利用生物學(xué)史組織探究性學(xué)習(xí)的案例及反思

王嵐

摘 要 以T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的教學(xué)為例，介紹如何利用生物科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)組織探究性學(xué)習(xí)，并結(jié)合案例對科學(xué)史教學(xué)和探究性學(xué)習(xí)進(jìn)行反思。

關(guān)鍵詞 科學(xué)史 探究性學(xué)習(xí) 案例 反思

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0029 - 03

1 教學(xué)案例：在T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中組織探究活動

本案例的科學(xué)史背景：艾弗里從肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，得出DNA是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。但由于該實(shí)驗(yàn)DNA提取不純，無法將DNA和蛋白質(zhì)完全區(qū)分開，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。

教師提出問題：為了判斷蛋白質(zhì)和DNA哪種是遺傳物質(zhì)，應(yīng)如何進(jìn)一步進(jìn)行探究？

“想辦法將蛋白質(zhì)和DNA真正區(qū)分開，分別觀察蛋白質(zhì)和DNA的作用?！睂W(xué)生很快作出了回答。

教師首先肯定學(xué)生的回答，并要求學(xué)生以寄生在大腸桿菌體內(nèi)的病毒——T2噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

教師提供背景知識：T2噬菌體的化學(xué)組分中60%是蛋白質(zhì)，40%是DNA；噬菌體侵染細(xì)菌時，將自身遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌體內(nèi)，并在自身遺傳物質(zhì)的作用下，利用細(xì)菌體內(nèi)的物質(zhì)來合成自身的組成成分，從而進(jìn)行增殖；之后細(xì)菌裂解，子代噬菌體釋放出來。

每6名學(xué)生組成1個學(xué)習(xí)小組，各小組分組討論實(shí)驗(yàn)方案。通過討論，各組分別找到突破口，紛紛發(fā)表意見。

有一學(xué)習(xí)小組提出：T2噬菌體侵染細(xì)菌后，將自身遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌體內(nèi)，那我們關(guān)鍵要搞清楚注入細(xì)菌體內(nèi)的是蛋白質(zhì)還是DNA。

還有一個小組提出：生物課上，我們探討過遺傳物質(zhì)的特征，其中有一條是遺傳物質(zhì)在親代和子代之間具有連續(xù)性。我們可以研究子代噬菌體“繼承”了親代噬菌體的什么物質(zhì)。

教師表揚(yáng)這兩組抓住了問題的關(guān)鍵，并讓他們各插上一面象征勝利的“探索旗”。

教師：這兩種思路都非常好！那么，我們兵分兩路，開始探究之旅。臨行時，我給大家一個錦囊——里面有一些神奇的工具，例如能跟蹤某種生物大分子的“跟蹤小人”等。同學(xué)們遇到技術(shù)上的難題可以求助于它。好了，開始設(shè)計實(shí)驗(yàn)吧！

各學(xué)習(xí)小組繼續(xù)設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

教師巡視指導(dǎo)，并挑選了方案比較有代表性的兩個小組進(jìn)行展示。小組展示后，各小組再繼續(xù)進(jìn)行討論。全班學(xué)生集思廣益，實(shí)驗(yàn)方案得到進(jìn)一步改善（這兩個小組以及提出了建設(shè)性意見的小組都獲得了探索旗）。

以下是學(xué)生設(shè)計出的兩種實(shí)驗(yàn)方案：

[方案A]

擬解決的問題是：當(dāng)T2噬菌體侵染細(xì)菌時，注入細(xì)菌體內(nèi)的是蛋白質(zhì)，還是DNA？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計：利用錦囊里的“跟蹤小人”，對T2噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)分別進(jìn)行跟蹤。用噬菌體感染細(xì)菌，待遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌體內(nèi)后，把細(xì)菌（內(nèi)含噬菌體的遺傳物質(zhì)）和留在細(xì)菌外面的噬菌體顆粒分離開。從“跟蹤小人”發(fā)出的信號，就可以知道DNA和蛋白質(zhì)哪個在細(xì)菌體內(nèi)哪個在細(xì)菌體外。

注入細(xì)菌體內(nèi)的就是遺傳物質(zhì)；留在細(xì)菌外的則不是遺傳物質(zhì)。

[方案B]

擬解決的問題是：子代T2噬菌體“繼承”了親代噬菌體的什么物質(zhì)？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計：利用錦囊中的“跟蹤小人”，對T2噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)分別進(jìn)行跟蹤。待細(xì)菌裂解后，觀察子代噬菌體是否含有親代的蛋白質(zhì)或DNA。

如果子代噬菌體含有親代蛋白質(zhì)，則說明蛋白質(zhì)在親代與子代之間具有連續(xù)性，那么蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)；反之則說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

同理，通過辨別子代噬菌體是否含有親代DNA，判斷DNA是不是遺傳物質(zhì)。

教師對這兩個方案給予了充分肯定，并繼續(xù)提出問題：同學(xué)們借用的“跟蹤小人”，其神奇之處在于能把DNA和蛋白質(zhì)區(qū)分開來，分別跟蹤。我們怎樣從現(xiàn)實(shí)中找到這樣的工具呢？

