重視對科學發現的教學，提升學生的生物學素養

朱光輝

摘要：科學發現在高中生物教材中占有很大比重，如何在對科學發現的教學過程中提升學生的生物學素養是我們所要研究的。本文以T2噬菌體侵染細菌實驗為例，說明如何訓練學生的科學思維和科學探究能力，提升學生的生物學素養。

關鍵詞：科學發現；生物學素養；學生

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2021）06-0003

科學發現實驗在高中生物教材中占有很大比重，比如桑格和尼克森建立細胞膜流動鑲嵌模型的過程、光合作用的發現過程、溫特發現生長素的過程、脫氧核糖核酸是遺傳物質的證據等，通過對科學發現的教學，筆者發現，與學生一起分析科學家為什么會有這樣那樣的問題，怎樣設計實驗回答自己的問題，為什么那樣設計實驗，有助于訓練學生縝密的思維能力和探究能力，培養學生的生物學素養。

下面，筆者以T2噬菌體侵染細菌實驗為例，說說如何培養學生的生物學素養。

1952年，赫爾希和蔡斯利用同位素標記法，證明了T2噬菌體的遺傳物質是DNA，也就是脫氧核糖核酸，由特殊推廣到一般，說明DNA是遺傳物質。

1.明確實驗目的、理清實驗思路。艾弗里及其學生通過減法原理得出脫氧核糖核酸是遺傳物質，但不能使人絕對信服。赫爾希和蔡斯利用病毒的侵染屬性證明脫氧核糖核酸是遺傳物質、蛋白質不是遺傳物質。

2.了解研究方法——同位素示蹤法，同位素示蹤法嚴格來說是同位素標記技術的一個實際應用。用32P標記T2噬菌體的脫氧核糖核酸和用35S標記T2噬菌體的蛋白質，32P標記的一組只反映脫氧核糖核酸的情況，35S標記的一組只反映蛋白質的情況，最后通過放射性出現的位置來反映脫氧核糖核酸和蛋白質究竟是哪種物質進入了細菌細胞。如何標記？標記的實質就是利用含放射性的物質培養要標記的對象，在培養對象吸收利用營養物質進行生長增殖時完成標記。標記噬菌體的過程實際上就是先用含32P的培養基來培養細菌，使細菌先帶有32P，再用含32P的細菌培養病毒，病毒在細菌細胞內增殖的時候就完成了用32P標記，用相同的過程完成用35S標記。

3.明確科學發現實驗的過程。赫爾希和蔡斯進行了兩組實驗，一組用35S標記的噬菌體與細菌混合并保溫一段時間，攪拌完成后進行離心，觀察放射性；取出沉淀物培養一段時間，細菌裂解，將子代噬菌體釋放出來，然后再檢測子代噬菌體的放射性，另一組換成用32P標記的噬菌體，其余相同。通過對實驗過程的把握，培養學生對比實驗意識、分組實驗意識，理解科學與技術的關系。

4.理解每一環節的意圖。用35S標記的噬菌體與細菌混合一段時間的意圖：讓噬菌體侵染細菌；攪拌的意圖：分開連接在一起的T2噬菌體與細菌；離心的意圖：讓細菌（含被噬菌體侵染的）處于離心管的下層，讓噬菌體（含蛋白質外殼）處于上清液中。通過放射性出現的位置，判斷是脫氧核糖核酸還是蛋白質進入細菌，這有助于把握事情的本質，培養嚴謹的科學態度。

5.理清實驗現象、該現象說明了什么、實驗結論是什么三者之間的邏輯關系。實驗現象：用35S標記的一組，絕大多數的放射性出現在上清液中，沉淀物中有極低的放射性；用32P標記的一組，大多數的放射性主要出現在沉淀物中，上清液中也有少數的放射性；說明T2噬菌體的脫氧核糖核酸隨細菌出現在沉淀物中，T2噬菌體的蛋白質不隨細菌出現在沉淀物中，進而說明是脫氧核糖核酸侵入到細菌細胞，細菌裂解死亡釋放出的子代噬菌體是在侵入的DNA的基礎上繁殖出來的；實驗結論：T2噬菌體的DNA是遺傳物質。繁殖的子代噬菌體也都由脫氧核糖核酸和蛋白質構成，于是還能說明：DNA可以復制，DNA能指導蛋白質合成。在此基礎上，我們還可推導出T2噬菌體增殖的過程：首先是噬菌體識別并吸附在細菌上，然后將其DNA注入細菌，在細菌細胞內噬菌體的DNA進行復制并指導蛋白質合成，接下來復制合成出的DNA和蛋白質裝配成子代噬菌體，最后子代噬菌體被細菌釋放。這樣，我們就能培養學生透過現象看本質的能力。

6.誤差分析及實驗評價。結合T2噬菌體增殖的過程分析，35S標記的那一組，放射性在上清液，沉淀物無放射性；32P標記的那一組，放射性在沉淀物中，上清液中無放射性。注意筆者對實驗現象的描述：35S一組的放射性絕大多數在上清液，沉淀物中有極低的放射性，與理論分析接近；32P標記的一組，放射性多數出現在沉淀物中，上清液中也有少數的放射性，而不是有放射性和無放射性的區別。筆者分析可能的原因有三，一是時間過短，部分噬菌體尚未侵染；二是噬菌體尚未將脫氧核糖核酸注入就被攪拌，與細菌分開；三是時間長，細菌由于DNA被降解、氨基酸被利用等原因而失去活性，釋放了子代噬菌體。離心，部分32P標記的噬菌體到了離心管的上方，表現出較低的放射性。學會誤差分析或評價，學生可嘗試解釋實驗過程中可能出現的現象，并對實驗進行評價。

讀者可以搜索2006年南京質檢題，“用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌，在理論上，”這是作者見到對噬菌體侵染細菌實驗過程、誤差分析和實驗評價這一考點考查較早、較細的題目；2017年全國Ⅰ卷29題，通過探究新發現病毒是DNA病毒還是RNA病毒，許多高考研究專家和教師認為該高考題是對T2噬菌體侵染細菌實驗的考查，還考查了考生的科學思維和科學探究能力。那赫爾希和蔡斯可能受誰的影響和啟發？

在1941年，魯賓與卡門合作，采用同位素示蹤法，證明了光合作用過程中，產生的O2是H2O分解造成的，而不是CO2造成的。他們的實驗目的是探究O2的來源，是H2O產生還是CO2產生，采用的也是同位素示蹤法，也是將實驗分成了兩組形成對比實驗。他們兩人的成果要比赫爾希和蔡斯兩人的成果早11年。

命制高考試題的，絕大多數是大學教授，他們對學科發展史非常了解、對科學發現實驗理解得更加透徹，通過命制與科學發現實驗相關的題目，更能有效考查學生的科學思維和科學探究能力，也更符合高中《生物課程標準》的精神，實現高考的教育功能，還有利于大學對人才的選拔。筆者預計今后的高考對科學發現實驗的考查將會流行起來。

（作者單位：山東省鄒城市第一中學273500）