基于生物学科学史进行论证式概念教学——以“DNA是主要的遗传物质”为例.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验教学案例基于生物学科学史进行论证式概念教学以“DNA是主要的遗传物质”为例李颖（江苏师范大学生命科学学院，江苏徐州 221116）摘要：以“DNA是主要的遗传物质”一节为例，教师依据论证模式的简化模型设计课堂教学，学生基于科学史情境，亲历完整的科学探究过程，建构生物学的经典核心概念，激发学生崇尚科学的激情，培养学生的生物学核心素养，使学生深刻体会生物学的科学本质。关键词：科学史；论证式概念教学；学科核心素养；科学本质DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.014生物学科学史具有严谨的思维逻辑性和具体的情境性，对于促进学生发展核心素养，认识和把握科学本质具有重要作用。论证式教学可以将科学论证过程引入课堂教学，引导学生像科学家当年提出重大科学发现一样，基于科学资料提出主张，根据资料进行实验设计和探究，并通过论证不断修改完善主张，提高学生的推理能力和科学思维。本文探索将论证式教学模式引入“DNA是主要的遗传物质”知识点讲解，对证明DNA是主要遗传物质的相关科学研究史料进行整理和精细化处理，以不同形式逐步呈现给学生，引导学生进行实验设计，逐步呈现科学家的实验结果，最后对结果进行探究，进而得出结论。通过引导学生跟随科学家的推理思路进行论证式概念学习，激发学生对生物学等自然科学的兴趣爱好和科学发现的成就感，同时发展学生的批判性思维和科学推理能力，领悟科学本质。1教材分析和学情分析“DNA 是主要的遗传物质”从对遗传物质的早期推测引入，以格里菲思、艾弗里、赫尔希和蔡斯等几位科学家的实验探究为主线，通过论证式的思维过程，逐步建构“DNA是主要的遗传物质”这一重要概念。教材内容设计较为简单，对于早期遗传物质的猜测、“转化因子”的实质、实验设计的科学理论和科学技术背景以及实验结果的分析不够全面深入。学生基于前面的学习，掌握了基因、染色体、DNA和蛋白质的关系，对自变量控制原理、放射性同位素标记等生物学原理和技术也不陌生，这些均为本节课的学习打下了基础。同时，学生已经初步具备了归纳与概括、演绎与推理等能力，对于实验探究的激情较高，但是对实验过程的设计和对实验结果的分析还不够严谨，需要教师在课堂中进行科学史教育，渗透科学素养。2教学过程2.1理论推理教师通过多媒体视频带领学生回顾遗传学发展历程，至20世纪初期，遗传学已经初步进入了细胞遗传学阶段。通过前面的知识学习，我们知道基因位于染色体上，并且它可以控制生物性状，大家还记得染色体由什么物质组成吗？联系科学研究及生活实际，遗传物质应该具备哪些特性呢？教师引导学生得出遗传物质应该具有稳定性、多样性、连续性等特征。DNA和蛋白质这两种大分子物质，究竟谁是遗传物质？根据结构与功能相适应的生物学原理，搜集、整理、分析DNA和蛋白质的结构、化学组成及其他相关资料。资料1：蛋白质分子的结构及特点。资料2：DNA分子的结构及特点。资料3：1910年前后，科学家列文首次系统地提出一个“四核苷酸假说”的理论，该假说认为DNA是简单重复的分子。提出主张1：蛋白质是遗传物质。422023 年第7期实验教学案例2.2实验探究教师通过资料展示当时科学史的研究背景，引导学生分析、设计实验，并通过多媒体向学生直观展示科学家的实验操作及实验结果。学生通过亲历科学家的研究历程，对比分析研究思路及实验操作，有利于提高科学思维和科学探究能力。实验1：格里菲思肺炎链球菌体内转化实验。