科學(xué)論證進(jìn)課堂 助力批判性思維培養(yǎng)
——以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的一輪復(fù)習(xí)為例

鄭曉璇

(廣東省揭陽(yáng)市惠來(lái)慈云實(shí)驗(yàn)中學(xué))

批判性思維是一種高階的科學(xué)思維,是當(dāng)代青年應(yīng)該具備的基本素養(yǎng),也是我國(guó)教育改革的核心。《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》提出:學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維,如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法去探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律,審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。科學(xué)論證是根據(jù)某一論題運(yùn)用科學(xué)方法收集證據(jù),在證據(jù)與主張間建立聯(lián)系并說(shuō)服他人接受該主張的過(guò)程。將科學(xué)論證引入生物課堂,能夠使學(xué)生經(jīng)歷類(lèi)似科學(xué)家的思考問(wèn)題的過(guò)程,通過(guò)提出主張、尋找證據(jù)、質(zhì)疑、辯駁等論證過(guò)程最終得出科學(xué)概念,有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié),教材以遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史呈現(xiàn),包括“對(duì)遺傳物質(zhì)的早期推測(cè)” “肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)” “噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”。從“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”到“DNA是遺傳物質(zhì)”,再到“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”,經(jīng)歷了提出主張、尋找證據(jù)、質(zhì)疑、修正的過(guò)程,是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的好素材。新授課時(shí)學(xué)生知識(shí)的系統(tǒng)性較差,課堂關(guān)注點(diǎn)多數(shù)放在實(shí)驗(yàn)的分析和理解上,忽略了其整體的邏輯關(guān)系,在復(fù)習(xí)課上運(yùn)用系統(tǒng)的論證模型能夠使學(xué)生深入挖掘科學(xué)的本質(zhì),發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。本節(jié)課的論證模型如圖1。

圖1 “DNA是主要的遺傳物質(zhì)”論證模型

1.設(shè)置情境,提出問(wèn)題

呈現(xiàn)遺傳物質(zhì)的探究歷程(圖2),提出問(wèn)題:遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)?作為遺傳物質(zhì)需要具備什么特點(diǎn)?

圖2 遺傳物質(zhì)的探究歷程

引導(dǎo)學(xué)生回顧并填寫(xiě)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的證據(jù)鏈(圖3)。

圖3 “DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的證據(jù)鏈

設(shè)計(jì)意圖：依托科學(xué)史,學(xué)生可以回顧遺傳物質(zhì)的探究歷程,體會(huì)科學(xué)發(fā)展是科學(xué)家前仆后繼的探索、質(zhì)疑、修正的過(guò)程。問(wèn)題設(shè)置具有層次性,第二個(gè)問(wèn)題能夠讓學(xué)生深入思考遺傳的本質(zhì),訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維,通過(guò)填寫(xiě)證據(jù)鏈可以讓學(xué)生系統(tǒng)性回顧遺傳物質(zhì)的發(fā)展歷程。

2.質(zhì)疑“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”的主張

資料1:20世紀(jì)20年代,人們提出“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”的主張,其依據(jù)是蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的生物大分子,氨基酸多種多樣的排列順序中蘊(yùn)含著遺傳信息。

問(wèn)題:你同意這種說(shuō)法嗎?說(shuō)說(shuō)你的理由。

呈現(xiàn)DNA分子中4種脫氧核苷酸結(jié)構(gòu)。

教師講解:20世紀(jì)30年代,人們認(rèn)識(shí)到DNA是由許多脫氧核苷酸聚合形成的大分子,也開(kāi)始對(duì)蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀(guān)點(diǎn)提出質(zhì)疑,由于對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的了解不是很清晰,蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀(guān)點(diǎn)仍占主導(dǎo)地位。有很多科學(xué)家持質(zhì)疑的態(tài)度并不斷尋找證據(jù),如格里菲思、艾弗里、赫爾希和蔡斯等。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)資料和問(wèn)題讓學(xué)生主動(dòng)思考分析問(wèn)題,參與遺傳物質(zhì)的探索歷程,同時(shí)使學(xué)生感受到科學(xué)探究是需要大膽猜測(cè)和質(zhì)疑的。

3.提出“DNA是遺傳物質(zhì)”的主張

教師展示格里菲思肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),學(xué)生自主討論、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

問(wèn)題:實(shí)驗(yàn)的自變量是什么?不同對(duì)照組分別能得出什么結(jié)論?為什么S型菌會(huì)使小鼠死亡,而R型菌不會(huì)呢?

