基于學科核心素養之高中生物學教學實踐探析
——以“DNA是主要的遺傳物質”為例

2021-04-08 03:09:22

中學生物學 2021年1期

（如皋市第一中學江蘇南通 226500）

新課標、新教材、新高考是近年高中課改的熱詞，伴隨著新教材的全面啟用，標志著第八次基礎教育課程改革全面落地生根。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）提出“著眼于學生適應未來社會發展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發展學生的學科核心素養，充分體現課程的學科特點和育人價值”。如何將高中生物學的“生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任”四大核心素養落實在教學過程中，是一線教師需要思考與研究的。下面結合自己的教學實踐，以“DNA是主要的遺傳物質”為例，就如何引導學生在探究“遺傳物質是什么”的同時，發展學生的科學思維和科學探究等學科核心素養進行了實踐和探索。

1 高中生物學科核心素養概述

《課程標準》提出“以發展學生生物學學科核心素養為宗旨，構建課程內容”。學科核心素養是第八次基礎教育課程改革的新亮點，是學科育人價值的體現。高中生物學學科核心素養是在傳統的“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”等三維目標基礎上整合凝練而來的，是學生通過生物學學習而逐步發展起來的，解決面向真實情境中的實際問題時所表現出來的必備品格和關鍵能力以及正確的價值觀，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。在實際教學過程中，落實學科核心素養，教師必須以課程內容為載體，全面落實立德樹人根本任務為抓手進行教學設計。學生在課程內容的學習過程中通過觀察真實世界中的生命現象進行生命規律的發現、質疑以及實驗方案的設計與實施等，理解并解釋生物學相關實驗現象和科學史實，以達到探究生命活動規律，解決實際問題的目標。學生在探究生命規律過程中，逐步形成尊重事實和證據、崇尚嚴謹和務實的求知態度；在解決真實問題的過程中，培養團隊合作意識與創新思維的能力；在參與個人與社會事務的討論中，形成正確的生命觀念等。

2 基于學科核心素養的教學實踐探析

“DNA是主要的遺傳物質”是普通高中生物新教材必修2模塊“基因的本質”一章的第一節，該節是在前面“遺傳因子的發現”“基因和染色體的關系”基礎上基于科學探究的歷程展開，是后續有關“基因本質”進一步學習探究的基礎。

2.1 教學設計思路分析

新教材中“DNA是主要的遺傳物質”一節以“遺傳物質是什么”為探究主線，真實呈現了這段科學史的探究歷程：格里菲思的肺炎鏈球菌轉化實驗、艾弗里的肺炎鏈球菌體外轉化實驗、赫爾希—蔡斯的噬菌體侵染細菌實驗。新教材以上述三個實驗為主線，真實還原了科學家發現“DNA是遺傳物質”的歷程，最后通過歸納比較的方式呈現了“RNA病毒的遺傳物質是RNA”這一科學史實，從而引導學生歸納出“DNA是主要的遺傳物質”的觀念。具體教學設計思路如圖1所示。

圖1 教學設計思路

2.2 教學過程分析

2.2.1 創設情境，導入學習

教師播放“遺傳物質的探究歷程”記錄片導入新課，呈現早期科學家們對遺傳物質推測的過程，創設情境，提出問題：遺傳物質可能是什么？

學生觀看視頻，思考問題。

教學設計意圖：教師通過視頻創設探究遺傳物質的情境導入新課，激發學生對“遺傳物質是什么”的探究欲望，引導學生對遺傳物質是什么進行探究，形成尊重事實和證據、崇尚嚴謹和務實的求知態度。

2.2.2 項目任務1——分析格里菲思的細菌體內轉化實驗和艾弗里的細菌體外轉化實驗

教師展示格里菲思所做的肺炎鏈球菌的體內轉化實驗示意圖（圖2）和艾弗里所做的肺炎鏈球菌體外轉化實驗示意圖（圖3），要求學生仔細觀察兩圖，分析實驗過程和結果，回答下列問題：實驗①、②對比說明什么？實驗②、③對比說明什么？實驗②～④對比說明什么？

圖2 格里菲思的細菌體內轉化實驗

圖3 艾弗里的細菌體外轉化實驗

學生回答：實驗①、②對比說明R型菌無毒、S型菌有毒；實驗②、③對比說明加熱殺死S型菌無毒；實驗②～④對比說明加熱殺死S型菌能使部分R型菌轉化為S型菌。

教師歸納：根據此實驗可以得出結論，S型菌中含有一種“轉化因子”使R型菌轉化為S型菌。

教師繼續追問：艾弗里的細菌體外轉化實驗在格里菲思的實驗基礎上做了一些改進，請簡述他的設計思路。設計圖3中的第五組實驗的目的是什么？

學生總結，得出：艾弗里的細菌體外轉化實驗的設計思路：對S型菌中的物質（多糖、脂質、蛋白質、DNA等）進行提取、分離，分別單獨觀察各種物質對細菌的轉化作用。圖3中的第五組實驗的目的與第一組中“提取物DNA和R型菌混合培養”進行對照，進一步證明“轉化因子”是DNA。

教師引導學生歸納，得出：DNA是使R型菌轉化為S型菌的“轉化因子”，即DNA是遺傳物質，蛋白質不是。并提出問題：艾弗里的實驗遭到當時部分科學家的質疑，原因是其提取的DNA中有少量蛋白質雜質。如果你是當時的科學家如何進一步進行探究呢？