资料1：根据肺炎链球菌外荚膜多糖种类的不同，肺炎链球菌可进一步分为型、型和型，每一种类型中又分S型菌和R型菌1。S型菌表面有荚膜，表面较光滑，致死；而R型菌则无荚膜，表面粗糙，不致死。资料2：连续培养S型菌多代后，子代中会出现少量S型菌突变为R型菌的现象。教师组织学生分析科学史资料并自主设计实验，多媒体展示格里菲思的实验操作及结果（表1）。表格里菲思肺炎链球菌体内转化实验组别第一组第二组第三组第四组操作注射活的型R菌注射活的型S菌注射加热杀死的型S菌活的型R菌与死的型S菌混合后注射结果小鼠不死亡小鼠死亡，体内分离出活的型S菌小鼠不死亡小鼠死亡，从体内分离出活的型S菌活的型S菌为什么会导致小鼠死亡？最后一组小鼠体内为什么可以分离出活的型S菌？分离出的活的型S菌是怎样产生的呢？型S菌中含有一种物质，这种物质可以将活的型R菌转化为活的型S菌，即转化因子。教师补充说明转化的实质，并且强调自然状态下转化的效率很低2。实验2：艾弗里肺炎链球菌体外转化实验。提出问题：转化因子是什么物质？资料1：艾弗里基于格里菲思的实验，创造性地提出了体外转化的想法。资料 2：构成细胞的主要物质有蛋白质、DNA、酯类、荚膜多糖等物质。当时没有精准的提纯分离技术，但是可以利用酶的专一性特异地去除某种物质。资料3：实验设计的“加法原理”或“减法原理”。资料4：酚-氯仿抽提可尽可能去除细胞中的蛋白质，但技术不够成熟。DNA不溶于乙醇。教师引导学生利用酶解法设计实验，并通过多媒体直观展示艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验，师生共同探讨实验过程及实验结果（表2）。表艾弗里肺炎链球菌体外转化实验组别第一组（对照组）第二组第三组第四组第五组操作R型菌+S型菌提取物R型菌+S型菌提取物+蛋白酶R型菌+S型菌提取物+RNA酶R型菌+S型菌提取物+酯酶R型菌+S型菌提取物+DNA酶结果R型菌+S型菌R型菌+S型菌R型菌+S型菌R型菌+S型菌R型菌教师补充艾弗里团队不仅设计了肺炎链球菌体外转化实验，还从元素分析、物化分析、血清学分析、生物活性的定量测定等不同方面对转化因子进行了分析。得出结论：DNA是转化因子，DNA可以使R型菌产生变化，并且这种变化是稳定可遗传的。提出主张2：DNA是遗传物质。肺炎链球菌体外转化实验相比于体内实验有哪些进步之处？艾弗里的实验能否直接说明DNA是遗传物质呢？当时实验技术条件下制备的细胞提取物不纯，有没有可能是混在其中的少量蛋白质起了转化作用呢？第五组加入的DNA酶既有DNA酶的活性，也有蛋白水解酶的活性，这对实验结果有什么影响吗？DNA会不会仅对荚膜的形成有直接效应，而非遗传物质呢？DNA由四种核苷酸组成的简单结构能够承担生命活动的多样性吗？请同学们课后搜集相关的科学史资料，进行探究。面对质疑，我们可以在原有实验的基础上继续精进，也可创新思维，换一种实验材料或者实验操作技术来探究证明。实验3：赫尔希和蔡斯噬菌体侵染细菌实验。提出问题：噬菌体的遗传物质是什么？资料1：T2噬菌体专门寄生于大肠杆菌，由DNA和蛋白质组成，两种物质元素组成不同，S存在于蛋白质中，P则存在于DNA中。资料 2：20 世纪 30 年代前后，由于电镜技术的发展，科学家拍摄到了噬菌体侵染大肠杆菌的电镜图，可以辨别亲代噬菌体以及子代噬菌体。资料3：德尔布吕克与同事爱丽丝将噬菌体的生长分为潜伏期、生长期、释放期三个阶段，从亲代噬菌体到子代噬菌体的一个循环过程约为20 min。资料4：1951年，科学家发现利用渗透压骤变的处 43SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验教学案例理方式，可以使噬菌体的外壳和内部的物质分开。