資料2:莢膜是某些細(xì)菌的細(xì)胞壁外面包圍的一層膠狀物質(zhì)。無(wú)莢膜的肺炎鏈球菌,感染人體或動(dòng)物體后,容易被吞噬細(xì)胞吞噬并殺滅。有莢膜的肺炎鏈球菌可抵抗吞噬細(xì)胞的吞噬,有利于細(xì)菌在宿主體內(nèi)生活并繁殖。

問(wèn)題:第四組中活的S型菌是怎么出現(xiàn)的?針對(duì)這一現(xiàn)象你能提出什么假說(shuō)?

學(xué)生討論后總結(jié)出三種假說(shuō):

假說(shuō)一:S型菌復(fù)活。

假說(shuō)二:R型菌突變?yōu)镾型菌。

假說(shuō)三:加熱殺死的S型菌有某種物質(zhì)進(jìn)入了R型菌導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化。

資料3:在80～100℃的溫度范圍內(nèi),蛋白質(zhì)失活,DNA雙鏈解開(kāi);當(dāng)溫度恢復(fù)至室溫后,DNA雙鏈能夠重新恢復(fù),但蛋白質(zhì)的活性無(wú)法恢復(fù)。

資料4:格里菲思做該實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)對(duì)肺炎鏈球菌有充分了解,他發(fā)現(xiàn)S菌有Ⅰ-S、Ⅱ-S、Ⅲ-S,R菌有Ⅰ-R、Ⅱ-R、Ⅲ-R,且自然狀態(tài)下會(huì)有S型菌突變?yōu)橥蚏型菌,如Ⅰ-S可突變?yōu)棰?R,但不會(huì)突變?yōu)棰?R。該轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中用到的材料是 Ⅱ-R菌與Ⅲ-S菌,第四組實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)提取出來(lái)的活S菌為Ⅲ-S型,且其后代也是Ⅲ-S型。

學(xué)生分析資料可推翻假說(shuō)一和假說(shuō)二,總結(jié)出加熱殺死的S型菌中含有某種轉(zhuǎn)化因子能夠使活的R型菌轉(zhuǎn)化為活的S型菌,并且這種轉(zhuǎn)化是能夠遺傳的。

問(wèn)題:能夠使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌的轉(zhuǎn)化因子到底是什么?

學(xué)生提出主張:轉(zhuǎn)化因子是DNA。

設(shè)計(jì)意圖：呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生深入思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并提出假說(shuō),再補(bǔ)充呈現(xiàn)證據(jù)得出結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),學(xué)生通過(guò)實(shí)踐掌握演繹推理、歸納概括等科學(xué)方法,體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程。

4.尋找證據(jù),支持主張

4.1 證據(jù)1:艾弗里的肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明主張,以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行互評(píng)優(yōu)化方案。

學(xué)生會(huì)提出把加熱殺死的S型菌各種物質(zhì)分離、提純?nèi)缓髥为?dú)觀(guān)察它們的作用,有的小組只是設(shè)計(jì)了S型菌各成分分別與R型菌混合,教師可以提示提純無(wú)法達(dá)到百分之百,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生以單一變量原則用酶解法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

資料5:艾弗里及其同事將加熱殺死的S型菌破碎后,設(shè)法除去大部分蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和脂質(zhì),制成細(xì)胞提取物。將細(xì)胞提取物加入含有R型活菌的培養(yǎng)基中,結(jié)果培養(yǎng)基中出現(xiàn)了S型活菌,然后在細(xì)胞提取物中分別加入蛋白酶、RNA酶、酯酶、DNA酶處理后再進(jìn)行轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)加入DNA酶組的細(xì)胞提取物失去了轉(zhuǎn)化活性。

教師讓學(xué)生根據(jù)資料用表格或者圖解呈現(xiàn)出以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并分析實(shí)驗(yàn),可用問(wèn)題引導(dǎo),如該實(shí)驗(yàn)設(shè)置遵循哪些原則?是如何控制自變量的?該實(shí)驗(yàn)實(shí)施最大的困難是什么?從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以得出什么結(jié)論?

