以史為輪，驅(qū)動生物學(xué)課堂活動

商爽

摘 要：生物學(xué)的發(fā)展實質(zhì)是科學(xué)史的發(fā)展。以生物學(xué)經(jīng)典研究過程與發(fā)現(xiàn)成果為材料開展課堂活動，符合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律，有利于學(xué)生生物學(xué)概念的形成。筆者在“工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生”這一節(jié)的教學(xué)活動設(shè)計中，以科學(xué)史作為驅(qū)動，開展小組討論、模型構(gòu)建等課堂活動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史;驅(qū)動;生物學(xué);課堂活動

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A???? 文章編號：1992-7711（2019）02-077-2

美國著名的科學(xué)史家薩頓說過：“一部科學(xué)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，由一系列人物創(chuàng)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(jié)晶。”生物科學(xué)史反映了生物學(xué)家在特定的知識背景下，以科學(xué)的思維方法，發(fā)現(xiàn)并解決生物學(xué)問題的歷程。生物課堂教學(xué)中通過重現(xiàn)生物學(xué)史，以歷史上的相關(guān)素材為依據(jù)開展學(xué)習(xí)活動，有助于學(xué)生構(gòu)建概念網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展理性思維，養(yǎng)成社會責(zé)任。本文以“工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生”一節(jié)的教學(xué)活動設(shè)計為例說明科學(xué)史在生物課堂活動中的應(yīng)用。

一、分子遺傳理論的初步形成

提供視頻：不同人們的愿望（農(nóng)民希望豐收、養(yǎng)殖戶希望有良種畜禽、小孩希望治病不用打針吃藥等）。

過渡：上述這些愿望都可以通過生物技術(shù)來實現(xiàn)。然而，任何技術(shù)都必須建立在堅實的理論基礎(chǔ)之上。

提供材料1： （1）1944年，3位科學(xué)家通過肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗，發(fā)現(xiàn)DNA是該菌的遺傳物質(zhì)。此后科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其它細胞生物的遺傳物質(zhì)均為DNA。

（2）1953年，沃森和克里克提出了DNA分子的雙螺旋模型。

（3）1958年，弗朗西斯·克里克提出中心法則，解釋了遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)。

（4）1961年，首個密碼子被破解，隨后幾年科學(xué)家破解了其它密碼子，并提出了遺傳密碼的普遍性。

課堂活動1：小組討論：面對這些科學(xué)成果，你對改造生物有什么大膽的想法？

設(shè)計意圖：根據(jù)已有的理論依據(jù)，發(fā)散思維，大膽設(shè)想，并互相交流想法，理解基因工程實現(xiàn)的3個理論基礎(chǔ)，指出基因工程是“實現(xiàn)夢想”的有效方法，可以培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。

二、載體質(zhì)粒的發(fā)現(xiàn)

過渡：要將一種生物的基因?qū)氲搅硪环N生物中去，必須要有相應(yīng)的工具。

提供材料2：（1）1946年，發(fā)現(xiàn)了第一種質(zhì)粒：大腸桿菌的F因子。

（2）1957年，日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)質(zhì)粒介導(dǎo)抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)移。

（3）在上世紀60年代，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)各種細菌質(zhì)粒，且它們可以介導(dǎo)細菌致育性和藥物抗性等許多基因的轉(zhuǎn)移。

課堂活動2：小組討論：質(zhì)粒為什么能介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移？這對基因工程有何意義？

設(shè)計意圖：學(xué)生通過分析已有資料，聯(lián)系課本知識，歸納概括，得出“質(zhì)粒之所以能發(fā)生轉(zhuǎn)移是因為具有控制質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移的基因，質(zhì)粒是優(yōu)質(zhì)的基因工程載體”，有助于學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，形成“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀。

三、工具酶的發(fā)現(xiàn)

過渡：將基因與質(zhì)粒連接，基因便可隨質(zhì)粒從一種生物轉(zhuǎn)移到另一種生物中，關(guān)鍵是如何連接。

提供材料3：（1）1967年，在三個實驗室同時發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶。它是一種DNA鏈上缺口酶。其作用如圖1。