教學設計意圖：教師以圖片的形式呈現格里菲思和艾弗里的細菌轉化實驗，引導學生分析實驗設計的原理及設計思路，培養學生分析問題以及設計對照實驗的能力。接著，教師通過關于艾弗里實驗的問題進行過渡。此過渡問題無需學生此刻作答，學生帶著這一問題繼續進行后續的探究，激發了求知欲望。此過程旨在培養學生科學思維、科學探究以及生命觀念等學科核心素養。

2.2.3 項目任務2——分析赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細菌的實驗

教師展示用32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗示意圖（圖4），要求學生根據實驗過程，回答下列問題：錐形瓶中的培養液是用來培養噬菌體還是大腸桿菌？其營養成分中是否含有32P？32P標記的是T2噬菌體的什么物質？能否用培養液直接培養得到含放射性標記的噬菌體，為什么？

圖4 噬菌體侵染大腸桿菌的實驗示意圖

學生回答：錐形瓶中的培養液是用來培養大腸桿菌，其營養成分中不含有32P。32P標記的是T2噬菌體DNA，不能用培養液直接培養得到含放射性標記的噬菌體，原因是噬菌體是一種DNA病毒，只能寄生于活細胞，不能通過培養液培養。

教師追問：用32P標記進行上述實驗時，離心后放射性同位素主要分布在試管中的上清液還是沉淀物中？若測定發現在攪拌離心后的上清液中含有一定的放射性，其可能原因是什么？

學生回答：用32P標記進行上述實驗時，離心后放射性同位素主要分布在試管中的沉淀物中。若測定發現在攪拌離心后的上清液中含有一定的放射性，其可能原因是兩個方面：①培養時間過短，部分噬菌體未能進入大腸桿菌，離心后放射性同位素位于上清液；②培養時間過長，噬菌體侵染大腸桿菌后，大腸桿菌裂解死亡釋放出放射性同位素標記的32P，故上清液中會出現一定的放射性。

教師繼續追問，引導學生自主思考：赫爾希—蔡斯的噬菌體侵染細菌實驗除了上述32P標記外，還用放射性同位素35S標記噬菌體的什么物質？經過攪拌、離心培養后放射性同位素主要分布在試管中的上清液還是沉淀物中？此時，若測定發現沉淀物中含有一定的放射性，可能的原因是什么？

學生小組討論后，歸納得出：放射性同位素35S標記噬菌體的蛋白質，經過攪拌、離心培養后放射性同位素主要分布在試管中的上清液中。此時，若測定發現沉淀物中含有一定的放射性，可能的原因是攪拌不充分，有部分35S的噬菌體蛋白質外殼吸附在細菌表面隨細菌離心到沉淀物中。

教師提出問題：該實驗能否用15N來標記噬菌體的DNA，為什么？學生回答：不能，赫爾希和蔡斯的設計思路就是設法將噬菌體的DNA和蛋白質區分開單獨研究，而15N在DNA和蛋白質中均有分布，同樣C、H、O等同位素標記在此實驗中也不能使用。接著，教師引導學生歸納：赫爾希和蔡斯通過噬菌體侵染細菌實驗，得出DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質。是不是所有生物都以DNA作為遺傳物質？

教學設計意圖：教師以資料的形式呈現赫爾希-蔡斯的噬菌體侵染細菌實驗，引導學生分析實驗設計的原理及設計思路，培養學生分析問題以及設計對照實驗的能力。接著，教師引導學生自主分析32P和35S區分標記DNA和蛋白質，分別研究離心后的放射性同位素的分布位置以及其他位置出現少量放射性的原因，激發學生的探究欲望。最后，教師通過“是不是所有生物都以DNA作為遺傳物質？”這一過渡性設問，讓學生帶著這一問題繼續進行后續的探究。此過程旨在培養學生利用科學的方法進行科學思維和科學探究等學科核心素養，形成尊重事實和證據、崇尚嚴謹和務實的求知態度以及質疑精神。

2.2.4 項目任務3——分析車前草病毒和煙草花葉病毒的分離與重組實驗

教師展示資料：車前草病毒（HRV）和煙草花葉病毒（TMV）都沒有DNA，但是它們含有RNA。它們感染植物后導致癥狀不同。將病毒的RNA和蛋白質分離，使其單獨感染植物。然后，將不同病毒的RNA與蛋白質之間重新組合形成“雜種”病毒，再感染植物（圖5）。并提出問題：（1）圖a、圖b表現癥狀不同，其根本原因是什么？（2）請在圖中直接畫出葉片①、葉片②、葉片③表現出的感染癥狀。（3）從感染實驗可知，起作用的是什么？本實驗證明了什么？

圖5 車前草病毒（HRV）和煙草花葉病毒（TMV）感染植物實驗

學生自主分析后，小組討論交流。教師引導學生歸納，得出結論：圖a、圖b表現癥狀不同，其根本原因是兩者具有不同的RNA。從感染實驗可知，起作用的是RNA。本實驗證明了RNA是遺傳物質。教師追問：有些生物以DNA作為遺傳物質，有些生物以RNA作為遺傳物質，到底生物的遺傳物質是什么呢？學生回答：絕大多數生物的遺傳物質是DNA，少數RNA病毒的遺傳物質是RNA，所以“DNA是主要的遺傳物質”。

教學設計意圖：教師以資料的形式呈現車前草病毒和煙草花葉病毒的分離與重組實驗，引導學生歸納部分沒有DNA的生物以RNA作為遺傳物質的科學事實，歸納出“RNA也可以作為遺傳物質”這一結論。最后，教師與學生一起歸納，促進學生形成“DNA是主要的遺傳物質”這一觀念。此過程旨在培養學生的科學思維和科學探究等學科核心素養，并通過分析科學現象歸納生命科學規律，形成科學的生命觀念。

3 結束語