貫穿科學(xué)探究的生物學(xué)課堂

陳伶莉 胡雪峰

摘要 以遺傳物質(zhì)本質(zhì)的探究歷程為明線索，以假說一演繹法的一般流程作為暗線索貫穿整個課堂，通過對科學(xué)家經(jīng)典實驗的深入學(xué)習(xí)與剖析，增強學(xué)生的科學(xué)探究能力和實驗設(shè)計的技能。

關(guān)鍵詞 遺傳物質(zhì) 科學(xué)探究 實驗設(shè)計 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0003-03

1教材分析

《必修2·遺傳與進化》模塊的中“生物遺傳”內(nèi)容可劃分為“遺傳規(guī)律”和“遺傳本質(zhì)”兩個單元，其中“遺傳本質(zhì)”是在學(xué)習(xí)了“遺傳規(guī)律”的基礎(chǔ)之上，探索遺傳物質(zhì)的本質(zhì)及其表達方式，為進一步學(xué)習(xí)“生物的變異”與“生物的進化”奠定基礎(chǔ)。“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”屬于“遺傳本質(zhì)”單元，本節(jié)主要介紹遺傳物質(zhì)本質(zhì)探索歷程中肺炎雙球菌的體內(nèi)外轉(zhuǎn)化和噬菌體侵染大腸桿菌的兩個經(jīng)典實驗，通過對科學(xué)家經(jīng)典實驗的深入學(xué)習(xí)與剖析，增強學(xué)生的自主探究能力和實驗設(shè)計的技能，有助于提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生學(xué)習(xí)了本節(jié)內(nèi)容后，明確了DNA是主要的遺傳物質(zhì)，可為進一步探究遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、復(fù)制方式以及其本質(zhì)等指明方向。

2學(xué)習(xí)者分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了細胞的有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用等細胞學(xué)基礎(chǔ)知識，了解了DNA的基本單位以及染色體、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的化學(xué)組成，為新知識的學(xué)習(xí)奠定了堅實基礎(chǔ)。此外，學(xué)生通過之前“遺傳規(guī)律”單元的學(xué)習(xí)，也具備了一定了實驗設(shè)計能力。

學(xué)生已經(jīng)知道“遺傳因子”的概念，但不清楚“遺傳因子”的本質(zhì)是什么以及如何起作用。另外，部分學(xué)生的實驗設(shè)計能力還不夠完善。因此，教師在講課時應(yīng)適時布置任務(wù)，啟發(fā)學(xué)生思考實驗設(shè)計的思路，引導(dǎo)學(xué)生獨立設(shè)計實驗，培養(yǎng)其實驗設(shè)計的能力。

3教學(xué)目標

（1）舉例說明“轉(zhuǎn)化”的概念;舉例說明“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。

（2）分析格里菲斯的實驗過程，訓(xùn)練提出假設(shè)的技能;分析艾弗里和蔡斯的實驗過程，訓(xùn)練實驗設(shè)計的技能。

（3）認同人類對遺傳物質(zhì)本質(zhì)的探索是連續(xù)且不斷深化的過程;認同科學(xué)技術(shù)和科學(xué)發(fā)展是相輔相成的關(guān)系，技術(shù)進步促進科學(xué)發(fā)展，科學(xué)發(fā)展反過來又會促進科學(xué)技術(shù)的進一步提升;分析艾弗里和蔡斯的實驗過程，養(yǎng)成嚴謹、認真和實事求是的科學(xué)態(tài)度。

4教學(xué)過程

4.1問題探討，導(dǎo)入新課

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書4項“問題探討”的內(nèi)容，并啟發(fā)學(xué)生思考：遺傳物質(zhì)可能具有什么特點？教師隨機提問幾名學(xué)生，并在學(xué)生回答的過程中引導(dǎo)其完善答案：遺傳物質(zhì)應(yīng)具有信息性、傳遞性、復(fù)制性和變異性等特點。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生明確遺傳物質(zhì)應(yīng)該具有的特點，使學(xué)生能夠理解為什么當時科學(xué)家會認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

4.2新課教學(xué)

4.2.1對遺傳物質(zhì)的早期推測

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書42頁“對遺傳物質(zhì)的早期推測”相關(guān)內(nèi)容，并展示“染色體、蛋白質(zhì)和DNA”示意圖，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析20世紀20年代對生物大分子蛋白質(zhì)、DNA的研究現(xiàn)狀：當時人們已經(jīng)知道蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)特點使其具有信息性，而對DNA分子結(jié)構(gòu)尚未清晰了解，從而提出假說——蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

設(shè)計意圖：教師通過指導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)信息，使其了解當時科學(xué)家所處的社會環(huán)境和掌握的信息，引導(dǎo)學(xué)生提出假說——蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

