基于科學史建構(gòu)生物學重要概念的實踐分析

孟凡龍　劉滿希

摘要 基于實證研究、問題探究、模型實踐建構(gòu)生物學中的一些重要概念，引導學生深度分析、深入理解、遷移應用有關的生物學重要概念。

關鍵詞 科學史 重要概念 教學實踐

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生命科學史描繪了生命科學的起源和概念、原理的發(fā)展過程，揭示了自然科學的本質(zhì)，展現(xiàn)了客觀真理的發(fā)現(xiàn)歷史，蘊含了科學的本質(zhì)和科學研究的思路和方法，呈現(xiàn)了科學家的科學態(tài)度、科學精神和科學世界觀，具有重要的教育價值。將生命科學史融入生物課堂教學中，教師既可以依托實證教學，逐步呈現(xiàn)各種基本概念和原理在實驗中產(chǎn)生和發(fā)展的歷史，挖掘和闡述生物科學知識的形成過程，全面提高學生的概念理解水平；還可以在基礎知識教學中，通過問題探究方式，使學生深入理解科學家獨特的科學方法，體悟到創(chuàng)造性的科學思維；還可以將歷史重演，通過模型實踐還原知識的形成過程，讓學生建構(gòu)新的重要概念，培養(yǎng)學生良好的科學思維品質(zhì)和科學思維能力。

1基于實證研究建構(gòu)重要概念

實證研究是指研究者親自收集觀察資料，為提出理論假設或檢驗理論假設而展開的研究。實證研究的基本原則是科學結(jié)論要注重客觀性和普遍性，強調(diào)知識必須建立在觀察和實驗的經(jīng)驗事實上，通過經(jīng)驗觀察的數(shù)據(jù)和實驗研究的手段來揭示一般結(jié)論，并且要求這種結(jié)論在同一條件下具有可證性。

在建構(gòu)“DNA分子進行半保留復制”這一重要概念時，教師先后呈現(xiàn)背景資料1：①每個DNA上具有特定的遺傳信息，一個親代DNA分子復制產(chǎn)生的兩個子代DNA的遺傳信息必須完全相同。②堿基互補配對原則是DNA分子的結(jié)構(gòu)基礎，在DNA復制過程中也起著重要的指導作用。學生通過分析資料1，預測DNA分子的復制可能是通過全保留復制、半保留復制或彌散復制進行的。

資料2：1958年，美國科學家米西爾森和斯塔爾設計了很巧妙的實驗。將大腸桿菌在以¹⁵NH₄Cl為唯一氮源的培養(yǎng)基上生長，獲得15N標記的大腸桿菌，再將其轉(zhuǎn)移到普通培養(yǎng)基（含¹⁴N的氮源）中培養(yǎng)，經(jīng)過一代培養(yǎng)后得到的子一代DNA兩條鏈分別含有哪種N元素？將子一代DNA進行氯化銫密度梯度離心，其結(jié)果如何分布？若將每個子一代DNA通過加熱得到兩條單鏈，再進行離心，其結(jié)果又會如何分布？各學習小組根據(jù)資料2，在教師的指導下討論、預測不同復制情況下的實驗結(jié)果，并繪制子一代DNA在氯化銫溶液中的位置，并了解：由于這類實驗所研究的復制中的DNA在提取過程中已被斷裂成許多片段，得到的信息只涉及DNA復制前和復制后的狀態(tài)，無法觀察到完整的DNA復制過程。

資料3：1963年Cairns用放射自顯影技術將³H-脫氧胸苷標記大腸桿菌DNA，然后用溶菌酶消化掉細胞壁，釋放出完整DNA，鋪在一張透析膜上，在暗處用感光乳膠覆蓋于干燥的表面上幾星期。期間³H由于放射性衰變而放出B粒子，使乳膠曝光生成銀粒。顯影后銀粒黑點軌跡勾畫出DNA分子的形狀，黑點數(shù)目代表了³H在DNA分子中的密度。把顯影后的片子放在顯微鏡下即可觀察到大腸桿菌DNA全貌。學生分析資料3，深入理解DNA分子的復制結(jié)果特點表現(xiàn)為半保留復制。

教學過程中，教師引導學生立足科學史中的實證資料，經(jīng)歷“預測實驗結(jié)果、觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗本質(zhì)”的過程來深入理解DNA的復制方式是半保留復制的原因，有利于培養(yǎng)學生依據(jù)觀察、推論、實證來理解科學研究的思路和方法，進而認同生物學科的科學本質(zhì)和理科屬性，提升學生生物學學科素養(yǎng)。