教師提供繼續(xù)探究的背景知識：對T2噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA的分析表明，硫元素僅存在于蛋白質(zhì)分子中，幾乎所有的磷元素都存在于DNA分子中。

各學(xué)習(xí)小組立刻展開了討論。很快，有一個學(xué)習(xí)小組表示他們獲得了重大發(fā)現(xiàn)：上學(xué)期學(xué)過的“同位素標(biāo)記法”能實(shí)現(xiàn)“跟蹤小人”的功能。分別用P和S的同位素作示蹤元素，可以實(shí)現(xiàn)對DNA和蛋白質(zhì)的分別標(biāo)記，并可利用其放射性進(jìn)行追蹤。

學(xué)生大受啟發(fā)，積極對上述兩個方案進(jìn)行調(diào)整，最先完成的兩個小組獲得了成果發(fā)布權(quán)。

以下是學(xué)生調(diào)整過的實(shí)驗(yàn)方案：

[方案A]

用32P標(biāo)記T2噬菌體的DNA，進(jìn)行侵染實(shí)驗(yàn)。待遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌體內(nèi)后，把細(xì)菌（內(nèi)含噬菌體的遺傳物質(zhì)）和留在細(xì)菌外面的噬菌體顆粒分離開來，進(jìn)行放射性同位素檢測。

如果在被感染的細(xì)菌中檢測到放射性，則說明DNA被注入細(xì)菌體內(nèi)，DNA是遺傳物質(zhì)；如果在細(xì)菌外的噬菌體顆粒中檢測到放射性，則說明DNA不是遺傳物質(zhì)。

同樣，再用35S標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)，做同樣的侵染實(shí)驗(yàn)，檢測判斷蛋白質(zhì)是不是遺傳物質(zhì)。

[方案B]

用32P標(biāo)記T2噬菌體的DNA，進(jìn)行侵染實(shí)驗(yàn)。待細(xì)菌裂解后，對子代噬菌體進(jìn)行放射性同位素檢測。

如果在子代噬菌體中檢測到被32P標(biāo)記的DNA，則說明DNA在親代與子代之間具有連續(xù)性，DNA是遺傳物質(zhì)。若檢測不到，則說明DNA不是遺傳物質(zhì)。

同樣，再用35S標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)，做同樣的侵染實(shí)驗(yàn)，檢測判斷蛋白質(zhì)是不是遺傳物質(zhì)。

“非常好！”教師對學(xué)生能很好地整合以前學(xué)過的知識感到很滿意（這兩個小組獲得探究旗）。教師繼續(xù)提問：“這兩個方案都提到用磷的同位素和硫的同位素來分別標(biāo)記噬菌體，如何實(shí)現(xiàn)這種標(biāo)記呢？”

各小組又開始了熱烈討論。不久，有小組找到了合理可行的方法——先制備含有32P的培養(yǎng)基，在其中培養(yǎng)細(xì)菌。用普通噬菌體侵染此細(xì)菌，獲得的子代噬菌體即實(shí)現(xiàn)了被磷的同位素標(biāo)記。同理可獲得被硫的同位素標(biāo)記的噬菌體。

教師贊賞地示意該組插探究旗，并適時引導(dǎo)學(xué)生深刻認(rèn)識技術(shù)與科學(xué)相互促進(jìn)的辯證關(guān)系。

教師繼續(xù)組織討論，要求學(xué)生對兩種設(shè)計方案進(jìn)行比較，找出它們的區(qū)別和聯(lián)系。

這個任務(wù)比較簡單，各小組都踴躍回答。經(jīng)過前面的幾輪發(fā)言，小組間已拉開差距。此時教師特地請了一個在此次探究過程中表現(xiàn)相對較弱的組來回答。雖然該小組的答案不夠完整，但仍然得到了探究旗。

經(jīng)過其他小組的補(bǔ)充，學(xué)生形成了較為全面的觀點(diǎn)：兩個實(shí)驗(yàn)方案的基本思路相同，都是將DNA與蛋白質(zhì)分開來觀察；實(shí)驗(yàn)技術(shù)、方法也一脈相承。不同點(diǎn)在于探究的切入點(diǎn)不同，方案A在細(xì)菌裂解前進(jìn)行放射性同位素檢測，分辨被作為遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌體內(nèi)的是蛋白質(zhì)還是DNA；而方案B則抓住了遺傳物質(zhì)在親代和子代之間具有連續(xù)性的特征，在細(xì)菌裂解后對子代噬菌體進(jìn)行同位素檢測。

教師十分滿意學(xué)生能夠進(jìn)行細(xì)致準(zhǔn)確的分析比較，并且告訴學(xué)生，他們的設(shè)計與科學(xué)家不謀而合。學(xué)生的興趣被調(diào)動起來，他們非常想了解科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。他們興致勃勃地聽教師介紹1952年赫爾希和蔡斯完成的噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過程。

“太好了！”學(xué)生為自己能與科學(xué)家想到一起感到非常自豪?！皩?shí)驗(yàn)結(jié)果呢？”學(xué)生急切地想驗(yàn)證自己的假設(shè)。