（2）1969年，科學(xué)家成功分離出第一個基因。

過渡：DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)有何意義？有了基因、質(zhì)粒、DNA連接酶，是否可以將基因連接到質(zhì)粒上，形成重組DNA了呢。

提供材料4：1970年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了限制性核酸內(nèi)切酶，如EcoR I，其作用如圖2。

課堂活動3：模擬重組DNA（質(zhì)粒）的形成過程：

提供學(xué)生含基因P的DNA（紙質(zhì)平面模型）、質(zhì)粒的紙質(zhì)模型、剪刀（模擬限制性核酸內(nèi)切酶EcoR I）、膠帶紙（模擬DNA連接酶）。

（1）根據(jù)已有知識，如何將基因P從DNA中切取出來？請操作處理。

（2）對質(zhì)粒應(yīng)做何種處理？請操作處理。

（3）如果把經(jīng)EcoR I處理的P基因與質(zhì)粒放在一起，再加入DNA連接酶，會發(fā)生什么現(xiàn)象？請?zhí)接懣赡艿慕Y(jié)果，并操作處理。

設(shè)計意圖：通過“基因工程工具的先后發(fā)現(xiàn)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生感悟“生物科學(xué)的發(fā)展不是一蹴而就的，而是一個不斷繼承和創(chuàng)新的過程”。模擬重組DNA分子的形成過程的活動，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過分析P基因與質(zhì)粒經(jīng)同種限制性核酸酶處理后再用DNA連接酶處理所產(chǎn)生的可能結(jié)果，有利于培養(yǎng)學(xué)生演繹推理、方案實施、模型構(gòu)建的能力，發(fā)展學(xué)生團隊合作、勇于創(chuàng)新的精神。

四、基因工程的誕生與概念

提供材料5：（1）1972年，科學(xué)家首次用同種限制性核酸內(nèi)切酶切割SV40和λ噬菌體DNA，然后用DNA連接酶進行連接，形成了重組DNA分子。

（2）1973年，科學(xué)家將來自兩種大腸桿菌的含四環(huán)素抗性基因的質(zhì)粒和含卡那霉素抗性基因的質(zhì)粒分別用同種限制性核酸內(nèi)切酶切割，然后用DNA連接酶連接，形成重組DNA分子轉(zhuǎn)入大腸桿菌，產(chǎn)生了同時具有抗四環(huán)素和抗卡那霉素的性狀的菌種。

課堂活動4：討論小結(jié)：給基因工程的概念下一個定義，并指出基因工程的核心是什么。

設(shè)計意圖：通過本節(jié)課的活動和學(xué)習(xí)，學(xué)生已具有了對基因工程的初步理解。通過對素材的整理分析，給出基因工程的基本概念，并指出核心形成重組DNA分子，可進一步提升學(xué)生歸納概括和抓住事物重點及本質(zhì)的能力。了解生物學(xué)學(xué)科發(fā)展情況，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

結(jié)語

課堂活動是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，提高核心素養(yǎng)的重要載體。但筆者在長期的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，課堂活動也易流于形式或是缺乏優(yōu)質(zhì)的探究材料。科學(xué)史是科學(xué)精神的積淀，蘊藏著豐富的教學(xué)素材。在課堂中科學(xué)運用生物學(xué)史，能使學(xué)生跟隨科學(xué)探索的腳步汲取知識的同時，發(fā)散思維，體驗科學(xué)精神。圍繞經(jīng)典的歷史背景和研究過程來設(shè)計活動，不僅能使學(xué)生清楚知識的來龍去脈，使基礎(chǔ)知識學(xué)得更加扎實，還能夠培養(yǎng)學(xué)生探索、研究的興趣，大大提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

[參考文獻]

[1]宣文惠.經(jīng)典的科學(xué)研究與高中生物教學(xué)[J].合肥學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（14）.