2基于問題探究建構(gòu)重要概念

問題探究法是指在教學過程中精心創(chuàng)造條件，激發(fā)學生提出問題，并以問題為主線，通過師生共同探討研究，得出結(jié)論，從而使學生獲得知識、發(fā)展能力的一種教學方法。問題探究法本質(zhì)上是一種發(fā)現(xiàn)教學，側(cè)重于讓學生通過自己的探索來發(fā)現(xiàn)知識。教學通過問題探究研究學生的常規(guī)思維方法和能力水平，幫助學生發(fā)現(xiàn)問題并確定問題性質(zhì)，鼓勵學生作出大膽假設，并進行討論。

在建構(gòu)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念時，教師呈現(xiàn)1928年格里菲思進行了肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗，請學生敘述實驗流程。教師設計問題引導學生討論：肺炎雙球菌有無毒性主要取決于什么？在第三組中被加熱殺死的S型細菌還有沒有毒性？在第四組的加熱殺死的S菌+R菌'S菌+R菌中，是哪種球菌導致小鼠死亡？第四組小鼠體內(nèi)分離出S型活細菌是在開始時注射進去的，還是混合后重新出現(xiàn)的？

針對格里菲思的實驗主張，教師引導學生分析實驗變量和對照實驗，使學生進一步深入理解實驗的設計思路。學習小組交流討論，嘗試設計科學實驗或改進格里菲思的實驗設計來支持格里菲思的實驗主張。教師追問：20世紀中葉，科學家發(fā)現(xiàn)，染色體主要由蛋白質(zhì)和DNA組成。那么，DNA和蛋白質(zhì)，哪種物質(zhì)才是遺傳物質(zhì)呢？如何去證明呢？

教師呈現(xiàn)1944年艾弗里的實驗，引導學生質(zhì)疑：僅根據(jù)S菌的DNA+R菌→S菌+R菌，能否肯定S菌的DNA就是轉(zhuǎn)化因子，即遺傳物質(zhì)呢？可以再設計一個對照實驗：S菌的DNA+DNA酶+R菌→R菌，當然也可以設計S菌的RNA+RNA酶+R菌→R菌，R菌的DNA+DNA酶+S菌→S菌。根據(jù)實驗結(jié)果，說明只有保持DNA結(jié)構(gòu)的完整性才能體現(xiàn)轉(zhuǎn)化作用，進一步說明了DNA是轉(zhuǎn)化因子。

教師呈現(xiàn)1952年T₂噬菌體侵染細菌的實驗，要求學生分析下列問題：①由于肉眼無法觀察T2噬菌體侵染細菌的過程，科學家如何知道DNA進入到細菌細胞內(nèi)，而蛋白質(zhì)沒有進入呢？②如何對元素進行標記才能區(qū)分DNA和蛋白質(zhì)？實驗要設計成幾組？為什么？③如何用放射性同位素³²P標記T2噬菌體的DNA？如何用放射性同位素³⁵S標記T2噬菌體的蛋白質(zhì)？④用³²P標記DNA的T₂噬菌體侵染普通細菌，經(jīng)攪拌、離心后實驗結(jié)果將會如何？請解釋原因。⑤用³⁵S標記蛋白質(zhì)的T₂噬菌體侵染普通細菌，經(jīng)攪拌、離心后實驗結(jié)果將會如何？請解釋原因。⑥根據(jù)這個實驗，你能得出什么結(jié)論？

同時，教師引導學生設計驗證性實驗：用¹⁵N標記的噬菌體侵染未標記的細菌、用未標記的噬菌體侵染³⁵S標記的細菌，經(jīng)攪拌、離心后檢測到放射性主要部位應該在哪里呢？

最后，教師引導學生分析下列問題，促進學生形成“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一重要概念：①大多數(shù)生物以什么作為遺傳物質(zhì)？這些生物有哪些？②少數(shù)生物以什么作為遺傳物質(zhì)？這些生物有哪些？③DNA是主要的遺傳物質(zhì)，你如何理解“主要”的含義？以此來加強學生對遺傳物質(zhì)的深度理解。

教學過程中，教師精心設置問題，引導學生發(fā)散思維、設計探究實驗，進而發(fā)展學生的科學思維。問題的設置有利于激發(fā)學生的學習能力，提升學生的思維能力，使教學源于科學史但又超越科學史，從而推動學生的推理、再認知，使學生深入理解科學探究的本質(zhì)，發(fā)展批判性思維，提升科學素養(yǎng)。

