從實驗設計思路和原則角度領悟生物學核心概念

王玉霞

教學的依據不是教材，而是課程標準。《普通高中生物課程標準（實驗）》的四條基本理念是提高生物科學素養、面向全體學生、倡導探究性學習和注重與現實生活的聯系，并倡導學生在解決實際問題的過程中深入理解生物學的核心概念。可見“提高生物科學素養”的核心是教師要進行生物學概念的教學，尤其是核心概念的教學。美國的布魯納曾說：概念學習是人類學習的核心。因此，在生物學課堂教學中應采取多種策略，如以學生儲備的知識構建核心概念、以學生活動構建核心概念、以實驗構建核心概念等，幫助學生深入理解生物學核心概念，促進學生生物科學素養的形成。

1.考綱要求及教學策略

在高三一輪復習中，學生對知識已有一定的認識，失去新鮮感，因而教師不能對知識進行簡單的重現，而應引導學生立足教材，夯實基礎知識和基本技能，提高理性思維能力。考綱中對“人類對遺傳物質的探索過程”為Ⅱ類要求，“DNA是主要的遺傳物質”一節中“遺傳物質”是生物學概念，“DNA是遺傳物質，遺傳信息的傳遞是通過DNA復制實現的”是核心概念，核心概念的教學實際上是建立在一般概念、原理和規律之上的對生物學核心問題認識和理解的構建[1]，前者是構建后者的重要基石。“遺傳物質”是親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質，如何理解“DNA是遺傳物質，遺傳信息的傳遞是通過DNA復制實現的”這一核心概念？布魯納認為“人是通過認知表征的過程來獲得知識、實現學習的”。因此，教師不能不遵循認知結構學習的規律，更不能用教師思維替代學生思維的發生、發展、延伸。教師可以科學家的研究歷程為背景資料，引導學生思考實驗設計思路，分析實驗現象，使學生從形象表征走向抽象表針，進而理解核心概念。本節復習思路：遺傳現象→探究遺傳物質→遺傳物質必備條件→經典實驗分析→正確理解“DNA是遺傳物質，遺傳信息的傳遞是通過DNA復制實現的”和“DNA是主要的遺傳物質”。

2.復習過程

2.1導入

生命之所以能夠一代一代地延續，主要是因為遺傳物質綿延不斷地向后代傳遞，從而使后代具有與前代相同的性狀。遺傳給后代的究竟是什么？通過對細胞結構、細胞分裂、受精作用的學習可知，遺傳給后代的細胞是精子和卵細胞，遺傳給后代的結構是染色體，染色體在生物的傳宗接代過程中，保持一定的穩定性和連續性。染色體的主要成分是DNA和蛋白質，誰才是遺傳給后代的物質呢？引導學生思考“作為遺傳物質，必須具備哪些條件”，使學生對遺傳物質有正確的認識。遺傳物質需滿足以下四個條件：（1）能夠精確地自我復制，使前后代具有一定的連續性。（2）能夠指導蛋白質的合成，從而控制生物的性狀和新陳代謝的過程。（3）具有貯存大量遺傳信息的潛在能力。（4）具有相對的穩定性，可產生可遺傳的變異。

2.2設計實驗探究“遺傳物質究竟是什么”

田奇林老師在《做一位“發展學生高階思維能力”的積極踐行者》中指出[2]：前天——授人以魚，“灌知識”“灌方法”，用自己的理解代替學生的理解；昨天——授人以漁，學會閱讀學習，變革接受學習，；今天——授人以漁場，給學生提供信息場、創設問題場、留足探索場、提供創造場、建構情感場，讓學生摸索著捕，如有不會，再有針對性地指導；明天——“做科學”，生物是一門實驗學科。因此，在高中生物學教學中，教師應發展學生理性思維，動腦動手，加強學生實驗設計能力尤其是實驗設計思路的培養和訓練。

根據導入中染色體的主要成分是DNA和蛋白質及遺傳物質的滿足條件可知，遺傳物質是DNA或蛋白質，依據實驗設計的單一變量原則和對照原則，實驗應設法將DNA和蛋白質分開，可通過分離提純法或同位素標記法實現，然后單獨看其作用。若是探究未知病毒遺傳物質是DNA還是RNA，可利用酶的專一性，通過酶解法，破壞一種物質，看另一種物質，也可以使用病毒重組法。

