“問題—引導—發現法”在“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學中的應用

摘要 介紹了在“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”一課教學中采用“問題一引導一發現法”的具體做法。

關鍵詞 經典實驗提出問題 思維活動

中圖分類號G633.91

文獻標識 B

1 教材分析及處理

“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學內容是蘇教版教材第四章“遺傳的分子基礎”第1節“探索遺傳物質的過程”中的教學內容。“探索遺傳物質的過程”一節教材內容包括3個經典實驗：格里菲思的肺炎雙球菌體內轉化實驗、艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗、赫爾希和蔡斯的T₂噬菌體侵染細菌的實驗。“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學內容中涉及到蛋白質和DNA的元素組成和結構、細胞培養和復制、同位素標記、離心、放射性檢測等基礎知識和技術。學生還需要對實驗現象進行科學推理，才能得到科學的實驗結論。同時，學生還缺乏DNA復制、基因表達等相關知識。教師需要對教材內容進行合理加工，采用“問題一引導一發現法”，可幫助學生通過模仿經歷科學家的實驗過程，得出“DNA是遺傳物質”的實驗結論。

2 教學目標

描述T₂噬菌體侵染細菌的實驗過程；說明放射性同位素標記T₂噬菌體的方法；分析T₂噬菌體侵染細菌的實驗現象；認同DNA是遺傳物質。

3 教學方法

采用問題一引導一發現法。“問題”不僅是指學生在模擬經歷赫爾希和蔡斯的T₂噬菌體侵染細菌的實驗過程中產生的問題，還包括教師幫助學生理解實驗過程和原理提出的問題。通過問題的提出，教師幫助學生建構思維的“腳手架”，引導學生進行分析、推理等邏輯思維活動，從而發現生命現象的本質（DNA是遺傳物質）。

4 教學過程

（1）回顧經典實驗，提出問題，引入“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”。教師用流程圖形式簡單回顧格里菲思的肺炎雙球菌體內轉化實驗和艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗（圖1）。

教師提出問題：艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗結論正確嗎？能否排除蛋白質不是遺傳物質？有學生當堂提出：艾弗里實驗中已經設置了s型菌的蛋白質與R型活菌混合培養的對照實驗，可以排除蛋白質是轉化因子（遺傳物質）。教師對艾弗里和他的同事所做的實驗過程作進一步的介紹：艾弗里與他的同事去除了s型細菌的蛋白質（使提取物達到了99.98%的純度）、脂質后，發現R型細菌轉化為S型細菌的效率沒有降低；艾弗里與同事用化學方法分析混合物中去除了蛋白質、脂質的提取物時，發現純化后的成分的排列與DNA十分相符；當混合物在離心機中高速旋轉時，轉化因子總是遷移到與DNA相同的密度層。教師通過介紹艾弗里與同事的實驗過程，引導學生分析得出艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗結論是正確的，實驗結果可以排除蛋白質是遺傳物質。同時說明限于當時的技術條件，艾弗里實驗中提取出的DNA純度最高時也還含有0.02%的蛋白質，很多生物學家更傾向于認為蛋白質是遺傳物質，艾弗里的實驗最初并沒有被廣泛接受。直到1952年，赫爾希和蔡斯的T₂噬菌體侵染細菌的實驗進一步證明了DNA是遺傳物質。

