搭建思維階梯重溫科學史探究過程

摘 要：《探索遺傳物質的過程》是高中生物必修二第四章《遺傳的分子基礎》的第一節，學生在學習過程中大多數只停留在記住實驗基本過程上，并沒有真正領會科學家在不斷研究中所采用的技術以及設計思路，所以考試時對于出現的題目無從下手。如若我們在課堂教學實踐中，搭起良好的思維階梯，讓學生參與科學家探索的過程，不斷思考，那么對于這部分知識便可以輕松掌握。同時也能夠讓學生獲得成就感，對生命科學研究產生濃厚的興趣。本文筆者便以如何構架思維階梯，談一談自己在教學實踐中的一些思考。

關鍵詞：思維階梯;遺傳物質;高中生物學

一、 巧設鋪墊，填補教材思維斷層

本節課課題為《探索遺傳物質的過程》，所以重心在“遺傳物質”這個詞上。遺傳物質是什么？這個問題對于學生現有的知識水平來說，很容易便可以答出來——“DNA”，但本節課是探索遺傳物質到底是什么的過程，所以得讓學生跟隨科學家的腳步一步一步地去探索。在課堂開始之前，我采用了這樣的導入方式：生活中經常會遇到這樣一個場景——這孩子跟他爸爸長得真像。那么問題來了，“長得真像”是什么意思？用生物學知識怎么描述？那能不能說他爸爸跟他長得很像？這些問題雖然切入點很小，但卻揭示了遺傳物質的本質。接著我給出遺傳的概念與原因。

遺傳：子代與親代個體之間相似的現象稱為遺傳。

原因：親代通過遺傳物質把遺傳信息傳遞給子代，子代按照遺傳信息生長、發育，因此子代總有與親代相同或相似的性狀。

學生根據所給內容自由討論后，可以總結出一些遺傳物質的特點，如可遺傳、可控制生物性狀、攜帶大量遺傳信息等等。為什么這個地方我要設置這個環節呢？這是為了給后面格里菲思實驗結論的分析作理論基礎。

格里菲思用肺炎雙球菌做完體內轉化實驗后得出結論：加熱殺死的S型菌中必然存在某種“轉化因子”，可以將R型菌轉化為S型菌。當我們講解到格里菲思結論時，學生必然會有疑問，不是要探究遺傳物質是什么嗎？怎么又多了個“轉化因子”？“轉化因子”和遺傳物質是什么關系？那么這個地方便存在著思維斷層，教材中并沒有特別體現這一點。那么作為教師，我們需要思考“轉化因子”和遺傳物質的關系，當我們認真分析格里菲思做的第四組實驗，我們不難發現，這個“轉化因子”在行使遺傳物質的功能。分析如下：

事實1：“轉化因子”必然使R型菌出現了莢膜，使得轉化的R型菌能夠抵御小鼠體內免疫系統的傷害，表現出致死的能力，即轉化為了S型菌，發生遺傳性狀的改變。

結論1：“轉化因子”可控制生物性狀。

事實2：科學家在第四組死亡小鼠體內剝離出了R型菌和少部分發生轉化得到的S型菌，這些轉化后得到的S型菌后代仍然為S型菌。

結論2：“轉化因子”可遺傳。

事實3：“轉化因子”能夠使R型菌轉化為S型菌。

結論3：“轉化因子”可遺傳并且控制著生物的變異。

結合本節課開始前分析的遺傳物質的特點，我們很容易便可以分析出“轉化因子”便是遺傳物質的結論。這樣便可以解決學生內心的困惑，也可以讓課堂走向一直圍繞著“遺傳物質”展開。

在格里菲思做完實驗后，書上緊接著介紹了艾弗里實驗，那我們如何做好這一部分的鋪墊工作呢？書上積極思維中提到了一句話：“格里菲思的實驗還不能說明遺傳物質是什么。如果讓你接替格里菲思的研究工作，進一步證明什么是遺傳物質的話，你應該如何設計并實施實驗？”那么根據書上這句話的引導，我將這個問題分散成幾個小問題：

