利用生物學史組織探究性學習的案例及反思

王嵐

摘 要 以T2噬菌體侵染細菌實驗的教學為例，介紹如何利用生物科學史上的經典實驗組織探究性學習，并結合案例對科學史教學和探究性學習進行反思。

關鍵詞 科學史 探究性學習 案例 反思

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0029 - 03

1 教學案例：在T2噬菌體侵染細菌實驗的教學中組織探究活動

本案例的科學史背景：艾弗里從肺炎雙球菌體外轉化實驗，得出DNA是遺傳物質的結論。但由于該實驗DNA提取不純，無法將DNA和蛋白質完全區分開，影響了實驗結果的可信度。

教師提出問題：為了判斷蛋白質和DNA哪種是遺傳物質，應如何進一步進行探究？

“想辦法將蛋白質和DNA真正區分開，分別觀察蛋白質和DNA的作用。”學生很快作出了回答。

教師首先肯定學生的回答，并要求學生以寄生在大腸桿菌體內的病毒——T2噬菌體為實驗材料進行探究實驗。

教師提供背景知識：T2噬菌體的化學組分中60%是蛋白質，40%是DNA；噬菌體侵染細菌時，將自身遺傳物質注入細菌體內，并在自身遺傳物質的作用下，利用細菌體內的物質來合成自身的組成成分，從而進行增殖；之后細菌裂解，子代噬菌體釋放出來。

每6名學生組成1個學習小組，各小組分組討論實驗方案。通過討論，各組分別找到突破口，紛紛發表意見。

有一學習小組提出：T2噬菌體侵染細菌后，將自身遺傳物質注入細菌體內，那我們關鍵要搞清楚注入細菌體內的是蛋白質還是DNA。

還有一個小組提出：生物課上，我們探討過遺傳物質的特征，其中有一條是遺傳物質在親代和子代之間具有連續性。我們可以研究子代噬菌體“繼承”了親代噬菌體的什么物質。

教師表揚這兩組抓住了問題的關鍵，并讓他們各插上一面象征勝利的“探索旗”。

教師：這兩種思路都非常好！那么，我們兵分兩路，開始探究之旅。臨行時，我給大家一個錦囊——里面有一些神奇的工具，例如能跟蹤某種生物大分子的“跟蹤小人”等。同學們遇到技術上的難題可以求助于它。好了，開始設計實驗吧！

各學習小組繼續設計實驗。

教師巡視指導，并挑選了方案比較有代表性的兩個小組進行展示。小組展示后，各小組再繼續進行討論。全班學生集思廣益，實驗方案得到進一步改善（這兩個小組以及提出了建設性意見的小組都獲得了探索旗）。

以下是學生設計出的兩種實驗方案：

[方案A]

擬解決的問題是：當T2噬菌體侵染細菌時，注入細菌體內的是蛋白質，還是DNA？

實驗設計：利用錦囊里的“跟蹤小人”，對T2噬菌體的DNA和蛋白質分別進行跟蹤。用噬菌體感染細菌，待遺傳物質注入細菌體內后，把細菌（內含噬菌體的遺傳物質）和留在細菌外面的噬菌體顆粒分離開。從“跟蹤小人”發出的信號，就可以知道DNA和蛋白質哪個在細菌體內哪個在細菌體外。

注入細菌體內的就是遺傳物質；留在細菌外的則不是遺傳物質。

[方案B]