學(xué)生通過(guò)分析該實(shí)驗(yàn)并與自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,能夠看出控制變量的方法有所不同,理解了科學(xué)方法中的加法原理和減法原理,并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:DNA才是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。根據(jù)對(duì)提純技術(shù)的了解,能說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)最大的困難就是徹底去除細(xì)胞中的某一成分。

問(wèn)題:艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了轉(zhuǎn)化因子是DNA的主張,那么S型菌的DNA是如何使R型菌轉(zhuǎn)化的呢?是S型菌全部的DNA還是部分DNA起轉(zhuǎn)化作用?該轉(zhuǎn)化過(guò)程的本質(zhì)是什么?

資料6:科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)許多細(xì)菌有自然轉(zhuǎn)化能力。自然轉(zhuǎn)化指受體細(xì)胞首先處于感受態(tài)(能從周?chē)h(huán)境中吸取DNA的一種生理狀態(tài)),然后吸收周?chē)h(huán)境中的某種外源DNA,最后表達(dá)出外源DNA的某種遺傳特性。

資料7:R型細(xì)菌在生長(zhǎng)到一定階段時(shí),就會(huì)分泌一種感受態(tài)因子(小分子的蛋白質(zhì)),這種因子會(huì)引發(fā)一系列變化最終使R型菌具有與DNA結(jié)合的活性。

資料8:加熱滅活的S型細(xì)菌遺留下完整的DNA的各個(gè)片段,其中包括控制莢膜形成的基因。

學(xué)生分析資料理解轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是基因重組,并能夠理解其轉(zhuǎn)化并不是百分之百,只有少數(shù)R型菌被轉(zhuǎn)化為S型菌。

4.2 證據(jù)2:噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)

教師講解:盡管艾弗里的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明DNA是遺傳物質(zhì),蛋白質(zhì)等不是遺傳物質(zhì),但是由于人們深受蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的影響,并沒(méi)有接受艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,那么如何去尋找更有效更直接的證據(jù)來(lái)證明呢?

學(xué)生從實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法的角度考慮,理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的就是材料和方法的選擇。并在艾弗里的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行討論,發(fā)現(xiàn)人們質(zhì)疑的原因主要是細(xì)菌成分相對(duì)較多,提純技術(shù)無(wú)法將其完全分離。故而想到更簡(jiǎn)單的材料——病毒,并轉(zhuǎn)而尋找不用提純技術(shù)就能區(qū)分的方法。

教師展示噬菌體的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)成分,播放噬菌體侵染大腸桿菌的視頻。

問(wèn)題:根據(jù)視頻簡(jiǎn)要總結(jié)噬菌體侵染大腸桿菌的步驟。從噬菌體成分的角度分析,如何區(qū)分噬菌體注入大腸桿菌的物質(zhì)是什么?你能提出哪些假說(shuō)?請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明。

學(xué)生能提出假說(shuō)一,噬菌體只有DNA進(jìn)入大腸桿菌;假說(shuō)二,只有蛋白質(zhì)進(jìn)入大腸桿菌;假說(shuō)三,DNA和蛋白質(zhì)都進(jìn)入大腸桿菌,并提出用放射性同位素標(biāo)記法分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì),然后讓其分別侵染大腸桿菌,通過(guò)攪拌離心后觀(guān)察其放射性的位置去證明假說(shuō)。

假說(shuō)一對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:沉淀物有放射性而上清液沒(méi)有。

假說(shuō)二對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:上清液有放射性而沉淀物沒(méi)有。

假說(shuō)三對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:沉淀物和上清液都有放射性。

問(wèn)題:選用哪種元素標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)?能否用培養(yǎng)基直接培養(yǎng)并標(biāo)記噬菌體?

