實驗方案以后，告知他們，這與當年科學家的做法是一致的，學生非常有成就感，學習積極性高漲。這樣的安排，既使學生的思維得到鍛煉，又讓他們主動地獲取了知識，效果甚佳。】

【教學思考】

本節課在實施過程當中，依照學生的認知規律，通過有步驟、分層次地創設問題情境，讓學生主動探究、發現問題，并且得出結論，從而讓學生學到了科學探究的基本方法，達到了掌握知識、培養能力的目標。

1.引導學生體驗科學探索過程，領悟科學研究方法。

讓學生“重走探索之路”，以人類早期對遺傳物質的推測為問題源頭，通過對艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗的介紹和分析，讓學生親自體驗科學研究的思路和方法，學習科學家的研究態度和合作精神。對學生在分析過程中提出的疑問，及時給予解答。教學過程中，引導學生分析“誰在轉化實驗中起作用”，“轉化因子究竟是什么物質”，“如果你是科學家，你會如何設計實驗”等問題，為探索艾弗里等人進行的實驗做好鋪墊。在探索艾弗里的轉化實驗時，結合課件和教材的圖文，引導學生分析實驗結果，得出結論：只有DNA具有轉化作用。最后，指出艾弗里實驗的不足之處，即DNA純度不夠，不能排除蛋白質的作用，進而引出噬菌體侵染細菌的實驗，為下一課時埋下伏筆。

2.直觀形象地呈現實驗過程，化解教學難點。

由于DNA的轉化等實驗是在特定的實驗室條件下才能進行的，學生無法親自動手操作，缺少感性認識，因此，需要教師形象直觀地介紹實驗操作步驟。在教學中，筆者利用圖片、動畫及多媒體課件，分步演示實驗過程，讓學生置身于探究的全過程，有效地化解了教學難點。（作者單位：南京外國語學校）