资料5：放射性同位素示踪技术。教师带领学生分析以上资料，明确实验材料及科学技术的选择依据，设计实验，然后多媒体播放赫尔希和蔡斯的实验过程简化视频。在实验结果中，S 元素及 P 元素的放射性追踪位置的结果能说明什么？搅拌力度和保温时间对实验结果有哪些影响？该实验在菌体外均能检测到被放射性标记的S和P，只是两者放射性有差异，这是否说明实验结果与实验假设不符？如何解释实验结果？得出结论：DNA是噬菌体的遗传物质。实验4：烟草花叶病毒实验。提出问题：所有生物都是通过DNA遗传的吗？资料1：烟草花叶病毒（TMV）可感染烟草，使其叶片表面出现花斑，TMV是由RNA和蛋白质组成的单链RNA分子，有不同的株系，比如S株系、HR株系等3。资料 2：1955年，美国的生化学家海因茨康拉特将TMV的RNA和蛋白质分离出来，之后又重新组合成重组TMV，经鉴定，重组的TMV具有活性。学生通过分析资料，自主设计TMV病毒重组实验。教师出示康拉特的实验，引导分析实验结果。得出结论：在RNA病毒中，RNA是遗传物质。提出主张3：DNA是主要的遗传物质。2.3模拟科学家展示学生以小组为单位，分别选择某一部分的科学史内容进行详细探究，设计实验方案，包括已有资料、实验目的、自变量、因变量、实验步骤以及对实验结果的分析等。学生可以将研究成果以实验报告或者手抄报的形式进行展示，教师也可以组织学生在课上以小组为单位，按照科学发展的顺序进行论证式发言，阐明小组的研究成果，其他组可以依据相关证据表示支持或者辩驳。通过这样的方式，学生所学内容基于课本，又超越课本，重走科学探究之路，有利于论证思维和核心素养的培养。2.4建构论证式模式图学生通过以上学习，体会四组实验的设计思路以及应用的科学技术，并学着用科学论证的模式将科学发展的过程总结出来（图1）。理论资料：DNA和蛋白质的成分、结构与特性实验证据：赫尔希和蔡斯噬菌体侵染大肠杆菌实验理论证据：1.查哥夫发现 DNA 不是简单重复的分子2.米尔斯基发现同种生物不同细胞中的DNA含量相同，体细胞DNA含量是精子含量的2倍实验证据：1.格里菲思肺炎链球菌体内转化实验2.艾弗里肺炎链球菌体外转化实验理论证据：遗传物质应该具有连续性、多样性、稳定性等特征，DNA“四核首酸假说”结构简单支持质疑辩驳支持解释提出主张3：DNA是主要的遗传物质提出主张2：DNA是遗传物质提出主张1：蛋白质是遗传物质实验证据：烟草花叶病毒感染和重建实验辩驳补充图1DNA是主要的遗传物质的论证过程3结语本案例的设计以科学发展史为主线，采取论证式概念教学的方法，整体框架是基于理论证据，提出主张，接着进行探究寻求实验证据来支持或辩驳主张，从而提出更合理的主张。学生通过分析教师提供的资料，提出问题并且自主设计实验，教师合理利用多媒体直观教学，展示科学家的研究过程及结果，使得实验探究严谨化、抽象知识具体化。本节课还设计了模拟科学家的环节，学生以小组为单位搜集资料，完成实验，整理并进行汇报，有助于提高学生的语言表达能力。总之，本节课基于科学史进行论证式教学，有利于学生理解生物学核心概念，提高核心素养。参考文献1 龙槿彦，李从虎.基于论证式教学策略的高中生物教学设计：以“DNA是主要的遗传物质”为例 J.科教导刊，2021，（13）：153-155.2 闫立，武辉.对“肺炎双球菌转化实验”的几个疑难问题的解答 J.生物学教学，2016，41（11）：67-68.3 王颖.“DNA是主要的遗传物质”一节的编写思路及教学建议 J.中学生物教学，2019（10）：7-10.44