問題1：格里菲思結論中的“轉化因子”具體是什么物質我們知不知道？你還在哪些地方聽過“因子”這個詞？

分析1：“轉化因子”具體是什么誰也不知道。“因子”這個詞在前面我們有接觸過“致癌因子”和“遺傳因子”。這些詞的共同點就是我們不知道它具體是什么物質，但它確實是存在的，命名方式就是“功能”+“因子”。

問題2：如果你是格里菲思，肯定會想知道“轉化因子”是什么物質，你有什么思路嗎？

分析2：將S型菌各種組分分離提純后，再分別研究他們的轉化作用。

問題3：那么格里菲思為什么沒有進一步展開相關研究呢？是他沒有想到這個思路嗎？

分析3：格里菲思時代不具備分離提純條件，科學發展離不開技術的支持。

問題4：你是如何認識科學與技術之間關系的，對你有什么啟示？

分析4：科學成果的取得必須有技術手段作保證，技術的發展需要以科學原理為基礎，因此，科學與技術是相互支持、相互促進的。

問題5：如果將S型菌各組分分離提純獲得純凈物后，你將如何設計這個實驗？

分析5：將S型菌各種組分分離提純后分別與R型菌混合，注射到小鼠體內，觀察小鼠死活，使小鼠致死的那一組便是加了“轉化因子”。另外，我們也可以直接將S型菌各組分分離提純后與R型菌混合，放入各組培養基中培養，如果菌落中出現光滑菌落，即表明出現了S型菌，這種組分便為“轉化因子”，也就是遺傳物質。

通過設置以上問題給小組討論，學生自己便能夠想出下一步的設計思路，并且他們的想法與接下來要介紹的艾弗里體外轉化實驗一致，在這個過程中，能夠讓學生獲得學習的成就感并對生命科學研究產生興趣。

二、 層層剝絲，突顯科學探索精神

本節課旨在學生以生命科學史線路和科技發展線路重溫科學家探索遺傳物質的過程。所以在整個課堂教學中，可以按照遺傳學時間發展順序展開教學。

如對遺傳物質的早期推測中：我們可以先從最初對遺傳物質探索的科學家孟德爾回憶起，19世紀中期，孟德爾在做完8年豌豆實驗后揭示了遺傳學上兩大定律，基因分離定律和基因自由組合定律。證明了生物的性狀是由遺傳因子控制的。后來丹麥科學家約翰遜將遺傳因子更名為基因。20世紀初期，摩爾根通過果蠅實驗證明了基因位于染色體上。當時科學家已經知道染色體主要由蛋白質和DNA組成，那么，這兩種物質中，究竟哪一種是遺傳物質呢？科學家大多認為遺傳物質為蛋白質，因為氨基酸的多種排列順序可能蘊含著遺傳信息。簡短幾分鐘的介紹，加深了學生對生命科學史的了解，并且讓學生身臨其境地思考問題，激發學生無窮的探索欲望。

在艾弗里體外轉化實驗中，書上給“S型菌DNA與R型菌混合”這一組實驗加了一組對照實驗：“S型菌DNA與DNA酶混合后與R型菌混合”。但設身處地地想一想，當時艾弗里的實驗肯定不是一次完成的。是先發現“S型菌DNA與R型菌混合”這一組實驗的培養基上出現了外表光滑的菌落，即S型菌的DNA為“轉化因子”，為了驗證結論的正確性，才設計了這一組實驗的對照組，即“S型菌DNA與DNA酶混合后與R型菌混合”。目的是進一步確定是S型菌的DNA為“轉化因子”。所以在課堂教學中，我們可以先了解下學生的探索思路，如果有不足的地方，可以加以補充，而不是直接將艾弗里實驗展示在學生面前，這樣做的目的是更好地還原探索過程中科學家的心路歷程。