擬解決的問題是：子代T2噬菌體“繼承”了親代噬菌體的什么物質？

實驗設計：利用錦囊中的“跟蹤小人”，對T2噬菌體的DNA和蛋白質分別進行跟蹤。待細菌裂解后，觀察子代噬菌體是否含有親代的蛋白質或DNA。

如果子代噬菌體含有親代蛋白質，則說明蛋白質在親代與子代之間具有連續性，那么蛋白質是遺傳物質；反之則說明蛋白質不是遺傳物質。

同理，通過辨別子代噬菌體是否含有親代DNA，判斷DNA是不是遺傳物質。

教師對這兩個方案給予了充分肯定，并繼續提出問題：同學們借用的“跟蹤小人”，其神奇之處在于能把DNA和蛋白質區分開來，分別跟蹤。我們怎樣從現實中找到這樣的工具呢？

教師提供繼續探究的背景知識：對T2噬菌體的蛋白質和DNA的分析表明，硫元素僅存在于蛋白質分子中，幾乎所有的磷元素都存在于DNA分子中。

各學習小組立刻展開了討論。很快，有一個學習小組表示他們獲得了重大發現：上學期學過的“同位素標記法”能實現“跟蹤小人”的功能。分別用P和S的同位素作示蹤元素，可以實現對DNA和蛋白質的分別標記，并可利用其放射性進行追蹤。

學生大受啟發，積極對上述兩個方案進行調整，最先完成的兩個小組獲得了成果發布權。

以下是學生調整過的實驗方案：

[方案A]

用32P標記T2噬菌體的DNA，進行侵染實驗。待遺傳物質注入細菌體內后，把細菌（內含噬菌體的遺傳物質）和留在細菌外面的噬菌體顆粒分離開來，進行放射性同位素檢測。

如果在被感染的細菌中檢測到放射性，則說明DNA被注入細菌體內，DNA是遺傳物質；如果在細菌外的噬菌體顆粒中檢測到放射性，則說明DNA不是遺傳物質。

同樣，再用35S標記T2噬菌體的蛋白質，做同樣的侵染實驗，檢測判斷蛋白質是不是遺傳物質。

[方案B]

用32P標記T2噬菌體的DNA，進行侵染實驗。待細菌裂解后，對子代噬菌體進行放射性同位素檢測。

如果在子代噬菌體中檢測到被32P標記的DNA，則說明DNA在親代與子代之間具有連續性，DNA是遺傳物質。若檢測不到，則說明DNA不是遺傳物質。

同樣，再用35S標記T2噬菌體的蛋白質，做同樣的侵染實驗，檢測判斷蛋白質是不是遺傳物質。

“非常好！”教師對學生能很好地整合以前學過的知識感到很滿意（這兩個小組獲得探究旗）。教師繼續提問：“這兩個方案都提到用磷的同位素和硫的同位素來分別標記噬菌體，如何實現這種標記呢？”

各小組又開始了熱烈討論。不久，有小組找到了合理可行的方法——先制備含有32P的培養基，在其中培養細菌。用普通噬菌體侵染此細菌，獲得的子代噬菌體即實現了被磷的同位素標記。同理可獲得被硫的同位素標記的噬菌體。

教師贊賞地示意該組插探究旗，并適時引導學生深刻認識技術與科學相互促進的辯證關系。

教師繼續組織討論，要求學生對兩種設計方案進行比較，找出它們的區別和聯系。

這個任務比較簡單，各小組都踴躍回答。經過前面的幾輪發言，小組間已拉開差距。此時教師特地請了一個在此次探究過程中表現相對較弱的組來回答。雖然該小組的答案不夠完整，但仍然得到了探究旗。

經過其他小組的補充，學生形成了較為全面的觀點：兩個實驗方案的基本思路相同，都是將DNA與蛋白質分開來觀察；實驗技術、方法也一脈相承。不同點在于探究的切入點不同，方案A在細菌裂解前進行放射性同位素檢測，分辨被作為遺傳物質注入細菌體內的是蛋白質還是DNA；而方案B則抓住了遺傳物質在親代和子代之間具有連續性的特征，在細菌裂解后對子代噬菌體進行同位素檢測。

教師十分滿意學生能夠進行細致準確的分析比較，并且告訴學生，他們的設計與科學家不謀而合。學生的興趣被調動起來，他們非常想了解科學家的經典實驗。他們興致勃勃地聽教師介紹1952年赫爾希和蔡斯完成的噬菌體侵染細菌的實驗過程。

