選用科研素材 培養科學思維
——以“植物激素調節的研究方法”教學設計為例?

閆新霞 戴 亞

（中國人民大學附屬中學 北京 100080）

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[1]。科學探究是指能發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施，以及對結果的交流與討論的能力［1］。科學思維和科學探究是高中生物學學科核心素養的重要組成，二者高度相關。

經過新課學習，學生已形成了基本的學科思維，但在解決實際問題時，依然難以理清研究思路，原因是尚未形成良好的思維習慣。教師有必要在高三生物學復習中，為學生提供真實的研究素材，對生物學實驗研究的思想方法進行總結。學生在探究過程中發展科學思維，領會科學研究的基本思路。

植物激素調節是植物生理學的重要研究領域，近年來積累了豐富的研究成果。本節內容是單元復習結束前的一節思想方法總結課，筆者精選科研素材，與教材內容有機整合，通過實驗分析總結植物激素調節的研究方法。所涉及的知識內容是生長素的極性運輸和頂端優勢原理，所選科研素材來自筆者之一在中國科學院遺傳與發育生物學研究所時的科研工作——對擬南芥插入突變體進行實驗研究、認識bud1基因的功能。

1 教學目標

1）設計和分析“頂芽產生生長素抑制側芽運輸”的實驗，初步領會受控對比實驗的設計思路和技術的應用價值。

2）探討插入突變對表型影響的2 種情況，體會分子生物學技術的應用價值。

3）設計和分析bud1突變體的系列實驗，研究bud1功能，發展假說-演繹的科學思維。

2 科學思維框架

結合課上內容，以板書形式逐步呈現本節課的科學思維框架（圖1）。

圖1 板書設計

3 教學過程

本節課的教學流程見圖2。

圖2 教學流程

3.1 實例1：菜豆實驗分析 以學生熟悉的實驗，總結植物激素調節的實驗設計思想和實驗技術應用。經導入環節后，教師展示教材實例1——菜豆實驗（圖3）。

圖3 菜豆實驗分析

教師設問：頂芽的存在為什么會抑制側芽生長？根據已有知識，學生能很快答出“頂芽產生的生長素抑制側芽生長”。教師僅展示A、B 組實驗，提問這2 組實驗能否證明這一結論？該問題能引導學生將實驗處理和結果的差異對應分析：“A 有頂芽，側芽受抑制，B 去掉頂芽，側芽生長”，確定A、B 2 組對比僅能說明頂芽的存在抑制了側芽的生長，并不能確定是頂芽產生的生長素抑制了側芽生長。教師讓學生完善實驗方案。學生經思考后能答出：頂芽中含有很多物質，并不知道是頂芽產生的生長素影響到了側芽生長，需要補充一組實驗，在去頂切面上涂抹生長素，如果側芽生長也受抑制，則說明生長素替代頂芽抑制了側芽生長，可得出“頂芽能產生生長素抑制側芽生長”的結論。

復習完教材實驗后，教師結合實驗，帶學生總結植物激素調節的研究方法（圖1）。

實驗設計的思路：1）假說-演繹：在解決問題的過程中，先提出假說（頂芽產生生長素抑制側芽生長），再根據假說設計實驗并預測結果（A、B、C 3 組），如果實驗結果與預期相符，則證明假說正確。2）受控對比實驗：設計實驗時，以常態為對照組，實驗組外加一個因素（加法實驗），或去掉一個因素（減法實驗），對比各組結果，可知此因素與檢測指標之間的關系。

實驗技術應用：切除結構（去除頂芽）或阻斷運輸（例如，生長素發現過程中的詹森波森實驗）的操作可用作減法實驗，施加外源激素的操作可用作加法實驗。與常態對照組相比可知頂芽及生長素的作用。

3.2 實例2：bud1突變體實驗研究 以挑戰性科研素材讓學生親歷科學探究、發展科學思維。教師以2 個問題過渡到第3 個環節：頂端優勢的產生機理是什么？即如何從細胞水平和分子水平解釋頂端優勢產生的原因？

