假說演繹推理在高中生物教學中的妙用

劉玲+孫瑞嫻+王華峰

摘 要 “DNA半保留復制”是教學中一個難點，其原因在于，它是一個分子水平事件，比較抽象，學生初學時有很大困難。為了克服這個教學難點，將假說演繹法巧妙地運用到該內容的教學實踐過程中，通過設置場景，使學生像科學家一樣思考問題，解決問題。最終獲得了良好的教學效果。

關鍵詞 高中生物 DNA半保留復制 假說演繹法

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 背景

假說演繹法又稱為假說演繹推理，是指在觀察和分析基礎上提出問題，通過推理和想象，提出解釋問題的假說，根據假說進行演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結論。如果實驗結果與預期結論相符，就證明假說是正確的；反之，則說明假說是錯誤的。假說演繹法在自然科學研究尤其是生命科學研究中是非常重要的科學方法，孟德爾正是完美地將假說演繹法應用到自己的科學研究實踐中，從而發現并創建了孟德爾遺傳定律。

“DNA的半保留復制”是人教版高中生物必修二第三章第三節的教學內容。如果教師直接講解DNA分子半保留復制的特點，學生雖然可以較快地掌握結論，但卻是被動地接受知識，失去了科學探究的樂趣。根據新課程標準的要求，學生應在“遺傳與進化”這一模塊中領悟假說演繹等科學方法及其在科學研究中的應用。基于這個要求，筆者嘗試將假說演繹法運用到該知識的教學過程，取得了良好的教學效果，現簡要介紹如下：

2 教學目的及教學片段

2.1 教學目的

在講授本節知識的時候，巧妙設置場景，使學生參與到科學發現過程中，提高學生的生物科學素養。

2.2 教學片段摘選

對于第一部分“對DNA分子復制的推測”，筆者先讓學生自己思考DNA分子復制的可能形式。學生積極討論，認為DNA分子復制的形式有三種：全保留復制；半保留復制；彌散復制。

師：DNA分子的復制方式有三種，怎樣證明是哪一種復制方式呢？

生：實驗。

師：DNA是看不見的，如何才能分辨是親代DNA與還是子代的DNA呢？

生：同位素示蹤技術。

師：標記哪種元素呢？

生：用15N標記親代的DNA分子，用14N標記子代DNA分子，這樣它們的分子質量就有差異。

師：那怎樣把分子質量不同的兩種DNA區分開呢？

生：離心法。

師：密度梯度離心法。密度梯度離心法又稱為區帶離心法，可以同時使樣品中幾個或全部組分分離，具有良好的分辨率。離心時先將樣品溶液置于一個由梯度材料形成的密度梯度液體柱中，離心后被分離組分以區帶層分布于梯度柱中。為得到必要的濃度梯度，多采用濃氯化銫溶液，所以有時也使用氯化銫濃度梯度離心法這個名稱。

師：如果DNA分子的復制方式是半保留復制，結果是怎樣的？如果是全保留復制，結果又是怎樣的？

生：假設是半保留復制，離心后記錄試管中DNA的位置，子一代應該居中的，子二代應該是一半居中，一半位于試管的上部。假設是全保留復制，離心后記錄試管中DNA的位置，子一代應該一半是靠近試管上部的，一半是靠近試管下部的；子二代應該是1/4是靠近試管上部的，3/4是靠近試管下部的。

生：如果兩條鏈都是15N，其密度最大，最靠近試管底部；如果兩條鏈都是14N，其密度最小，離試管底部最遠；如果一條鏈是15N，一條鏈是14N，其密度居中，位置也居中。

師：分析得很好。請嘗試著用圖解法寫出來，子一代，子二代的情況。

幾分鐘后，有學生推算出來了。

生：如果是半保留復制，親代的DNA分子是兩條鏈都是15N（重帶），子一代DNA分子中一條鏈是15N，一條鏈是14N（中帶）；子二代中有兩個DNA分子一條鏈是15N，一條鏈是14N（中帶），有兩個DNA分子兩條鏈全是14N（輕帶）（圖1）。

生：如果是全保留復制，親代的DNA分子兩條鏈都是15N（重帶），子一代中一個DNA分子兩條鏈全是15N（重帶），一個DNA分子兩條鏈全是14N（輕帶）；子二代中有兩個DNA分子兩條鏈全是15N（重帶），兩個DNA分子兩條鏈全是14N（輕帶），（圖2）。

師：說的很有道理。如果是半保留復制，試管中出現三條區帶；如果是全保留復制，試管中出現兩條區帶。這只是我們的推測，實際上是不是這樣呢？我們看一下科學家的實驗結果。

科學家的實驗結果是在試管中出現了DNA的三條帶，證明DNA的復制是以半保留的方式進行的，也就是說親代的兩條鏈隨著DNA的復制分別進入到兩個DNA分子中，即子代中有兩個DNA分子中分別有一條鏈是親代的鏈。這是2016年新課標Ⅰ卷29題3小題的考點，更應引起學生的重視。通過層層分析，學生不僅能夠自己得出結論：DNA是半保留復制的特點，同時還能感受到科學探究的魅力。

3 教學討論

現代科學研究的基本步驟是：觀察或實驗→發現問題→提出假說→設計實驗→進行實驗→分析實驗結果，根據設計實驗演繹出預期的實驗結果。如果預期實驗結果與得到的實驗結果兩者不相符合，就進一步修正假說，重新設計實驗，進行實驗；如果預期實驗結果與得到的實驗結果兩者相符，假說合理并得出結論。假說是設計實驗的原理，預期實驗結果是根據假說進行演繹得出的；實驗結果并不直接證明假說本身，而是證明依據假說所演繹的預期實驗結果是否正確。

事實上，DNA復制方式的提出與證明，就是典型的假說演繹。蛋白質的空間結構呈螺旋型，克里克和沃森受此啟發，在構建DNA模型時，他們推想：DNA結構或許也是螺旋型的。照此推理，他們演繹修改了原來構建的DNA模型，并與DNA分子的X射線照片進行反復對照，最終證實了他們推理的正確性。那篇著名的“DNA分子雙螺旋結構”論文的末尾，克里克和沃森寫道：“在提出堿基特異性配對的假說后，我們立即又提出了遺傳物質進行復制的一種可能機理。”緊接著，他們在發表的第二篇論文中提出了遺傳物質自我復制的假說：“DNA分子復制時，雙螺旋解開，解開的兩條單鏈分別作為模板，根據堿基互補配對原則形成新鏈，因而每個新的DNA分子中都保留了原來DNA分子的一條鏈。這種復制方式被稱為半保留復制。”1958年，科學家運用同位素標記法，以大腸桿菌為實驗材料，其實驗結果與假說演繹推導的預期現象一致，從而證實了DNA以半保留方式復制。

假說演繹法是必修2模塊的一個重要的科學方法，通過本部分知識的教學可以進一步加深學生對假說演繹方法的理解和深刻認識。教師不能只把科學方法凌駕于知識之上，認為只有科學家才能做到。根據新課程標準的要求，教師應該把這種科學的研究方法滲透在實際教學中。

參考文獻：

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發中心編著.生物·必修2·遺傳與進化[M].北京市：人民教育出版社，2007.

[2] 閆桂琴.遺傳學[M].北京：科學出版社.2010.

[3] 中華人民共和國教育部制訂.普通高中生物課程標準 [S].北京：人民教育出版社，2003.