利用生命科學史培養科學思維的教學實踐
——以“DNA是主要遺傳物質的探索”為例

重慶市綦江中學 莫良華

重慶市綦江區教育科學研究所 肖廷忠

北京市昌平區第一中學 周有祥

一、教學背景分析

（一）課標分析

本節課內容屬于模塊2大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，對應的重要概念為“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”，次位概念為“概述多數生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上”。

（二）教材分析

“DNA是主要遺傳物質的探索”是北師大版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》第1章“遺傳信息的分子基礎”的第一節內容，本節內容的學習建立在學生學習了有絲分裂、染色體的主要成分是DNA和蛋白質的基礎之上。在未證實DNA是主要遺傳物質之前相當長的時間里，人們一直把蛋白質作為遺傳物質，那么，如何證實遺傳物質是DNA還是蛋白質呢？教材在此埋下伏筆，并闡述了20世紀早期人們對遺傳物質的推測。然后教師通過“肺炎鏈球菌的轉化實驗”“噬菌體侵染細菌的實驗”以及“煙草花葉病毒的重建實驗”，引導學生重溫科學家的探究歷程，領悟科學研究的過程和方法，最終得出科學的結論。本節內容較多，計劃2課時完成。

（三）學情分析

學生通過必修1的學習，對核酸的結構和功能有了初步認識，具備一定的提出假說、進行推理的能力，能初步基于實驗結果進行分析和推斷結論。但對遺傳物質在生物性狀的控制、親子代的傳遞、遺傳變異中的作用等方面還有待進一步明晰，思維方式和邏輯推理能力還有待改進和提高。學生通過對本節內容中生命科學史的學習，四個層面的學科核心素養都能得到不同程度的發展，尤其是通過回顧科學家科學探究的過程能很好地培育科學思維素養。

二、教學目標及重難點

（一）教學目標

（1）通過回顧基于遺傳物質的探索科學史，進一步形成生命的物質觀。

（2）通過基于遺傳物質探索實驗的設計思路和研究方法的學習，能運用概括、不完全歸納、假說演繹等科學思維方法闡述遺傳物質的科學探究過程。

（3）通過學習遺傳物質的特點，能對流感病毒變異、疫苗研制和生產等社會熱點問題、科技前沿問題進行理性討論和分析。

（二）教學重難點

基于遺傳物質探索實驗的設計思路和研究方法的學習，說明自變量控制中的“加法原理和減法原理”。運用概括、不完全歸納、假說演繹等科學思維方法闡明遺傳物質的科學探究過程。

三、教學過程

（一）創設問題情境，引發思考

教師結合生物遺傳現象“種瓜得瓜，種豆得豆”，提出問題——遺傳物質應該具備哪些特點？

學生通過查找資料、參考生活經驗以及思考與交流，總結遺傳物質應該具備以下特點：①分子結構穩定，儲存遺傳信息；②可以自我復制，使生物體前后代保持一定的連續性；③能指導蛋白質的合成；④能產生可遺傳的變異。

設計意圖：利用俗語讓學生了解遺傳這一生物學現象自古以來就引發人們的關注，激發學生對遺傳現象背后遺傳本質的探究欲望——遺傳物質是什么？遺傳物質應該具備什么樣的特點？遺傳的規律是什么？其中，遺傳物質具備的特點恰恰是遺傳物質探索過程所運用的“必要條件”。

（二）格里菲斯“體內轉化”實驗

教師介紹格里菲斯實驗——將加熱殺死的S型菌與R型活菌注射入小鼠體內，小鼠死亡，而且從死亡小鼠體內分離出S型活菌。提出問題：你認為小鼠死亡的原因是什么？（哪種菌造成了小鼠的死亡？）欲證明你的想法，還需要補充哪些實驗？

學生提出多種假設：①加熱殺死的S型菌造成了小鼠的死亡；②R型活菌造成了小鼠的死亡；③S型活菌造成了小鼠的死亡。并提出對應的補充實驗：①給小鼠注射加熱殺死的S型菌；②給小鼠注射R型活菌；③給小鼠注射S型活菌。

