“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

嚴(yán)金來(lái)

1問(wèn)題的提出

“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”是證明DNA是生物體的遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，這是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，更是難點(diǎn)。雖然說(shuō)是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但是中學(xué)的普通實(shí)驗(yàn)室并不具備開(kāi)設(shè)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件，課堂教學(xué)中不可能讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，也就無(wú)法獲得直觀體驗(yàn)。因此對(duì)于這部分內(nèi)容的教學(xué)都是靠教師的分析講解。但很多教師尤其是新教師對(duì)這部分內(nèi)容的教學(xué)鉆研不夠，又沒(méi)有考慮到學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平，教學(xué)時(shí)往往是照本宣科，缺乏必要的知識(shí)作鋪墊，缺乏循序漸進(jìn)的教學(xué)過(guò)程，結(jié)果教完內(nèi)容之后學(xué)生仍然是懵懵懂懂。由于學(xué)生對(duì)這部分的內(nèi)容理解不夠深入，掌握不夠牢固，練習(xí)或考試時(shí)相關(guān)題目的錯(cuò)誤率相當(dāng)高。筆者根據(jù)自己教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，談?wù)剬?duì)這部分內(nèi)痞的教學(xué)設(shè)計(jì)思路。

2噬菌體侵染細(xì)菌的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

2.1導(dǎo)入噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程

通過(guò)“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生得出“DNA是遺傳物質(zhì)”的結(jié)論后，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生討論艾弗里實(shí)驗(yàn)的不足之處，即DNA的純度不夠，不能排除蛋白質(zhì)的作用。而噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)能夠徹底分開(kāi)，即分開(kāi)的DNA中不含有任何蛋白質(zhì)，應(yīng)用它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以取得成功，進(jìn)而引出噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)。

2.2了解噬菌體的組成成分及其結(jié)構(gòu)

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，結(jié)合教材中的圖3－4，使學(xué)生弄清楚噬菌體的基本概念、組成成分和大致結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，教師應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)以下3點(diǎn)：一是T₂噬菌體專門寄生在大腸桿菌體內(nèi)；二是噬菌體頭部的DNA不含有蛋白質(zhì)成分；三是借助于掛圖(圖1)或投影片等輔助手段讓學(xué)生進(jìn)一步了解噬菌體的其他結(jié)構(gòu)。這些是學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)，忽視不得。

2.3理解噬菌體生命活動(dòng)的特點(diǎn)及其增殖過(guò)程

至于這一點(diǎn)，教材中雖然提及到一些內(nèi)容，但過(guò)于簡(jiǎn)單。教師應(yīng)對(duì)此做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充以拓寬學(xué)生的知識(shí)面，降低學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度梯度。補(bǔ)充內(nèi)容如下：噬菌體的組成成分和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不具有酶、原料、能量，因而，不具有進(jìn)行獨(dú)立的新陳代謝的能力，它的一切生命活動(dòng)只能依賴于宿主(細(xì)菌)的活細(xì)胞。當(dāng)噬菌體侵染大腸桿菌后，就會(huì)在自身的遺傳物質(zhì)作用下，利用細(xì)菌的物質(zhì)來(lái)合成自身的組成成分，進(jìn)行大量增殖。

關(guān)于噬菌體增殖過(guò)程的學(xué)習(xí)，上課之前，教師應(yīng)準(zhǔn)備好相應(yīng)的學(xué)習(xí)材料(圖2)并印發(fā)給學(xué)生，課堂上組織學(xué)生觀察、思考、討論、交流，得出噬菌體侵染細(xì)菌增殖過(guò)程，即吸附→注入→復(fù)制、合成→組裝→釋放。教師可以讓學(xué)生說(shuō)出每一步的大致內(nèi)容，若有不妥之處，再由教師加以完善。

2.4學(xué)習(xí)T₂噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)

2.4.1領(lǐng)會(huì)研究的科學(xué)方法一同位素標(biāo)記法

由于T₂噬菌體個(gè)體微小，在實(shí)驗(yàn)中不便于直接觀察，那么在實(shí)驗(yàn)中采用什么樣的科學(xué)方法來(lái)進(jìn)行研究呢?學(xué)生通過(guò)觀察教材中的圖3－6，馬上就能夠指出運(yùn)用同位素標(biāo)記法，這種方法可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上教師進(jìn)一步追問(wèn)：采用什么元素進(jìn)行標(biāo)記呢?這樣從而引導(dǎo)學(xué)生思考、討論，得出只能用35S來(lái)標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼，用³²P來(lái)標(biāo)記T₂噬菌體的DNA，才能將兩種組分區(qū)分開(kāi)。并設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)，以觀察蛋白質(zhì)和DNA在親子代之間的連續(xù)性，從而解決誰(shuí)是真正的遺傳物質(zhì)。

2.4.2了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的

學(xué)習(xí)至此，學(xué)生已經(jīng)能夠了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的，但并不是所有的學(xué)生都能表述清楚，教師還須進(jìn)一步加以明確，即由于噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)能夠徹底，分開(kāi)，因此可以單獨(dú)地、直接地觀察DNA和蛋白質(zhì)的作用。教師還可以順便提一下，科學(xué)家進(jìn)行“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)思路也是如此，但由于提取的DNA的純度不夠，因而引起了人們的質(zhì)疑。