（2）描述T₂噬菌體侵染細菌的實驗過程，以問題搭建“腳手架”，引導學生分析、推理。在指導學生閱讀、分析和描述教材中“T₂噬菌體侵染細菌的實驗過程”圖解的基礎上，教師提出如下問題：T₂噬菌體屬于哪種生物類別？（病毒，無細胞結構）教師補充：T₂噬菌體屬于細菌病毒。通過PPT介紹T₂噬菌體浸染大腸桿菌的過程，即吸附、注入、復制、組裝、釋放等五個階段。推理出選擇大腸桿菌作為宿主的理由：T₂噬菌體在大腸桿菌內寄生，大腸桿菌代謝旺盛，分裂增殖時間短。T₂噬菌體的基本結構組成是什么？（蛋白質和DNA）教師補充：噬菌體的種類多，有的噬菌體的物質組成是蛋白質和RNA。推理出選擇T₂噬菌體作為實驗材料的理由：結構簡單。T₂噬菌體的DNA和蛋白質的組成元素分別是什么？（c、H、O、N、P；C、H、O、N、S。放射性同位素標記的對象：P標識DNA；S標識蛋白質）DNA和蛋白質的基本組成單位分別是什么？（脫氧核苷酸；氨基酸）教師引導學生推理出放射性同位素標記的部位：P標識DNA分子中磷酸基團；S標識氨基酸中的R基團。為什么選擇，P標識DNA，S標識蛋白質？（DNA和蛋白質組成元素中都含有c、H、O、N，同時s和衰變時釋放的粒子有不同的能量）教師引導學生推理出放射性同位素選擇性標識的原因：含有s和P的物質很容易區分。如何分別培養成含有亞P標識的和s標識的T₂噬菌體？教師補充：不能直接用含或的培養基培養T₂噬菌體。標識T₂噬菌體的途徑：用含P或s的培養基培養大腸桿菌，再用已經標識的大腸桿菌培養T₂噬菌體。

（3）拋出問題，引導學生理解采用相關實驗技術的目的。針對實驗過程中科學家所采取的劇烈攪動和離心的技術，教師提出以下問題：當T₂噬菌體侵染大腸桿菌后為什么要劇烈攪動？（劇烈攪動大腸桿菌細胞可以去除細菌表面侵染病毒的蛋白質外殼。這一方法除去了幾乎所有含s標識的蛋白質）實驗過程中，攪拌培養液的時間是如何控制的？（T₂噬菌體侵染大腸桿菌后，大腸桿菌未裂解之前。教師補充：如果過早攪拌，T₂噬菌體還未浸入大腸桿菌或沒有在細胞內增殖；時間過遲，大腸桿菌由于T₂噬菌體的增殖而裂解）離心的目的是什么？（由于大腸桿菌和T₂噬菌體的質量大小不同，通過離心可以將大腸桿菌和T₂噬菌體分離，大腸桿菌位于離心管的下層，T₂噬菌體或蛋白質外殼位于離心管的上層）

（4）設置問題，分析現象，認同DNA是遺傳物質。T₂噬菌體侵染大腸桿菌的實驗現象是：S標識的T₂噬菌體浸染細菌后，經過攪拌、離心，放射性物質主要存在于上清液；P標識的T₂噬菌體浸染細菌后，經過攪拌、離心，放射性物質主要存在于沉淀物中。教師設置的問題是：為什么兩種放射性物質分別存在于上清液和沉淀物中？（s標識的蛋白質未進入大腸桿菌，P標識的DNA浸染進入了大腸桿菌）T₂噬菌體浸染細菌的實驗能否證明DNA是遺傳物質，蛋白質不是遺傳物質？（可以證明。因為T₂噬菌體的DNA而非蛋白質指導了新病毒的繁殖）教師補充：含標識的DNA浸染進入了大腸桿菌，并且不斷出現在被釋放出了的T₂噬菌體中。

5 教學反思

“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學內容涉及到較多的生物學基礎知識和實驗技術，通過“問題一引導一發現法”可以使學生在梳理基礎知識的基礎上，更好地理解實驗的原理、方法和技術。由于在中學課堂教學中不能重新模擬赫爾希和蔡斯的T₂噬菌體侵染細菌的實驗過程，教師通過設置“問題”的形式，引導學生分析、推理，發現生命現象的本質，教學效果比較好。有的教師將“探索遺傳物質的過程”一節安排為1課時，結果造成在講授“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學內容時草草收場。將“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學內容單列為1課時，既可以回顧“格里菲思的肺炎雙球。菌體內轉化實驗”、“艾弗里的肺炎雙球菌體內轉化實驗”教學內容，又保證了“T₂噬菌體侵染細菌的實驗”教學所需的時間。