3.2.1 介紹分子遺傳學的模式生物——擬南芥

教師提供擬南芥的圖片及文字介紹（圖4）[2]，讓學生閱讀并回答：為什么擬南芥被稱為植物界中的果蠅？學生能分析得出擬南芥和果蠅類似的特點：“易于栽培、實驗周期短、易于觀察、易于做統計學分析”等，也能關注到“大多數基因與其他植物具有很高的同源性”，這使得研究成果具有代表性，但不太理解“基因組測序結果”意味著什么。教師再進一步點明，基因組測序工作使得人們了解了基因的數目、基因在染色體上的位置、基因的堿基對排序，但不知道基因的功能。利用T-DNA 插入基因內部等方法獲得插入突變體、再比較突變體與野生型的差異，是研究被插入基因功能的重要方法。

圖4 擬南芥簡介

3.2.2bud1突變體實驗研究 在充分了解擬南芥后，教師介紹本節課的擴展素材：來自本校戴亞老師及其實驗室在十幾年前的科研論文——對擬南芥矮小叢生突變體的研究。

對于bud1突變體的研究包括2 個方面：突變體分子鑒定和BUD1 功能分析。分子水平和細胞水平的研究微觀且抽象難懂，在呈現過程中，教師以圖片展示研究重點，配以必要的講解和啟發性的提問，讓學生理解基本的研究思路。

1）突變體分子鑒定。突變體出現矮小叢生的性狀，是由什么原因引起的？首先是突變體分子鑒定。本項研究中，使用的T-DNA 上帶有增強轉錄的序列，該T-DNA 若插入到編碼區，會引起被插入基因失活，突變體表現出基因功能缺失的表型；若插入到了非編碼區，則會使基因的表達量增加，突變體表現出基因功能增強的表型。即在研究被插入基因的功能時，對過表達突變體和失活突變體進行研究得出的結論是相反的，因此，首先需要通過確定基因插入的位置鑒定突變體類型。突變體鑒定用到的分子生物學技術包括基因表達量測定和基因測序[3-4]。本項研究中，bud1突變體發生的是過表達突變。

如何讓學生理解突變體類型的鑒定方法？筆者以圖片引導學生分析，T-DNA 隨機插入到基因時，有可能是哪些位置？對表型有什么影響？學生思考、討論后認識到，如果T-DNA 插入到編碼區，得到失活突變體，基因的功能喪失；如果插入到啟動子附近，得到過表達突變體，基因的功能增強（圖5）。

圖5 突變體的分子鑒定

如何確定bud1突變體是失活突變還是過表達突變？此問題涉及分子水平變化的檢測方法，有一定難度。學生的第一反應是比較突變體和野生型的表型差異，但這無法反映二者的分子水平差異。經思考，學生能分析得出，通過檢測突變體細胞中bud1基因mRNA 的量可了解基因表達情況，如此，技術手段與要解決的問題相匹配了。教師再呈現實際的RNA 量檢測結果[3]，突變體的RNA 量顯著高于野生型，說明突變體發生了過表達突變。測序結果也支持這一認識。在該環節的教學組織中，重在技術如何解決問題，弱化技術操作細節。讓學生體會到技術為解決問題服務。

2）bud1基因功能研究。從實驗設計分析，bud1過表達突變體相當于加法實驗，通過對比野生型和bud1突變體的差異，可認識到bud1基因表達產物的功能。教師引導學生觀察、思考、設計實驗、分析結果，層層遞進地分析每一個實驗。

首先是形態差異分析。以圖片呈現過表達突變體的表型：矮小、分枝多，頂端優勢明顯喪失[3-4]，說明BUD1 能抑制頂端優勢的出現，這是結論1，學生可較輕松地得出此結論（圖6）。

