例談基于論證的遺傳科學史復習教學

◎福建省晉江市養正中學　杜惠東

例談基于論證的遺傳科學史復習教學

◎福建省晉江市養正中學杜惠東

以“DNA是主要的遺傳物質”這一重要概念為復習教學案例，依據遺傳科學史發展順序及論證式教學策略，通過問題設置使案例主題情境化，創設“質疑和辯駁”課堂活動環節，逐步深化學生對“DNA是主要的遺傳物質”重要概念的理解和相關概念體系的建構。

論證式教學；論證；科學史

科學的本質是基于證據的思想、解釋與辯解，是證實和證偽的過程。論證式教學是指將科學研究方式引入課堂教學，讓學生經歷類似科學家的評價資料、提出主張、為主張進行辯駁等過程，從而培養學生科學的思維方式。論證是指圍繞某一論題利用科學的方法收集證據，運用一定的論證方式解釋、評價自己及他人證據與觀點之間的相關性，促進思維的共享與交鋒，最終達成限定條件下可成立的結論的活動。科學教育中實施論證式教學有利于學生對重要概念的理解，促進學生對科學概念的建構、科學探究的深入開展以及學生論證能力與解決問題能力的培養。

人教版《高中生物·必修2·遺傳與進化》中的“DNA是主要的遺傳物質”一節，提供了人類對遺傳物質的探索歷程豐富的科學史，展示了科學家如何逐步通過實證的方法獲得相應科學結論的過程，也體現了科學技術的發展對科學認識的影響過程。復習教學時，可以通過論證式教學，解決學生普遍存在的“小鼠對兩種類型肺炎雙球菌的免疫過程是什么樣的？”“轉化因子為什么是遺傳物質？”“艾弗里的實驗既然已經證明DNA是遺傳物質，為什么赫爾希和蔡斯還要用噬菌體侵染細菌做實驗得出相同的結論？”“赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細菌能不能證明蛋白質不是遺傳物質？”等四個疑問。

二、論證式教學設計思路

針對學生的四個疑問，以“DNA是主要的遺傳物質”為主題，展開基于論證式教學策略的復習教學。通過問題設置、補充資料、還原科學史實，使得論證主題情境化，沿著“轉化因子→遺傳物質→DNA是遺傳物質→RNA是遺傳物質→DNA是主要的遺傳物質”論證框架，逐步深化學生對“DNA是主要的遺傳物質”這一重要概念的理解，并通過設置“質疑和辯駁”課堂活動環節，激發學生的復習熱情和興趣。再把相關生物變異、免疫調節、DNA分子結構、DNA分子雜交等重要概念穿插于復習教學中，使得學生體驗和領悟科學精神以及科學、技術之間的相互影響。

論證是從學生活動“質疑舉證：蛋白質是生物體的遺傳物質”導入，再以“肺炎雙球菌的轉化實驗”“噬菌體侵染實驗”和“重組煙草花葉病毒接種實驗”為主體展開對“DNA是主要的遺傳物質”論證，最后歸納總結作為遺傳物質應具備的基本條件。論證過程力圖使學生領悟到：一個正確的結論可以通過不同的方法獲得，從而認同科學結論獲得的最基方法是實證方法，人類對科學的認識是不斷深化和不斷完善的過程。其中補充“兩種肺炎雙球菌的遺傳關系”“肺炎雙球菌引發人患肺炎和鼠患敗血癥的生理機制”等資料，對格里菲斯、艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗進行方案與思路的還原，穿插引導學生運用生物變異、DNA分子雜交技術等概念解決“轉化的分子機制”問題、運用免疫調節的知識分析“R型活菌與加熱處理的S型死菌混合條件下在小鼠體內的數量變化”等問題。最后引導學生歸納DNA作為遺傳物質的結構特性和功能特性。

通過上述論證教學，還引導學生認識“從微生物培養技術到物質分離提純技術，從同位素標記技術到病毒重組技術，從X射線衍射技術到化學物質含量測定技術”等科學技術的發展對科學發展的影響。