2.4.3理解實(shí)驗(yàn)操作步驟及其目的

首先教師必須讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)操作的大致過(guò)程。教師可以指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，在黑板上設(shè)計(jì)出如下的操作流程簡(jiǎn)圖，讓學(xué)生填寫出實(shí)驗(yàn)的基本操作步驟(圖3)。

然后教師還應(yīng)該讓學(xué)生明白一些重要操作的目的，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解。即短時(shí)間保溫是為了讓噬菌體吸附到大腸桿菌的表面，并注入其頭部的DNA，在大腸桿菌內(nèi)增殖。攪拌是為了使吸附在大腸桿菌的噬菌體與菌體的分離。離心的目的是讓上清夜中析出重量較輕的T₂噬菌體蛋白質(zhì)外殼顆粒，而離心管的沉淀物中留下被侵染的大腸桿菌。

2.4.4分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了深入理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，也便于得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，教師可以啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)填寫實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表格，并且引導(dǎo)他們填寫出正確的內(nèi)容。于是學(xué)生紛紛行動(dòng)起來(lái)，設(shè)計(jì)有關(guān)的表格。一段時(shí)間后，教師組織學(xué)生相互交流、討論，比一比誰(shuí)的表格設(shè)計(jì)得更科學(xué)、準(zhǔn)確、合理、完善。學(xué)生的興致更高了，馬上就有人自告奮勇地站起來(lái)，向全班同學(xué)展示自己的設(shè)計(jì)成果(表1)。

并且這位學(xué)生說(shuō)出了分析過(guò)程：在第一組實(shí)驗(yàn)中，主要在試管的上清液中檢測(cè)到了放射性同位素³⁵S；在第二組實(shí)驗(yàn)中，主要在試管的沉淀物中檢測(cè)到了放射性同位素³²P。這說(shuō)明在噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，親代的蛋白質(zhì)外殼留在菌體外面，不具有連續(xù)性，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)；而DNA分子進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，指導(dǎo)控制合成許多噬菌體，具有連續(xù)性，DNA才是真正的遺傳物質(zhì)。

2.4.5必須突破的疑難問(wèn)題

在教學(xué)時(shí)，筆者還發(fā)現(xiàn)了學(xué)生存在的幾個(gè)疑難問(wèn)題，因此教學(xué)時(shí)教師必須加以突破。

(1)在含³⁵S標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)中，上清液的放射性很高，為什么沉淀物中也含有放射性?

³⁵S標(biāo)記的是噬菌體的蛋白質(zhì)外殼，在噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，蛋白質(zhì)外殼留在大腸桿菌體的外面，當(dāng)輕輕攪拌時(shí)，蛋白質(zhì)外殼與菌體分離，進(jìn)行適度離心時(shí)，放射性的蛋白質(zhì)外殼應(yīng)出現(xiàn)在上清液中，而沉淀物中的少量放射性是由于極少數(shù)吸附在大腸桿菌表面的噬菌體，未能與之徹底分離，隨大腸桿菌一起出現(xiàn)在沉淀物中。

(2)在含³²P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸菌實(shí)驗(yàn)中，為何上清液中也含有少量的放射性?

含³²P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，不可能全部成功吸附到大腸桿菌的菌體上，在離心時(shí)，未能吸附到大腸桿菌表面的噬菌體由于重量較輕隨著離心出現(xiàn)在上清液中，因而上清液中含有少量的放射性。

(3)這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能證明DNA是遺傳物質(zhì)。

由于噬菌體的蛋白質(zhì)外殼沒(méi)有進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，只有DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，結(jié)果子代噬菌體與親代的噬菌體的形態(tài)、大小等，特性相同。這就證明了：DNA是遺傳物質(zhì)。這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)說(shuō)明的是，由于蛋白質(zhì)外殼沒(méi)有進(jìn)入菌體內(nèi)，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)不能證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。蛋白質(zhì)雖然不是遺傳物質(zhì)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不能證明，但是此點(diǎn)可以由肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。

3有效訓(xùn)練與反饋

為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)中重點(diǎn)、難點(diǎn)消化理解和運(yùn)用，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，取得理想的教學(xué)效果，教師必須精心設(shè)計(jì)出恰當(dāng)有效的針對(duì)性課堂訓(xùn)練。對(duì)³⁵S和³²P標(biāo)記的噬菌體的同位素在子代中出現(xiàn)的情況、合成子代噬菌體的原料、不同標(biāo)記的噬菌體在離心之后放射性檢測(cè)情況、該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論等知識(shí)應(yīng)作重點(diǎn)檢查與反饋。教師還可以用“煙草花葉病毒(TMV)和車前草病毒(HRV)都能感染煙草的實(shí)驗(yàn)”習(xí)題對(duì)所學(xué)知識(shí)作進(jìn)一步的提升。