圖6 比較突變體與野生型的表型差異

該抑制作用是如何實現的？教師啟發學生思考。學生已知頂端優勢由生長素的極性運輸引起，能提出“BUD1 抑制了生長素的極性運輸”這一假設。教師展示擬南芥下胚軸的圖，讓學生考慮用什么方法可檢測生長素的極性運輸。經討論，學生能提出“測定突變體和野生型的下胚軸下部生長素量差異”的思路，有的學生還能想到使用同位素標記法。此時，教師再展示科研人員的方案：在下胚軸頂端施加放射性的IAA，4 h 后檢測基部的放射性[5]。數據顯示，突變體的相對運輸速率顯著低于野生型[5]，說明BUD1 能抑制生長素的極性運輸，實驗證據為假設提供了支持，順利得出結論2（圖7）。

圖7 測定突變體的極性運輸能力

教師再次設問：BUD1 怎樣抑制生長素的極性運輸？這需要補充相關知識[6]，教師以圖片（圖8）展示IAA 極性運輸機理：IAA 輸入載體和輸出載體PIN 在細胞膜兩端的分布，PIN 的合成、囊泡運輸和嵌入膜上的過程。提問：你可提出哪些假設？

圖8 生長素的極性運輸需要載體

學生思考后回答，可能是生長素輸出載體的合成受阻、運輸受阻或囊泡嵌入細胞膜受阻。也有學生補充到，可能是輸入載體的數量減少。教師充分肯定學生的想法，讓學生認識到，只要合乎邏輯，對于待解決問題可提出多個合理假設，大膽假設后才可能設計有針對性的實驗，無論證實還是證偽，有了讓人信服的實驗證據，才能形成新的認識。

之后，教師通過圖片展示實驗結果。研究人員用熒光染料對細胞內的輸出載體PIN 進行染色，用熒光顯微鏡等時間間隔觀察囊泡在細胞內的位置[5]。為了很好地呈現結果，教師在圖片上圈出了目標囊泡、以線條標出囊泡起始位置，鮮明地呈現野生型和突變體的結果對比（圖9）。如此，學生能較輕松地得出結論3：BUD1 能降低細胞內PIN 囊泡運輸的速度。

圖9 測定突變體的囊泡運輸速度

最后，教師引導學生用規范的語言對bud1的功能進行科學表述。BUD1 通過降低細胞內PIN載體囊泡的運輸速率抑制生長素的極性運輸、進而抑制頂端優勢的出現。

這樣，通過由宏觀到微觀、由表及里的深入分析，揭示了bud1和頂端優勢的關系，教師再板書總結（圖1），轉基因技術的應用使得人們能對生命現象進行分子水平的揭秘，但從實驗設計分析，其自變量控制的加、減法思路是不變的，即：T-DNA 插入突變通過基因的過表達創設加法實驗，通過插入失活創設減法實驗，比較實驗組和常態對照組的差異可明確這一基因的功能。同位素示蹤技術和熒光技術呈現了物質運輸的過程，這些技術的應用與傳統實驗技術都實現了同樣的效果，即將不可見的過程轉化為可觀察檢測的現象。

最后的總結讓學生對植物激素調節的研究方法有全面認識，通過實驗設計，找出解決問題的思路，技術的應用讓想法轉變為行動，為大膽假設提供各種實證，科學在思考和實踐中不斷創新。

4 總結與反思

1）以教材實驗和科研文獻為素材，向學生提出與頂端優勢相關的真實生物學問題，用解決問題的研究過程串起整節課的主線。引導學生作出假設、設計實驗、分析實驗結果、得出實驗結論，體現“教學過程重實踐”的課程理念，落實“科學探究”的核心素養。

2）以邏輯清晰的板書對植物激素調節的研究方法進行總結凝練，讓學生領會假說-演繹、受控對比實驗設計的實驗設計思想，并認識到傳統和現代生物技術都是在實驗設計思想的統領下得到應用，將看不見的過程轉化為可觀察檢測的現象，為解決問題提供實驗證據。高度的概括讓學生獲得思維水平的提升，落實“科學思維”的核心素養。

3）以層層遞進、精心設計的問題串調動學生思維，為學生提供充足的思考時間和展示機會，在分析解決問題的過程中，發展科學思維。

4）科研素材選自本校教師的科研實踐，拉近了學生與科學研究的距離，培養學生對科研的興趣。