2.3教材中的三個經典實驗如何體現單一變量原則和對照原則

從實驗設計的兩大原則角度，重新審視經典實驗，加深對實驗的理解。將教材中的基礎和主干知識以問題的形式呈現給學生，既能夯實基礎，又能提高實驗設計和分析能力。

2.3.1肺炎雙球菌體內轉化實驗

（1）R型活細菌 小鼠→健康

（2）S型活細菌 小鼠→死亡

（3）加熱后殺死的S型細菌 小鼠→健康

（4）R型活細菌+加熱后殺死的S型細菌 小鼠→死亡

（1）（2）兩組通過控制細菌的類型進行對照，可知R型活細菌是無毒的，而S型活細菌是有毒的。（2）（3）兩組通過控制S型細菌的存活狀態進行對照，可知加熱后殺死的S型細菌是無毒的。在此基礎上進行的第（4）組實驗，實驗現象是小鼠死亡，從小鼠體內分離出S型活細菌，但是注射到小鼠體內的是活的R型細菌和加熱殺死的S型細菌，小鼠體內無毒的R型活細菌轉化有毒的S型活細菌的實質是什么？第（4）組死亡的小鼠體內都是S型活細菌嗎？為什么？

由該實驗可知：S型菌中有轉化因子，那么究竟S型菌中的什么物質是轉化因子呢？怎么從S型菌的組成成分中判斷哪種物質是轉化因子，實驗怎么設計，為什么這樣設計？引導學生運用單一變量原則和對照原則積極思考。要判斷S型菌中哪種物質是轉化因子，要設法將S型菌的各種組成成分分開，單獨觀察其作用。

2.3.2肺炎雙球菌體外轉化實驗

（1）S型菌的DNA+R型菌→R型菌和S型菌

（2）S型菌的蛋白質+R型菌→R型菌

（3）S型菌的多糖+R型菌→R型菌

（4）S型菌的DNA+DNA酶+R型菌→R型菌

（1）（2）（3）三組通過控制S型菌的組成成分進行對照，可知S型菌的DNA使R型菌轉化為S型菌，S型菌的蛋白質和多糖不可以。（1）（4）兩組通過控制是否加入DNA酶進行對照，可知轉化因子是DNA，而不是DNA的分解產物。進一步拋出問題，既然實驗遵循了單一變量原則和對照原則，設計合理，那么為什么仍有人對該實驗的結論提出質疑？從而訓練學生的批判思維能力。

分離提純得到的物質純度不能達到100%，有沒有更好的方法將DNA和蛋白質區分開來？選擇什么實驗材料最合適？

2.3.3T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗

選擇合適的實驗材料是十分重要的。從實驗操作程度和可控制性等方面看，最好選擇只有DNA和蛋白質這兩種物質作為組成成分的生物為實驗材料。既然無法通過提純得到100%的相關物質，我們就要追蹤DNA和蛋白質的作用，可以用什么方法？引導學生對分泌蛋白形成的復習，得出采用放射性同位素標記法。放射性強度是實驗觀察指標，我們不能判斷具體是哪種物質哪種元素產生的放射性，因而只能對DNA和蛋白質分別進行標記，且標記DNA的特有元素和蛋白質的特有元素。實驗通過控制噬菌體中被標記的物質進行對照，可知噬菌體侵染細菌時，噬菌體的DNA進入到細菌細胞中，而噬菌體的蛋白質仍留在細菌細胞外，且兩組都產生了子代噬菌體，子代噬菌體中只檢測到 P，沒有檢測到 S。因此 P標記的DNA是親代噬菌體與子代噬菌體之間傳遞遺傳信息的物質，即DNA是遺傳物質。引導學生進一步思考：既然DNA進入細菌體內，蛋白質未進入，為什么 P標記的噬菌體侵染大腸桿菌時，上清液中含有很低放射性？為什么 S標記的噬菌體侵染大腸桿菌時，沉淀物中含有很低放射性？由此，對今后的實驗操作和實驗設計有什么啟發？

自然界中并不是所有的生物都有DNA，如煙草花葉病毒、艾滋病病毒只有RNA和蛋白質兩種成分，可通過病毒重組法或酶解法探究其遺傳物質。通過對遺傳物質的探究發現自然界中大多數生物都是以DNA為遺傳物質，所以“DNA是主要的遺傳物質”。

3.反思

生物學核心概念的理解不是一節課或一個自然章節就可以完成的，通常需要花費較長時間，從多角度學習才能形成。雖然遺傳物質不是核心概念，但它是構建核心概念的基石，在“遺傳物質”概念的基礎上，教師通過引導學生從實驗設計思路和原則角度，抽絲剝繭，分析科學家的經典實驗，揭開遺傳物質的面紗，理解“DNA是遺傳物質”，而對“遺傳信息的傳遞是通過DNA復制實現的”只能通過后續章節來建立。

參考文獻：

[1]朱曉林.高中生物學教材中核心概念的界定和基本劃分.生物學教學，2010，35（12）：20-22.

[2]田奇林.做一位“發展學生高階思維能力”的積極踐行者.中學生物教學，2014（7）：6-9.