“噬菌體侵染細菌的實驗”探究性教學設計及簡評

張樹虎

摘 要 通過創設情境、問題預設、討論解答等方面對“噬菌體侵染細菌的實驗”一課探究性教學設計進行較為深入的探討，并對課堂情境設置、制造“問題鏈”等教學設計作出簡單評價。

關鍵詞 實驗 教學 設計

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

“噬菌體侵染細菌的實驗”是驗證DNA是遺傳物質的經典實驗，是引導學生進行探究性學習較好的素材。教材雖然采用了圖文并舉的編寫方法，但是由于文字過于簡練，給學生的學習帶來了一定的困難。再加上很多教師將該實驗理解為驗證性實驗，學生學完這部分內容后，常常是疑問重重。突破這個教學難點，關鍵在于課堂教學應當以探究為主線進行。

1 教學設計

1.1 課堂導入

教師創設情境：DNA和蛋白質到底哪一個才是遺傳物質？1944年，美國細菌學家艾弗里（1877-1955）等人在實驗中發現：死去的S型菌并未復活，而是S型菌的DNA進入了R型菌，使其轉化為新的S型致病肺炎雙球菌。艾弗里等人的實驗不僅揭開了“格里菲思之謎”，并且在世界上第一次證明遺傳基因就在DNA上。但是，當時遺傳學界的主流觀點是蛋白質承擔著遺傳信息載體的作用，艾弗里的研究不僅沒有使科學界立即接受DNA是遺傳物質的正確觀念，反而引起了科學界許多人的極大驚訝和懷疑。

請思考回答：（1） 通過什么現象第一次證明遺傳基因就在DNA上？能否證明作為遺傳物質必須具備的親子代間的傳遞性？（2） 在人們的質疑中，最具有代表性的觀點是什么？

盡管格里菲斯和艾弗里已經證實了DNA是導致細菌轉化的因子，但這僅僅是從一個側面證明了DNA可以控制細菌莢膜的形成，并沒有證明作為遺傳物質必須具備的親子代間的傳遞性。

不論純化的DNA從數據上看是如何純凈，它仍然可能藏留著一絲蛋白質殘余，說不定這就是有活性的轉化因子。那么有沒有哪種生物材料能夠將蛋白質和DNA分開？以此引出新課教學。

1.2 “噬菌體侵染細菌的實驗”的教學

1.2.1 知道噬菌體的特點

教師首先創設情境：艾弗里等人的實驗受到質疑，那么，如何使實驗更嚴謹、更有說服力呢？能否找到更好的實驗材料來替代？這種材料必須具備什么特點呢？

這樣設計的目的是激發學生思維，并讓他們知道選擇的材料最好能自然將蛋白質和DNA徹底的分開，從而引出實驗材料——噬菌體。

師：1969年諾貝爾生理學和醫學獎授予了三位遺傳學家，他們是德爾布呂克、盧里亞和赫爾希，以表彰“他們利用噬菌體作為實驗材料，發現了病毒的復制機制和基本結構”。營細胞內寄生的噬菌體，是一種結構異常簡單的生物，只有蛋白質外殼包裹著DNA構成。如果能證明噬菌體傳遞給后代的只有DNA而沒有蛋白質，就能強有力地證明DNA是遺傳物質而蛋白質不是遺傳物質。

1.2.2 猜測噬菌體侵染細菌的形式

在學生了解噬菌體的基礎上，教師設計問題：如果你是赫爾希、蔡斯團隊中的一員，你對“噬菌體侵染細菌時，進入細菌的是DNA分子，還是蛋白質”是如何推測的？

教師引導學生分組討論，并猜測可能的形式。學生通過討論得出三種可能：① 注入DNA，蛋白質衣殼留在外面；② 注入蛋白質衣殼，DNA留在外面；③ 同時注入DNA、蛋白質衣殼。

以上猜測存在一個演繹推理，是實驗的前提條件，教師必須讓學生明白這個推理過程。所謂演繹推理就是由普通性的前提推出特殊性結論的推理。演繹推理有三段論，有假言推理和選言推理等形式，該實驗的推理屬于假言推理。