二、論證式教學與反思

1.“蛋白質是生物的遺傳物質”的論證式教學

學生通過回顧蛋白質相關知識，圍繞主張“蛋白質是生物的遺傳物質”從正、反兩個方面提出相應的質疑和支持的證據。

證據①：組成蛋白質的氨基酸種類有20種，由于氨基酸的種類和數量不同、排列順序不同，空間結構具有多樣性，具有貯存大量信息的潛能。

證據②：蛋白質的功能具有多樣性，其作為酶能夠控制代謝，進而影響生物的性狀表現。這與遺傳物質能控制生物新陳代謝和生物性狀相同。

證據③：蛋白質具有種屬的特異性，遺傳物質也具有種屬的特性。

質疑①：蛋白質不能進行自我復制。這與遺傳物質能夠傳遞給子代不符。

質疑②：蛋白質的結構和含量不穩定。這與遺傳物質具有結構和含量的相對穩定不符。

質疑③：蛋白質的結構和活性易受外界條件影響而改變。

2.“格里菲斯的肺炎雙球菌體內轉化實驗”的論證式教學

圍繞“死亡小鼠體內的S型活菌從何而來？”和“R型活菌如何轉化S型活菌？轉化機制屬于基因突變還是基因重組？”這兩個問題展開論證式教學。首先，教師在課前將補充資料和還原后的格里菲斯實驗過程、結果整合成主題案例資料，以便學生課堂閱讀，并布置學生根據上述兩個問題提出主張和搜集證據。其次，展示學生依據資料提出個人的主張。再次，通過質疑與辯駁，學生基于證據，對自己的主張提供解釋和補充證據，對他人的主張進行質疑。最后，對主張進行修正和限定，達成共識。

資料1：S型細菌有莢膜，其莢膜多糖稱為內毒素，是一種抗原物質，對動物體有危害作用。當S型細菌被吞噬細胞吞噬后，由于莢膜的保護，能抵抗吞噬細胞的吞噬和消化，從而在細胞內迅速增殖、擴散，引起人患肺炎或鼠患敗血癥。而R型細菌無莢膜，則能被吞噬細胞吞噬、消化，所以不能使機體患病。

資料2：R型和S型是同一物種不同品系。R型是S型自身合成莢膜的基因突變形成，即R型是由于S型發生突變而喪失了合成莢膜能力而形成。R型和S兩型可以相互轉化。S型分為許多種亞型，分別被稱為SⅠ、SⅡ、SⅢ等，其物質基礎是構成莢膜的多糖存在差異。不同亞型的S型肺炎雙球菌都能突變形成相應的R型，它們又都能發生回復突變形成相應的SⅠ、SⅡ、SⅢ，但只能發生同型突變（SI←→R I、SⅡ←→RⅡ、SⅢ←→RⅢ）。

資料3：還原后的格里菲斯實驗

①問題1：死亡小鼠體內的S型活菌從何而來？

初步主張：觀點①加熱處理不完全，殘余的S型活菌傷后復原繁殖產生；觀點②S型死菌死而復生；觀點③R型活菌自發突變形成，與加熱殺死的S型死菌無關；觀點④R型活菌在加熱處理的S型死菌的作用下轉化產生；

基于證據的辯駁：針對觀點①②，學生提出質疑的間接和直接兩種證據。如證據①：蛋白質高溫變性失活，是不可逆過程（間接證據）；證據②：第三組實驗結果小鼠健康存活表明，加熱處理已致S型活菌完全死亡。針對復活觀點，學生補充提供了其通過網絡搜集的證據，格里菲斯在1933年，在體外用S型細菌的無細胞提取物與R型活菌混合培養實驗，仍然發現S型活菌的出現。證據③：第一組實驗結果表明，實驗過程中，R型活菌沒有自發突變形成S型活菌（直接證據）。

歸納解釋：R型活菌發生性狀的轉化，且這種轉化可傳遞給子代。這表明R型活菌的遺傳物質發生了穩定性的變化，這種可遺傳變異與S型死菌有關。

完善主張：在加熱殺死的S型菌中存在某種促成這種轉化的活性物質（轉化因子），這種轉化因子將無毒性的R型活菌轉化為有毒性的S型活菌。

②問題2：“R型活菌如何轉化S型活菌？轉化機制屬于基因突變還是基因重組？”