4.2.2肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗

教師向?qū)W生說明：第一個通過確鑿的實驗證據(jù)向遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點發(fā)起挑戰(zhàn)的是美國科學(xué)家艾弗里，而艾弗里的實驗又是建立在格里菲斯的實驗基礎(chǔ)之上。這樣從而引入格里菲斯的肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗。

教師再展示格里菲斯的個人信息和生平簡介，介紹肺炎雙球菌類型及其亞型，并結(jié)合教師中的一、二組實驗過程介紹其不同的特點。根據(jù)構(gòu)成莢膜的多糖存在差異，將S型菌分為S-I、S-Ⅱ、S-Ⅲ三種亞型，Ⅲ型毒性最強。R型菌的亞型與S型菌的相似。教師介紹格里菲斯實驗的初衷：他觀察到感染S-Ⅱ（有毒）型的病患在愈后過程中，血清中出現(xiàn)R-Ⅱ病菌（無毒），即發(fā)生了突變。他思考：R-Ⅱ菌是否會回復(fù)突變?yōu)镾-Ⅱ菌？為此，他做了兩個實驗。

①通過肺炎雙球菌體外細胞培養(yǎng)實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：在體外連續(xù)培養(yǎng)多代的S型菌和R型菌，各亞型S型菌均可突變?yōu)橄鄳?yīng)亞型R型菌（S-I突變?yōu)镽-I;S-Ⅱ突變?yōu)镽-Ⅱ）。綜合觀察現(xiàn)象和實驗一結(jié)果，得出結(jié)論：R型菌是由S型菌突變產(chǎn)生的，且突變僅發(fā)生在同亞型間。

②通過肺炎雙球菌小鼠體內(nèi)培養(yǎng)實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：向小鼠體內(nèi)注射大量的某亞型R型菌，有時候能獲得相應(yīng)亞型的S型菌，而有時R型菌能夠在小鼠皮下組織存活2～3周也不會發(fā)生突變。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么會出現(xiàn)不同的結(jié)果？學(xué)生推測，當R型菌攜帶大量S型菌莢膜多糖時，才可能發(fā)生回復(fù)突變。接著，針對如何驗證該推測是否正確，教師引入書本上第三組實驗：將加熱殺死的s-Ⅲ型細菌注射入小鼠體內(nèi)，小鼠不死亡。證明無R型菌存在下，單獨的S型菌莢膜多糖無致死效應(yīng)。因此格里菲斯做了第四組實驗，將R-Ⅱ活菌+殺死S-Ⅲ菌混合物（莢膜多糖）注入小鼠體內(nèi)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：小鼠死亡，在死亡的小鼠體內(nèi)分離出S-Ⅲ活菌，并可穩(wěn)定遺傳。這說明格里菲斯的推測是正確的，由此引入“轉(zhuǎn)化”的概念。教師引導(dǎo)學(xué)生提出解釋實驗結(jié)果的假說：加熱殺死的s-Ⅲ型菌中含有“轉(zhuǎn)化因子”，使R-Ⅱ型活菌轉(zhuǎn)化為S-Ⅲ型活菌.

設(shè)計意圖：教師介紹科學(xué)家實驗的初衷，帶領(lǐng)學(xué)生回顧科學(xué)家的“提出問題、設(shè)計實驗、解決問題”的實驗流程，訓(xùn)練學(xué)生提出假說的能力。

4.2.3肺炎雙球菌的體外轉(zhuǎn)化實驗

教師進一步向?qū)W生說明：S型菌的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括DNA、蛋白質(zhì)和莢膜多糖等物質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如何設(shè)計實驗證明轉(zhuǎn)化因子究竟是S型菌的哪種成分呢？實驗設(shè)計的關(guān)鍵在于什么？教師安排學(xué)生分組討論，思考實驗設(shè)計的方案，使學(xué)生在合作學(xué)習(xí)中，領(lǐng)悟該實驗設(shè)計的關(guān)鍵思路：將S型菌的DNA、蛋白質(zhì)和莢膜多糖等物質(zhì)分離開，單獨觀察其作用。隨后，教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧艾弗里的經(jīng)典實驗過程，進一步引導(dǎo)學(xué)生思考：艾弗里為何還用S型菌的DNA與DNA酶混合后，再與R型菌混合培養(yǎng)？學(xué)生各自表達自己的觀點，教師引導(dǎo)學(xué)生修正結(jié)論。教師進一步向?qū)W生說明：艾弗里實驗證明S型菌的DNA是“轉(zhuǎn)化因子”，并且其DNA使R型菌轉(zhuǎn)變?yōu)镾型菌后這一性狀可以穩(wěn)定地遺傳給后代，因此，艾弗里提出了新的假說DNA是遺傳物質(zhì)。

教師補充說明當時一些科學(xué)家所認為的該實驗的不足：由于提純和分離技術(shù)的限制，艾弗里實驗中提取的DNA分子，即使純度最高時還含有質(zhì)量分數(shù)為0.02%的蛋白質(zhì)。