假言推理的基本原則是：小前提肯定大前提的后件，結論就要肯定大前提的前件；小前提否定大前提的前件，結論就要否定大前提的后件。推理的過程如表1所示。

這個問題旨在引導學生學會運用已經學過的演繹推理法來解決實際問題。

師：以上僅僅是猜測，這樣一個微觀過程如何才能觀察到？這就是赫爾希和蔡斯遇到的難題。

1.2.3 探究噬菌體侵入細菌體內的物質

師：噬菌體侵染細菌的究竟是噬菌體DNA還是蛋白質？如果你是赫爾希、蔡斯團隊中的一員，你將采取什么方法來區別蛋白質、DNA？請同學們分組討論，小組提出可行性方案。

生：用同位素標記法。

學生從教材中能夠發現答案，因此教師不需要過多解釋這個內容，防止分散學生的注意力。

分組討論，讓學生體會探究實驗的“一般流程”：

實驗原理：生長在含有放射性物質的培養基中的細菌及其體內的噬菌體也將帶有放射性，并可被專門儀器所測定。

在T2噬菌體的化學組成中，60%是蛋白質，40%是DNA；S僅存在于蛋白質分子中，99%的P存在于DNA分子中。

器材用具：選用實驗材料和有關的儀器、試劑（略）。

方法步驟：采取分組標記，第一組標記蛋白質，第二組標記DNA。

用35S、32P分別標記噬菌體：把宿主細菌分別培養在含有35S、32P的培養基中，細菌在生長過程中分別被35S和32P所標記。再用噬菌體分別侵染被標記的細菌，噬菌體在細菌細胞內增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體。用儀器測定這些子代的噬菌體：噬菌體侵染35S標記的細菌被35S所標記；噬菌體侵染32P標記的細菌被32P所標記。

測定同位素標記的細菌：用35S標記的噬菌體侵染未標記的細菌，然后測定該細菌的同位素標記。用32P標記的噬菌體儀染未標記的細菌，然后測定該細菌的同位素標記。

預期結果：從理論上講，第一組僅用35S標記噬菌體外殼，侵染細菌后攪拌離心，實驗結果應該是只有上清液（含有噬菌體外殼）具有放射性，而沉淀物不應該有放射性，這樣才能說明噬菌體的蛋白質外殼沒有進入細菌體內。第二組僅用32P標記噬菌體的DNA，侵染細菌后攪拌離心，實驗結果應該是只有沉淀物（細菌）具有放射性，而上清液不應該有放射性，這樣才能說明噬菌體的DNA進入細菌體內了。endprint

實驗結論：經同位素35S和32P的標記實驗所證實，噬菌體注入細菌的物質是DNA。

分析結論：子代噬菌體的各種性狀是通過親代的DNA遺傳給后代的，因此，DNA才是真正的遺傳物質。

在小組討論后，各小組展示成果，教師要注意引導學生分析實驗設計的基本環節。

這個問題是教學的重點、難點，教學時教師先讓學生觀察實驗操作的視頻，實驗結果快要出現時，將視頻停下來，讓學生思考、推測可能出現的結果。學生討論。當學生看到實驗現象：用35S標記的噬菌體的放射性在上清液中，而32P標記的噬菌體的放射性在沉淀物中。學生議論紛紛，興趣馬上被調動起來。此時必然有學生認為教材結論有問題。教師要針對學生的思考以及教材的缺陷，適時抓住情境，讓學生真正理解知識。

接著教師設計以下問題進行追問：

（1） 從實驗結果看，現象并不符合預期結果，第一組沉淀物中也有較弱放射性，應該如何解釋？第二組上清液中也有較弱的放射性，應該如何解釋？

答案：只有把握好噬菌體侵染持續時間的長短，才不至于導致某些噬菌體因沒來得及侵入而留在上清液，或者某些細菌因時間過長已經裂解，從而存在于上清液中。

第一組實驗：硫元素僅存在于蛋白質中，所以，最可能的原因是攪拌不徹底，會導致部分吸附的噬菌體外殼沒有脫落下來就離心了，所以這少量的外殼會存在于沉淀物中。

第二組實驗：有3個可能的原因：① 噬菌體侵染細菌需要一個過程，有些噬菌體還沒有來得及侵入就已經攪拌離心了，這些沒有來得及侵入的噬菌體存在于上清液中；② 噬菌體侵入細菌后使細菌解體，釋放出來的子代噬菌體會存在于上清液中；③ T2噬菌體的化學成分中，99%的磷元素存在于DNA分子中，可能是另外1%的磷使上清液顯示出很弱的放射性。

該題設計意圖是訓練學生的思維深度，進一步對實驗進行深入分析，使學生對實驗的認識得以升華。要解決上述問題，學生必須深入思考實驗的每個步驟的目的（如攪拌、離心）與原因以及該步驟的注意事項，必須從一個操作者的角度去思考才能有所收獲，從而解決問題。教師可以引導學生發現問題，然后組織學生通過“小組討論→代表回答→評價修正→總結歸納”的方式進行。

（2） 噬菌體侵染細菌的實驗能否證明蛋白質不是遺傳物質？艾弗里的實驗可以證明嗎？

答案：T2噬菌體的遺傳物質是DNA。這兩組實驗并不能說明蛋白質不是遺傳物質，因為蛋白質沒有進入細菌，所以無法知道蛋白質對遺傳是否有作用，但艾弗里的實驗可以說明蛋白質不是遺傳物質。

（3） 科學家選用噬菌體侵染細菌的實驗來證明DNA是遺傳物質，你認為有什么巧妙之處？這一實驗與肺炎雙球菌轉化實驗在實驗設計的思想與方法上有什么共同之處？

答案：噬菌體僅有蛋白質和DNA兩種化學成分，它的頭部和尾部的外殼都由蛋白質構成的，頭部內含有DNA。共同之處是均設法把DNA與蛋白質分開，從而單獨地、直接地去觀察DNA的作用。只是兩個實驗中使DNA與蛋白質分開的方式不同，另外都遵循了對照實驗的設計思想。