預設主張：觀點①R型細菌自身的基因發生突變轉化形成；觀點②R型細菌獲得S型死菌的有關特異性莢膜合成部分遺傳物質，通過基因重組實現轉化。

支持辯護：先引導學生比較兩種觀點，使其明白兩種觀點的主要區別是對轉化因子作用的界定上，觀點①認為轉化因子的作用是誘變劑，而觀點②認為轉化因子的作用則是遺傳信息的載體，即轉化因子是遺傳物質。再啟發學生進行反向推理，最后利用提供材料進行判斷。如若是基因突變，則RII型細菌只能發生同型突變形成SII型細菌，而實驗分離得到是SIII型細菌，從而否定觀點①，而支持觀點②。

完善主張：R型活菌發生性狀的轉化的本質由于其接收了加熱殺死的S型細菌的部分遺傳物質，并實現重組整合形成的。

教學過程中，學生往往提出有關“為什么加熱沒有使遺傳物質失活？”問題，此時教師可直接補充“加熱所使用的溫度”與“遺傳物質的熱穩定性”等資料加以說明，也可“留白”，讓學生課后自己搜集材料思考。

本環節教學中，教師還設計兩個問題來觀察學生對這一主題是否真正理解，以及學生能否運用實證的方法獲取相關經驗。問題①：請用現代生物學相關方法區分RII活菌是轉化為SII型，還是SIII型？問題②：請分析格里菲斯第四組實驗小鼠體內兩種類型細菌的數量變化？值得欣慰的是，關于第一個問題學生在教師引導下能夠提出三種解決方案：①微生物形態結構顯微觀察；②DNA分子雜交技術；③免疫反應抗體分析。關于第二問題學生也能做出正確判斷：R型先降后升，S型從無到有。

3.“艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗”的論證式教學

先拋出“艾弗里的實驗結論不被當時大多數科學家接受”的史實引發學生疑問，接著展示還原后的真實的艾弗里實驗方案，再讓學生對比教材編者處理過的實驗方案，使得學生認識到雖然物質分離方法不同，一個采用現代提取分離提純技術，一個采用酶解逐個成分去除技術，但實驗設計思路是一致的。從中提示學生注意艾弗里采取上述方法是受限于提取分離技術，使其初步認識到技術與科學之間的關系。最后，引導學生分析實驗現象，肯定艾弗里實驗結論的正確性。并簡要補充介紹當時社會背景和一些導致艾弗里成為諾貝爾獎遺漏之珠的科學事件，讓學生領悟科學發展的曲折以及科學精神。

4.“噬菌體侵染細菌實驗”與“重組煙草花葉病毒接種實驗”的論證式教學

關于噬菌體侵染細菌實驗的復習，先通過問題引導學生思考實驗材料選擇的依據，并從材料選擇引出實驗設計思路。然后引導學生思考該實驗如何實現DNA與蛋白質分離的觀測，得出同位素標記方法。接著引導學生將實驗現象和實驗結論有機聯系起來。再運用反證法說明蛋白質不是遺傳物質。重組煙草花葉病毒接種實驗方案則作為補充資料，用來修正“DNA是生物的遺傳物質”這一主張。并通過細胞生物和非細胞生物的遺傳物質比較表，進一步完善、達成共識“DNA是主要的遺傳物質”。

最后，從上述相關實驗，歸納總結作為遺傳物質的四個基本條件。肺炎雙球菌轉化實驗說明：①遺傳物質能控制生物的性狀；②遺傳物質既保持相對穩定，又可產生變異。噬菌體侵染細菌實驗說明：③遺傳物質能夠自我復制；④遺傳物質能夠控制蛋白質合成，貯存遺傳信息。并讓學生回顧DNA的分子結構特點和三大功能，突出DNA作為遺傳物質的結構特點和功能特點。

雖然本節教學內容多、難度大，但通過論證式教學，能有效調動學生學習興趣與參與度；以教材中豐富的科學史資料，采用問題串的形式逐步引導學生推理、質疑與論證，既鍛煉學生邏輯論證的思維能力和語言表達能力，又能夠及時幫助學生解決新課教學遺留的問題，建構正確的概念體系，提高學生的生物科學素養。

（責任編輯：陳欣）