3基于模型實踐建構(gòu)重要概念

模型和建模在生物學教學中有著重要的教育意義，也是生物學核心素養(yǎng)中理性思維的重要組成部分。模型實踐是通過構(gòu)建模型來研究、揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的實施過程，一般采用集體教學和小組活動兩個互補性基本教學方式構(gòu)成，有利于培養(yǎng)學生主動學習和創(chuàng)造性學習的精神，提高課堂教學效率。

在建構(gòu)“細胞膜的流動鑲嵌模型”這一重要概念時，教師呈現(xiàn)以下資料。

資料1：1895年，歐文頓選用500多種化學物質(zhì)對植物細胞膜的通透性進行了上萬次的研究，發(fā)現(xiàn)：凡是易溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，易通過細胞膜；反之，不易溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，不易穿過細胞膜，并且細胞膜會被溶解脂質(zhì)的溶劑溶解。同時，有科學家對細胞膜化學成分深層分析發(fā)現(xiàn)，細胞膜會被蛋白酶分解。

資料2：1917年朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)在水面上形成脂單層。

資料3：1925年荷蘭科學家戈特和格倫德爾，分離純化了紅細胞中的脂質(zhì)，發(fā)現(xiàn)提取的脂質(zhì)鋪展后所測得的面積同實際測量的紅細胞的表面積之比為（1.8～2.2）：1，約為兩倍。

資料4：1959年羅伯特森根據(jù)電子顯微鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)細胞膜是類似鐵軌結(jié)構(gòu)，兩條暗線被一條明亮的帶隔開，顯示暗一明一暗的三層，總厚度為7.5 nm，中間層為3.5 nm，內(nèi)外兩層各為2 nm。并推測：暗層是蛋白質(zhì)，透明層是脂，并建議將這種結(jié)構(gòu)稱為單位膜。

教師呈現(xiàn)資料5：1970年費雷等將人和鼠的細胞膜用不同的熒光抗體標記，讓兩種細胞融合，雜交細胞的一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

教師呈現(xiàn)資料6：1972年桑格和尼克森根據(jù)免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結(jié)果，在“單位膜”模型的基礎上提出“流動鑲嵌模型”。

師生針對資料1，分析實驗材料，推測細胞膜可能的化學成分。教師提供磷脂分子特性，引導學生根據(jù)資料2，利用軟磁鐵在黑板上建構(gòu)磷脂分子在空氣-水界面上的排布模型。學生分析資料3，嘗試使用多個軟磁鐵在黑板上建構(gòu)細胞膜中磷脂分子的排布模型。學生分析資料4，嘗試使用多個軟磁鐵建構(gòu)單位膜上磷脂和蛋白質(zhì)分子的排布模型。學生分析資料5，回答問題：該實驗說明了細胞膜上的分子具有怎樣的特性？學生分析資料6，嘗試建構(gòu)細胞膜完整的結(jié)構(gòu)模型。

教師充分利用科學史資料，遵循科學家的發(fā)現(xiàn)歷程，培養(yǎng)學生的科學思維，使學生逐步建構(gòu)細胞膜的結(jié)構(gòu)模型。教學中，教師注重科學史的教育引領作用，不斷激發(fā)學生的科學探究興趣，培養(yǎng)學生的科學

2教學目標

（1）描述遺傳物質(zhì)探索過程中幾個經(jīng)典實驗的實驗步驟、設計思路、實驗方法及實驗結(jié)論。

（2）說出推導實驗結(jié)論時的思考過程，通過分析、比較、推理和歸納培養(yǎng)理性思維能力。

（3）通過學習遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程，認同科學認識是不斷深化、不斷完善的過程，體驗科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和不斷探究的科學精神。

3教學過程

3.1創(chuàng)設情境，提出問題

教師展示一株“智慧樹”，要求學生結(jié)合學案思考下列問題：

①19世紀中期，孟德爾通過豌豆雜交實驗證明了生物的性狀是由什么控制的？精神。科學是一個發(fā)展的過程，學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質(zhì)和科學研究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，對提高學生的生物學核心素養(yǎng)是很有意義的。在平時的教學過程中，教師要充分挖掘相關科學史，采用多種教學策略幫助學生深度理解有關生物學重要概念的內(nèi)涵與外延；同時，還要關注科學史本身的哲學、社會學等人文研究價值及其現(xiàn)實意義，引導學生正確、全面地理解科學史實，培養(yǎng)學生的科學思維，提升學生的生物學核心素養(yǎng)。