“太好了！”學生為自己能與科學家想到一起感到非常自豪。“實驗結果呢？”學生急切地想驗證自己的假設。

教師介紹了實驗結果：

（1） 用32P標記的一組侵染實驗主要在被感染的細菌中檢測到放射性同位素；用35S標記的實驗，則主要是留在細菌外的噬菌體顆粒中能檢測到放射性同位素。

（2） 細菌裂解后，在釋放出的大量噬菌體中，可以檢測到32P標記的DNA而不能檢出35S標記的蛋白質。

學生若有所思，仔細地思考本組設計的實驗方案。

稍后，教師提出問題：實驗的結論是什么？

“DNA是遺傳物質！”學生異口同聲地回答。

教師要求學生根據實驗方案和結論，完成表1。

接著，教師組織學生對這個經典實驗能夠成功的原因進行小結。

學生由衷贊嘆科學家選取噬菌體作為實驗材料的高明之處，實驗設計嚴謹巧妙，離心分離和同位素標記等技術為實驗提供了強大的支撐，并且認識到科學家必然經歷了艱辛漫長的探索過程。學生在老師指導下進行的探究實際上是簡化了的模擬活動，可以說，學生的探究是站在巨人的肩膀上完成的。

最后，各組匯報戰果——探索旗的數目。在學生們的掌聲和歡笑聲中，本次探究之旅圓滿結束。

2 反思

2.1 充分運用科學史組織探究性學習

一部科學史就是一部探究史，正如美國科學史家薩頓所說：“一部科學史，在很大程度上就是一部工具史，這些工具，無論有形或無形，都是由一系列人物創造出來，以解決他們遇到的某些問題，每種工具和方法都是人類智慧的結晶。”科學史的內容在很大程度上反映了科學家的探究活動與方法，是理解科學探究、掌握科學方法的良好范例。教師利用生物學史組織探究性學習，可以讓學生站在巨人的肩膀上，親歷探究過程、領悟科學方法、獲取科學知識、提高科學精神。在教學中，教師應充分運用科學史組織探究性學習。

2.2 處理好預設和生成的關系

有生命力的課堂是生成性的課堂。在生成性的課堂上，教師提出開放性的問題，組織學生進行有效的討論，傾聽真實的聲音，注重發揮學生的主體性，而不是把學生直接引向“標準答案”。在本案例中，學生設計的方案多種多樣，各有特點。教師在巡回指導時，對各種方案進行單獨點評，然后選取具有代表性的方案交給全體學生共同研討改進。

2.3 合理調控探究的難度

探究活動對學生的思維能力提出了一定的要求，教師應通過認真分析、精心設計，使這些要求落在學生的最近發展區。教師應控制好問題的難度和梯度，適時啟發引導學生，確保探究活動順利、有效地進行。否則，探究容易淪為漫無目的的討論和盲目的摸索。例如，本案例中教師先提供“錦囊”，再引導學生尋找合適的實驗技術，意在把實驗設計與尋找技術支撐兩個任務分開，逐一解決，從而降低探究難度。“錦囊”的設計是為特定的教學對象量身定做的，如果換成思維能力更強的學生，則可略去此環節，增大思維跨度，以適應學生的內在需求。

2.4 重視形成性評價

形成性評價強調對學生的學習過程進行持續的評價──不僅評價學生對知識的掌握情況，更為重要的是，要對他們在學習過程中的表現、所取得的成績以及所反映出來的情感、態度、學習策略等方面的情況進行評價。本案例中，學生鄭重其事地畫下的“探索旗”是腦力勞動的見證、良好表現的獎勵和競爭優勝的標志，是教師的肯定，更是自我的肯定。在“探索旗”的激勵下，學生興趣更濃、熱情更高、信心更強，從而有力地保證了探究活動的參與度，提升了教學效果。另外，“探索旗”傳遞給學生“努力就有獎勵，獎勵來自努力”的感受，促使學生把成功歸結于自己的能力和努力，逐步形成良好的歸因傾向。這有助于學生形成積極進取的品質，對他們的長遠發展是大有裨益的。

參考文獻：

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