設(shè)計意圖：學(xué)生體會艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗的關(guān)鍵設(shè)計思路，進行實驗設(shè)計的技能訓(xùn)練，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和縝密的科學(xué)思維。

4.2.4噬菌體侵染細菌的實驗

教師接著向?qū)W生介紹赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，有利地證明了艾弗里的假說是正確的。教師展示T2噬菌體的模式圖，并介紹T2噬菌體的結(jié)構(gòu)及其特點：結(jié)構(gòu)簡單，只由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的DNA構(gòu)成，專一地寄生在大腸桿菌體內(nèi)。教師播放動畫，并介紹噬菌體侵染大腸桿菌并完成自我復(fù)制的生理過程，強調(diào)其生殖特點：蛋白質(zhì)外殼與DNA可以完全分離，并且噬菌體一個完整的侵染周期約為20min。介紹完噬菌體的特點后，教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書44～45頁中相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生分組討論，思考以下問題：

①為什么要在分別含有放射性同位素32P和35S的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌，再用該大腸桿菌培養(yǎng)T2噬菌體？

②該實驗所選擇的實驗材料是什么？

③該實驗所采用的實驗方法是？技術(shù)手段是什么？

④該實驗的自變量和因變量分別是什么？

⑤保溫的時間最長不得超過多少時間？

教師深入介紹赫爾希和蔡斯的實驗過程。之后，學(xué)生代表匯報問題答案，教師對其進行修正，并提出新的問題：為什么35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌的實驗結(jié)果中在沉淀物也能檢測到較低的放射性？教師引導(dǎo)學(xué)生提出兩個解決問題的假說：①物理因素，實驗過程中的攪拌和離心不夠充分;②也有可能是0.02%的蛋白質(zhì)進入大腸桿菌并起了主要的作用。教師進一步向?qū)W生說明：為了驗證假說的正確性，赫爾希進一步檢測了子代噬菌體的放射性，不能檢測到35S標記的蛋白質(zhì)。由此證明了DNA才是真正的遺傳物質(zhì)。

設(shè)計意圖：在問題串的引導(dǎo)下，學(xué)生自主閱讀生物學(xué)經(jīng)典實驗，分析實驗過程并從中提取相關(guān)信息，了解該實驗的實驗材料、實驗方法和各種變量等，并在掌握這些信息后進行一定的推理，對不符合預(yù)期的實驗現(xiàn)象提出解釋的假說，訓(xùn)練進行科學(xué)探究和實驗設(shè)計的能力。

4.3鞏固新知，總結(jié)概念

教師展示煙草花葉病毒、流感病毒和HIV等病毒的結(jié)構(gòu)示意圖，并告知學(xué)生這些病毒不含DNA，只含蛋白質(zhì)和RNA，啟發(fā)學(xué)生思考這些病毒只能以RNA為遺傳物質(zhì)。接著，師生共同對遺傳物質(zhì)本質(zhì)探索的歷程進行歸納，可以表格的形式呈現(xiàn)最后的結(jié)果。師生共同總結(jié)細胞結(jié)構(gòu)生物（原核、真核）的遺傳物質(zhì)為DNA，部分非細胞結(jié)構(gòu)生物（病毒）遺傳物質(zhì)為RNA，因此DNA是主要的遺傳物質(zhì)。

設(shè)計意圖：教師拋出科學(xué)家們新的發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有實驗結(jié)果間的矛盾，引發(fā)學(xué)生進一步深入思考。教師帶領(lǐng)學(xué)生一起對科學(xué)家實驗過程進行歸納，提升學(xué)生總結(jié)歸納的能力。

4.4教學(xué)反思

本節(jié)的教學(xué)設(shè)計明面上以遺傳物質(zhì)本質(zhì)的探究歷程為線索，實際上以假說一演繹法的一般流程作為暗線索貫穿整個課堂，使學(xué)生不斷經(jīng)歷“提出假說一驗證假說一提出新的假說”過程，領(lǐng)悟科學(xué)結(jié)論的得出必須經(jīng)過嚴密的科學(xué)實驗。教師適時讓學(xué)生思考相關(guān)實驗的關(guān)鍵設(shè)計思路和實驗材料與變量的控制等，訓(xùn)練學(xué)生提出假說和實驗設(shè)計的能力，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。這也是生物學(xué)科中核心素養(yǎng)所要求的。在實際的教學(xué)中，教師要根據(jù)實際需要查詢相關(guān)資料，對科學(xué)史的內(nèi)容進行相應(yīng)補充，有利于學(xué)生對科學(xué)家實驗過程的理解。本節(jié)體現(xiàn)最明顯的是格里菲斯的實驗設(shè)計過程，否則學(xué)生不明白格里菲斯設(shè)置三、四組實驗的目的，也就沒辦法深入理解該實驗。