運用論證式教學策略 培養學生的科學思維

張 飛

(重慶市渝中區教師進修學院 重慶 400015)

1 科學思維與論證式教學策略

論證式教學實質上是將科學領域論證工作方式引入課堂，使學生經歷類似科學家的論證過程，以促進學生理解科學概念和科學本質，并發展學生科學思維的教學模式。本文主要參考自Toulmin的論證模式(圖略)，該模式包含5個環節： 從“資料1”分析得出“主張1”；提供“論據1”解釋支持主張1；提供“論據2”經“質疑和辯駁”后，修正或認可主張1[1]。

“DNA是主要的遺傳物質”這一重要概念的得出，正是經歷了“特定階段得出科學結論，后又受到質疑，再次論證修改結論的循環論證過程”，與Toulmin論證模式非常契合。因此，本文圍繞以下“主張”采用論證式教學策略展開教學： 蛋白質是遺傳物質→DNA可能為遺傳物質→DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質→DNA是主要遺傳物質。

2 教學過程

2.1 導入新課，提出質疑 具體如下：

資料1： 1926年，摩爾根在《基因論》中提出遺傳物質“基因”位于染色體上。雖然當時人們已知染色體是由DNA和蛋白質組成，但人們普遍認為蛋白質是遺傳物質。資料1提出主張，教師引導學生尋找支持該主張的論據。(論據： 蛋白質是多種多樣的大分子物質，可由不同的氨基酸組成，各種不同的氨基酸就是遺傳信息的貯存單位。)

資料2： 1929年，美國華裔化學家列文在生物體中發現了DNA，并推測DNA是由內部順序固定的4種脫氧核苷酸縮合成的“四核苷酸”構成的生物大分子[2]。通過資料2提供的新論據，學生用類比推理的科學思維歸納總結遺傳物質的共性。同時，對“蛋白質是遺傳物質”的主張提出質疑，進行辯駁，提出新的主張“DNA也可能為遺傳物質”，該部分論證式教學流程歸納為圖1。

圖1 DNA是否是遺傳物質論證式教學流程

過渡： 通過確鑿證據向遺傳物質是蛋白質的觀點發起挑戰的人是美國科學家艾弗里。而艾弗里的實驗又是在格里菲斯的實驗基礎上進行的。

2.2 DNA是主要遺傳物質的探索 具體探索過程如下：

2.2.1 肺炎雙球菌轉化實驗 論證式教學過程如下：

論據： 自然界中，有兩種類型的肺炎雙球菌，一種為無莢膜的R型細菌，菌落小而粗糙；另一種為有莢膜的S型細菌，菌落大而光滑。1928年，格里菲斯發現了一個很奇怪的肺炎雙球菌轉化現象，通過PPT展示高中生物學教材(必修2)中圖3-2。

科學分析： 圖3-2所展示的實驗是否為對照實驗？(是。)你能從中分析得出的結論是什么？(根據一、二對照可以得出S型細菌有毒性，R型細菌無毒性；一、三分組分析可以得出，加熱殺死的S型細菌中有一種特殊的物質，能使R型細菌轉化為活的S型細菌，且轉化后可以遺傳。)

設計意圖： 使學生能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括，用科學的思維方式認識事物。

提出主張： 加熱殺死的S型細菌中有一種“轉化因子”，能促使R型細菌轉化為S型細菌，而且轉化后可以遺傳。

學生提出質疑：“轉化因子”的化學本質是什么？

論據： 隨著分離提純技術的發展，1944年，美國細菌學家艾弗里和同事對S型細菌中DNA、蛋白質、多糖和脂質等物質進行提純和鑒定。然后，進行肺炎雙球菌體外轉化實驗，結果發現只有DNA能使R型細菌轉化為S型細菌。且DNA純度越高，轉化效率就越高。如果用DNA酶分解從S型細菌中提取的DNA，就不能使R型細菌發生轉化。