教師介紹了實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1） 用32P標(biāo)記的一組侵染實(shí)驗(yàn)主要在被感染的細(xì)菌中檢測到放射性同位素；用35S標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)，則主要是留在細(xì)菌外的噬菌體顆粒中能檢測到放射性同位素。

（2） 細(xì)菌裂解后，在釋放出的大量噬菌體中，可以檢測到32P標(biāo)記的DNA而不能檢出35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)。

學(xué)生若有所思，仔細(xì)地思考本組設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案。

稍后，教師提出問題：實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？

“DNA是遺傳物質(zhì)！”學(xué)生異口同聲地回答。

教師要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)論，完成表1。

接著，教師組織學(xué)生對這個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒Φ脑蜻M(jìn)行小結(jié)。

學(xué)生由衷贊嘆科學(xué)家選取噬菌體作為實(shí)驗(yàn)材料的高明之處，實(shí)驗(yàn)設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)巧妙，離心分離和同位素標(biāo)記等技術(shù)為實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)大的支撐，并且認(rèn)識到科學(xué)家必然經(jīng)歷了艱辛漫長的探索過程。學(xué)生在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的探究實(shí)際上是簡化了的模擬活動，可以說，學(xué)生的探究是站在巨人的肩膀上完成的。

最后，各組匯報戰(zhàn)果——探索旗的數(shù)目。在學(xué)生們的掌聲和歡笑聲中，本次探究之旅圓滿結(jié)束。

2 反思

2.1 充分運(yùn)用科學(xué)史組織探究性學(xué)習(xí)

一部科學(xué)史就是一部探究史，正如美國科學(xué)史家薩頓所說：“一部科學(xué)史，在很大程度上就是一部工具史，這些工具，無論有形或無形，都是由一系列人物創(chuàng)造出來，以解決他們遇到的某些問題，每種工具和方法都是人類智慧的結(jié)晶。”科學(xué)史的內(nèi)容在很大程度上反映了科學(xué)家的探究活動與方法，是理解科學(xué)探究、掌握科學(xué)方法的良好范例。教師利用生物學(xué)史組織探究性學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生站在巨人的肩膀上，親歷探究過程、領(lǐng)悟科學(xué)方法、獲取科學(xué)知識、提高科學(xué)精神。在教學(xué)中，教師應(yīng)充分運(yùn)用科學(xué)史組織探究性學(xué)習(xí)。

2.2 處理好預(yù)設(shè)和生成的關(guān)系

有生命力的課堂是生成性的課堂。在生成性的課堂上，教師提出開放性的問題，組織學(xué)生進(jìn)行有效的討論，傾聽真實(shí)的聲音，注重發(fā)揮學(xué)生的主體性，而不是把學(xué)生直接引向“標(biāo)準(zhǔn)答案”。在本案例中，學(xué)生設(shè)計的方案多種多樣，各有特點(diǎn)。教師在巡回指導(dǎo)時，對各種方案進(jìn)行單獨(dú)點(diǎn)評，然后選取具有代表性的方案交給全體學(xué)生共同研討改進(jìn)。

2.3 合理調(diào)控探究的難度

探究活動對學(xué)生的思維能力提出了一定的要求，教師應(yīng)通過認(rèn)真分析、精心設(shè)計，使這些要求落在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。教師應(yīng)控制好問題的難度和梯度，適時啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，確保探究活動順利、有效地進(jìn)行。否則，探究容易淪為漫無目的的討論和盲目的摸索。例如，本案例中教師先提供“錦囊”，再引導(dǎo)學(xué)生尋找合適的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，意在把實(shí)驗(yàn)設(shè)計與尋找技術(shù)支撐兩個任務(wù)分開，逐一解決，從而降低探究難度?！板\囊”的設(shè)計是為特定的教學(xué)對象量身定做的，如果換成思維能力更強(qiáng)的學(xué)生，則可略去此環(huán)節(jié)，增大思維跨度，以適應(yīng)學(xué)生的內(nèi)在需求。

2.4 重視形成性評價

形成性評價強(qiáng)調(diào)對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行持續(xù)的評價──不僅評價學(xué)生對知識的掌握情況，更為重要的是，要對他們在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)、所取得的成績以及所反映出來的情感、態(tài)度、學(xué)習(xí)策略等方面的情況進(jìn)行評價。本案例中，學(xué)生鄭重其事地畫下的“探索旗”是腦力勞動的見證、良好表現(xiàn)的獎勵和競爭優(yōu)勝的標(biāo)志，是教師的肯定，更是自我的肯定。在“探索旗”的激勵下，學(xué)生興趣更濃、熱情更高、信心更強(qiáng)，從而有力地保證了探究活動的參與度，提升了教學(xué)效果。另外，“探索旗”傳遞給學(xué)生“努力就有獎勵，獎勵來自努力”的感受，促使學(xué)生把成功歸結(jié)于自己的能力和努力，逐步形成良好的歸因傾向。這有助于學(xué)生形成積極進(jìn)取的品質(zhì)，對他們的長遠(yuǎn)發(fā)展是大有裨益的。

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