教師給出三組實驗的結果：①給小鼠注射加熱殺死的S型菌，小鼠正常；②給小鼠注射R型活菌，小鼠正常；③給小鼠注射S型活菌，小鼠死亡。并追問：你現在認為小鼠死亡的原因是什么？為什么實驗中死亡小鼠體內會有S型活菌？

學生根據實驗結果作出判斷：小鼠的死亡是由S型菌造成的，進一步推測加熱殺死的S型菌雖然不能造成小鼠死亡，但可以讓R型活菌轉化為S型菌，從而造成小鼠死亡。

設計意圖：在科學探究活動中融入科學思維過程，充分假設使實驗設計更加嚴密；基于實驗結果進行推測，引入分子水平的探究。

（三）艾弗里“體外轉化”實驗

教師提問：在格里菲斯實驗中使R型菌轉化為S型菌的“轉化因子”究竟是哪種物質？該如何證明？

學生回答：將組成S型肺炎鏈球菌的各種物質提取出來，分別與R型菌混合培養，觀察究竟是哪種物質引起了轉化。

教師繼續追問，在當時科學技術條件下，很難對每一種物質進行分離提純，又該如何操作呢？如果不能分離提純每一種物質，那么能不能想辦法去掉某種物質？或者專一性地去掉某種物質？

學生聯想到必修1中學習的“酶具有專一性”。蛋白酶能專一性地分解蛋白質，DNA酶能特異性地分解DNA分子，以此類推，用某種酶將S型菌的某種物質特異性地去掉后，再與R型菌混合，看能否發生轉化，以此來確定“轉化因子”究竟是哪種物質。

設計實驗并分析實驗結果：在S型肺炎鏈球菌培養物中，蛋白酶把蛋白質、RNA酶把RNA特異性分解后，R型肺炎鏈球菌依然發生轉化，而DNA酶特異性把S型肺炎鏈球菌培養物中的DNA分解后，R型肺炎鏈球菌卻不能發生轉化。根據實驗結果得出實驗結論：使R型菌發生轉化的是S型菌的DNA分子。

設計意圖：學生遵循單因子變量原則設計實驗，結合酶具有專一性的特點，專一性地去掉某種物質（即“減法原理”）。學生在分析實驗結果得出實驗結論的過程中進一步深挖“轉化因子”的本質，深刻體會并理解遺傳物質具有保持生物親子代性狀的連續性。教師在實驗設計和探究中反復訓練以培養學生的科學思維。

（四）噬菌體侵染細菌的實驗

教師引導學生回憶病毒的結構和生活特點，認識噬菌體。隨后提出問題：噬菌體的遺傳物質也是DNA嗎？

學生根據噬菌體的結構，推測噬菌體的遺傳物質也應該是DNA。

教師引導學生分析文字資料，并提問：若想得到35S標記的噬菌體或32P標記的噬菌體，應如何操作，請簡要繪制技術路線圖。

學生根據病毒不能獨立生活，判斷不能直接在培養基上培養病毒。噬菌體需要在大腸桿菌細胞內寄生，故需要將大腸桿菌標記上35S或32P，可以在含35S或32P的培養基中培養進而得到相應被標記的大腸桿菌。

教師繼續提問，赫爾希與蔡斯采用了哪些技術來實現他的實驗設計？再結合艾弗里的實驗技術，對認識科學與技術之間的關系有什么啟示？

學生通過獨立思考，小組交流匯總：赫爾希與蔡斯采用了同位素標記法、離心等技術。回顧科學家的探究歷程，不難發現，隨著科學技術的發展，為生物學的發展和進步也起到了促進作用。

設計意圖：讓學生認識到一個正確的結論可以通過不同的途徑獲得，人類對遺傳物質的認識是不斷深化和完善的過程，科學的發展離不開相關技術的支持。

四、教學反思

利用生命科學史發展科學思維，是一個需要長期培養和發展的過程，是一個循序漸進、逐步升華的發展過程，需要廣大教師在教學中大力推廣和實踐。