結論： DNA是肺炎雙球菌轉化因子。

科學分析： 該實驗的設計思路是什么？(把DNA與其他物質分開，單獨研究各自遺傳功能。)為什么上述實驗中還要設置用DNA酶處理DNA？(驗證某種物質的功能思路是： 有因有果即加入該物質產生效果；無因無果即不加該物質沒有產生效果，才能說明該物質的功能。需要“一加”和“一減”驗證，建立驗證物質功能的模型。)如何使支持“DNA是遺傳物質”的實驗更加嚴謹？學生進行了實驗的設計(圖2)。

圖2 學生增加DNA是遺傳物質的實驗

設計意圖： 使學生能夠基于生物學事實和證據運用批判性思維、創造性思維，通過建模來探討生命現象。

提出主張：“轉化因子”的化學本質是DNA， DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質。

學生提出質疑：“轉化因子”可能不是DNA，而是由吸附在DNA上或與DNA密切結合在一起微量的其他物質所造成的，檢測不出來。

2.2.2 噬菌體侵染細菌實驗 論證式教學過程如下：

論據： 1953年，赫爾希和蔡斯用32P或35S標記的T2噬菌體分別感染未被同位素標記的大腸桿菌后，經過短時間的溫育再用攪拌器攪拌(使吸附在細菌上的噬菌體與細菌分離)、離心(讓上清液中析出重量較輕的T2噬菌體顆粒，沉淀物中留下被感染的大腸桿菌)。離心后，檢查上清液和沉淀物中的放射性物質發現： 用35S標記的一組感染實驗，放射性同位素主要分布在上清液中，用32P標記的一組實驗，放射性的同位素主要分布在試管的沉淀物中[2]。

科學分析： 選用噬菌體作為實驗材料的優點是什么？(T2噬菌體只有蛋白質外殼和內部的DNA組成，方便研究DNA和蛋白質的功能。同時，噬菌體的增殖速度較快，容易研究親代和子代之間的關系。)該實驗的設計思路是什么？(S是蛋白質的特有元素，DNA分子中含有P而蛋白質中幾乎不含有，用放射性同位素32P和35S分別標記DNA和蛋白質，單獨去觀察它們的作用。)為什么不用放射性同位素32P和35S同時標記噬菌體的DNA和蛋白質？(因為放射性強度的檢測是通過蓋勒計數器檢測，它可以檢測和測量射線的強度，不能檢測是哪種元素發出的射線，要追蹤不同元素的路徑，必須分別標記。)實驗誤差是什么？試分析其原因？(誤差是離心后放射性同位素的分布情況，原因可能是溫育時間、攪拌和離心等因素造成的。)

設計意圖： 使學生能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、創造性思維、演繹與推理和批判性思維，探討、闡述生命現象。

提出主張： 噬菌體在細菌內的增殖是在噬菌體DNA的作用下完成的。

學生提出質疑： DNA是遺傳物質嗎？如何才能充分證明DNA是遺傳物質？

論據： 用35S標記的一組感染實驗，子代噬菌體幾乎都不含35S；用32P標記的一組感染實驗，約有30%的32P出現在子代噬菌體中。

科學分析： 在噬菌體中，親代和子代間具有連續性的物質是DNA，子代噬菌體的各種性狀是通過親代DNA傳給后代的。

提出主張： DNA是遺傳物質。

設計意圖： 學生尊重事實和證據，有嚴謹的求知態度，并運用批判性思維解決問題。

學生提出質疑： 所有生物的遺傳物質都是DNA嗎？

2.2.3 煙草花葉病毒感染煙草實驗 論證式教學過程如下：

論據： 煙草花葉病毒(TMV)是由RNA和蛋白質組成，科學家分別用TMV的RNA和蛋白質去感染煙草，發現RNA感染可使煙草出現病斑，而蛋白質感染不能使煙草葉片出現病斑。

科學分析： 用艾弗里的實驗設計思路，證明RNA是遺傳物質。

設計意圖： 使學生能運用演繹推理、創造性思維等思維方法，認識新事物、解決新問題。

提出主張： RNA是某些生物的遺傳物質。

主張修正為： 對于大多數生物來說，遺傳物質是DNA，而在只含有RNA和蛋白質的病毒中，RNA是遺傳物質。因此，DNA是主要遺傳物質，該部分的論證式教學流程歸納為圖3。

圖3 DNA是主要遺傳物質論證式教學流程