學(xué)生根據(jù)DNA和蛋白質(zhì)元素的區(qū)別能夠說(shuō)出分別標(biāo)記P和S,根據(jù)病毒的生活方式提出先用含35S/32P的培養(yǎng)基分別培養(yǎng)大腸桿菌,使大腸桿菌帶上標(biāo)記后再讓噬菌體去侵染,從而使噬菌體帶上標(biāo)記。

教師呈現(xiàn)噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)圖解。

問(wèn)題:保溫、攪拌和離心的目的分別是什么?保溫時(shí)間的長(zhǎng)短和攪拌程度是否會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果?從實(shí)驗(yàn)結(jié)果你能得出什么結(jié)論?是否與你提出的假說(shuō)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符?

學(xué)生充分理解保溫?cái)嚢韬碗x心的目的,從實(shí)驗(yàn)操作目的的角度去考慮其影響,對(duì)比假說(shuō)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠說(shuō)明假說(shuō)一是正確的,即只有DNA進(jìn)入大腸桿菌。但是假說(shuō)一對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全一致,進(jìn)而思考實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的原因。

資料9:赫爾希和蔡斯證明了噬菌體注入宿主細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)是DNA,所釋放子代噬菌體的蛋白質(zhì)外殼的形狀、大小和留在宿主細(xì)胞外面的外殼一模一樣。

學(xué)生總結(jié):DNA能夠控制蛋白質(zhì)的合成,子代噬菌體的性狀是通過(guò)親代DNA遺傳的。DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。

5.提出質(zhì)疑,補(bǔ)充證據(jù)

提出質(zhì)疑:所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA嗎?

資料10:有些病毒不含有DNA,如煙草花葉病毒、2019-nCoV、HIV、SARS病毒、流感病毒等。其成分只含有蛋白質(zhì)和RNA。

小組任務(wù):請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。要求:寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路并預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

資料11:1956年Fraenkel Conrat將煙草花葉病毒(TMV)的RNA和蛋白質(zhì)分開(kāi)分別去感染煙草,發(fā)現(xiàn)單用病毒的蛋白質(zhì)不能使煙草感染,而單用病毒的RNA可使煙草感染并能產(chǎn)生正常的病毒后代。

接著Fraenkel Conrat又用TMV的S株系和HR株系進(jìn)行分離和重建實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)提供S株系的RNA組后代病毒為S株系,提供HR株系RNA組后代病毒為HR株系。

學(xué)生討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并將資料轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)要的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,進(jìn)一步得出結(jié)論:煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力,利用資料讓學(xué)生轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)表格或者實(shí)驗(yàn)圖解,培養(yǎng)學(xué)生的文字圖形轉(zhuǎn)化能力以及提取信息的能力。

6.完善主張,構(gòu)建論證模型

學(xué)生理清思路,區(qū)分概念“DNA是遺傳物質(zhì)”和“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”,并構(gòu)建論證模型(圖1),教師布置小組任務(wù)。

任務(wù)一:總結(jié)探究遺傳物質(zhì)的方法。

任務(wù)二:綜合本節(jié)內(nèi)容嘗試找到證明DNA具備作為遺傳物質(zhì)的證據(jù)(圖4)。

圖4 DNA具備作為遺傳物質(zhì)的證據(jù)

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)構(gòu)建論證模型使學(xué)生形成系統(tǒng)的知識(shí)框架,并掌握論證的過(guò)程,通過(guò)布置小組任務(wù),讓學(xué)生通過(guò)合作整理掌握科學(xué)方法的應(yīng)用,加強(qiáng)自身的證據(jù)意識(shí)。

7.反思

本節(jié)課通過(guò)運(yùn)用科學(xué)論證的方法讓學(xué)生經(jīng)歷類(lèi)似科學(xué)家的思維過(guò)程,教學(xué)過(guò)程通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑、尋找證據(jù)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和證據(jù)意識(shí),引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作利用科學(xué)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、推出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力,提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和基于事實(shí)、證據(jù)的求知意識(shí)。同時(shí)基于科學(xué)論證的教學(xué)模式要注意問(wèn)題的引導(dǎo),問(wèn)題需要有層次性、有效性,并具有一定的深度,才能挖掘?qū)W生的思維。呈現(xiàn)資料要有科學(xué)性和選擇性,也要符合學(xué)生的邏輯思維,資料不是越多越好,既要對(duì)學(xué)生有引導(dǎo)作用,也要輔助提高學(xué)生提取、整合信息的能力。