艾弗里體外轉化實驗能夠得出結論：DNA是遺傳物質，而蛋白質等其他物質不是遺傳物質。我們回顧格里菲思體內轉化實驗中，S型菌的DNA為轉化因子。但為什么已經被加熱殺死的S型菌的DNA還能使R型菌轉化呢？我們可以給出一段材料：聚合酶鏈式反應（PCR）原理，讓學生在閱讀材料過程中思考問題。通過思考，學生能夠得知：當溫度升高到90～95℃時，DNA雙鏈自然解開;當溫度回落到60～65℃時，DNA兩條鏈之間的氫鍵自然恢復，即恢復活性。故而加熱殺死的S型菌中的DNA仍然具有轉化活性。

格里菲思與艾弗里開展的實驗都是肺炎雙球菌轉化實驗。那肺炎雙球菌到底如何發生轉化的呢？轉化的實質又是什么？如圖所示：

通過展示上圖，學生可以清楚地知道肺炎雙球菌是如何發生轉化的。肺炎雙球菌轉化的實質便是基因重組。“轉化”一詞在生物必修課本中并不常見，選修中涉及農桿菌轉化技術。在本節課教材中，“轉化”一詞出現頻繁，所以我覺得有必要在這個地方給學生普及一下“轉化”的知識，為后面學習基因重組和選修內容打下基礎。

我們知道艾弗里實驗設計思路非常好，但由于當時技術條件的不足，艾弗里提取出的DNA，純度最高時，仍然混有0.02%的蛋白質，所以學術界對艾弗里的實驗結論還是很質疑。艾弗里提取出的DNA純度不足違背了他一開始的實驗設計思路：將S型菌各組分分離提純后與R型菌混合培養，單獨直接地觀察它們的作用。正是因為艾弗里實驗存在不足，才會引入到T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗。但本著鍛煉學生探索精神的目的，我們可以讓學生對艾弗里提取的DNA純度不夠做出解決措施。學生可能會有以下兩種方案：

方案1：將從S型菌中分離并提純出的DNA進行加熱處理，在高溫條件下，DNA和蛋白質都會變性，當溫度回落后，DNA復性，蛋白質活性不恢復，能夠起到除雜的作用。

方案2：在從S型菌中分離并提純出的DNA中加入蛋白酶處理，蛋白酶可以水解蛋白質。

以上兩種方案是我們學生通過前面所學知識能夠想到的，這些方案的提出我們需要給予表揚，接著我們讓學生思考并討論這些方案的可行性。方案2中蛋白酶可以除去蛋白質，但在除雜的過程中蛋白酶自身就是雜質，所以這種方案不可行。方案1的操作具有可行性，就是學生剛剛接觸的格里菲思體內轉化實驗中的第四組實驗。所以學生能夠想到這個方法說明學生已經學以致用了。學生思考到這個地方求知欲已經上升到高潮，此時我們再來一句過渡語：到底如何將蛋白質和DNA徹底分開單獨研究呢？這一問題將在下面一個實驗：T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗中得以解決，勾起學生無限的好奇欲。

三、 結語

以上便是我在《探索遺傳物質的過程》這節課中的一些教學感想，總的下來便是一句話：授人以魚不如授人以漁。在教學過程中注重培養學生的思維品質，這便是我們應該努力的方向。當然，在實際教學實踐中肯定還存在著諸多不足，但我相信，不斷思考，注意傾聽學生的聲音，一定可以讓生物課堂開出美麗而嬌艷的花。

參考文獻：

[1]周東美，曲桂玲.《DNA是主要的遺傳物質》一課中生物學核心素養的培養[J].黑龍江教育學院學報，2017（7）：74-75.

[2]李珊珊.“DNA是主要的遺傳物質”一節的教學設計[J].中學生物學，2018，34（9）：7-9.

[3]鐘慧娟.“DNA是主要的遺傳物質”一課學生的思維斷層[J].中學生物學，2018（8）：26-27.

作者簡介：

江蘇云，江蘇省南京市，南京市棲霞中學。