如果課堂時間充足，教師還可以設計以下問題或者由學生提問：

（1） 目前有多種同位素如14C、15N、3H、32P、35S等，選擇哪種元素進行標記？為什么？能不能直接標記？可以用含有同位素的培養基培養得到標記的病毒嗎？如何才能做到？

（2） 如果同時用不同的同位素分別標記噬菌體的DNA和蛋白質可以嗎？為什么？

（3） 怎樣使噬菌體外殼從細菌表面脫落下來？

2 簡評

2.1 情境設置，誘發學生強烈探究欲望

情境的創設要符合學生的知識水平、生活經驗、個性特征和情感體驗；要緊扣教學內容，凸現學習重點，尤其要能引發學生提出問題。在設計提問時，教師要依據素材設計出與本節課重點知識有關的問題，目的是幫助學生準確理解學科知識的內涵，激發他們學習的動力和熱情。例如，本課導入材料的教學情境是通過回顧上節課核心知識引出本節新知識，對于激發學生的學習興趣，引導學生從中發現問題并形成與原認知結構間的思維沖突大有幫助。再如“噬菌體侵染細菌的實驗”的情境設計：通過質疑，激發和培養學生科學探究精神，引導學生重視科學探究的歷程，按照生命科學史的發展去思考問題、發現問題。這樣，既延伸了舊課，導出新課，同時又激發學生的求知欲，為新課的教學創造有利的氛圍。另外，教師利用生物科學史、生物學家的故事導入時，一定要還原事實真相，這樣能收到較好的教育教學效果，而且可以教育學生刻苦學習、學會創新，有助于培養他們實事求是的科學態度。

2.2 “問題串”幫助學生突破探究難點

新課改要求課堂教學在教師的引領下，針對教學目標和教學內容提出教學問題，培養學生學會學習。學生帶著問題學習并解決問題，進而探索出更多問題。噬菌體侵染細菌實驗對于高中生來說是比較難的，為了突破這個難點，本節課教師設計了系列“問題串”，解決這些問題分三步：① 學習噬菌體侵染細菌實驗之前要學習病毒的結構及其繁殖過程。② 認真分析實驗中的細節。如果對實驗過程中的細節教師處理不夠得當，那么，學生的思維可能會跟不上，導致理解不透徹。例如，這個實驗成功的關鍵之一是科學家想到了用攪拌器攪拌，那么攪拌的目的是什么？為什么會想到攪拌？這正是和本實驗的目的相聯系的步驟。再如，離心后對于沉淀物和上清液的成分的分析，也是必要的。為什么要控制被標記噬菌體和未標記的細菌混合的時間長短？如何得知是否有子代噬菌體干擾了實驗結果？除了教師預設問題外，教師還要不斷激發學生提出問題。如教學本課時有學生問：該實驗是對照實驗嗎？其中自變量是什么？因變量是什么？哪些是無關變量？為什么要讓被標記的噬菌體分別與大腸桿菌混合？……③ 教師通過課件直觀呈現教材中關于標記的噬菌體侵染細菌實驗的兩個對照試驗，以此幫助學生進一步突破難點。教師教學時要注意：教材中的插圖比較直觀，但是切忌死記硬背教材結果，事實上，這種結果是理論現象，與事實不符，所以要注意培養學生“想象實驗”的能力。

2.3 體驗學習，像科學家一樣進行科學探究

新課程實施的難點之一是如何在課堂教學中真實、有效地開展探究活動。本課的教學中，教師將實踐體驗（像科學家一樣去經歷）與情境體驗（教學過程中有目的預設場景，如視頻活化情境）相結合，引導學生體驗“假說——演繹法”，讓學生像科學家那樣去思考，體會科學研究的思維過程。同時引導學生設計實驗證明噬菌體侵染細菌時，注入細菌的是DNA而不是蛋白質，學生在討論、自主探究過程中，運用理性思維體驗科學探究的一般過程，對于提高學生的科學素養大有裨益。

2.4 質疑啟思，養成“先學后教”、“以學導教”的習慣

新課改要求教學形式或教學方式要發生變化。教師應該“跟著學情走”，鼓勵學生自主學習。前已述及，“問題串”的預設將教學活動牢牢定位于學，讓學生的學習活動啟動教師的教學活動。每一個教學過程都是從學生的自學為起點，教師則在自學的基礎上施教。教學中問題的預設與生成相輔相成，教師沒有完全按照教案教學，而是“以人為本”，并沒有“以知識為本”。另外，沒有出現對學生指導“過度”的現象，而是賦予學生時間、空間，讓學生“說”不懂之處、疑問之處。

參考文獻

[1] 劉本舉.“噬菌體侵染細菌的實驗”的分析與教學建議[J].生物學通報，2010，（9）：29-31.

[2] 周榮華，高虎.“讓學”理念下的“問題鏈式”教學策略[J].上海教育科研，2012，（2）：76-77.endprint