選用科研素材 培養(yǎng)科學(xué)思維
——以“植物激素調(diào)節(jié)的研究方法”教學(xué)設(shè)計(jì)為例?

閆新霞 戴 亞

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080）

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力[1]。科學(xué)探究是指能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施，以及對結(jié)果的交流與討論的能力［1］?？茖W(xué)思維和科學(xué)探究是高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成，二者高度相關(guān)。

經(jīng)過新課學(xué)習(xí)，學(xué)生已形成了基本的學(xué)科思維，但在解決實(shí)際問題時，依然難以理清研究思路，原因是尚未形成良好的思維習(xí)慣。教師有必要在高三生物學(xué)復(fù)習(xí)中，為學(xué)生提供真實(shí)的研究素材，對生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的思想方法進(jìn)行總結(jié)。學(xué)生在探究過程中發(fā)展科學(xué)思維，領(lǐng)會科學(xué)研究的基本思路。

植物激素調(diào)節(jié)是植物生理學(xué)的重要研究領(lǐng)域，近年來積累了豐富的研究成果。本節(jié)內(nèi)容是單元復(fù)習(xí)結(jié)束前的一節(jié)思想方法總結(jié)課，筆者精選科研素材，與教材內(nèi)容有機(jī)整合，通過實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)植物激素調(diào)節(jié)的研究方法。所涉及的知識內(nèi)容是生長素的極性運(yùn)輸和頂端優(yōu)勢原理，所選科研素材來自筆者之一在中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所時的科研工作——對擬南芥插入突變體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、認(rèn)識bud1基因的功能。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）設(shè)計(jì)和分析“頂芽產(chǎn)生生長素抑制側(cè)芽運(yùn)輸”的實(shí)驗(yàn)，初步領(lǐng)會受控對比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)的應(yīng)用價值。

2）探討插入突變對表型影響的2 種情況，體會分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用價值。

3）設(shè)計(jì)和分析bud1突變體的系列實(shí)驗(yàn)，研究bud1功能，發(fā)展假說-演繹的科學(xué)思維。

2 科學(xué)思維框架

結(jié)合課上內(nèi)容，以板書形式逐步呈現(xiàn)本節(jié)課的科學(xué)思維框架（圖1）。

圖1 板書設(shè)計(jì)

3 教學(xué)過程

本節(jié)課的教學(xué)流程見圖2。

圖2 教學(xué)流程

3.1 實(shí)例1：菜豆實(shí)驗(yàn)分析 以學(xué)生熟悉的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)植物激素調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用。經(jīng)導(dǎo)入環(huán)節(jié)后，教師展示教材實(shí)例1——菜豆實(shí)驗(yàn)（圖3）。

圖3 菜豆實(shí)驗(yàn)分析

教師設(shè)問：頂芽的存在為什么會抑制側(cè)芽生長？根據(jù)已有知識，學(xué)生能很快答出“頂芽產(chǎn)生的生長素抑制側(cè)芽生長”。教師僅展示A、B 組實(shí)驗(yàn)，提問這2 組實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褡C明這一結(jié)論？該問題能引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)處理和結(jié)果的差異對應(yīng)分析：“A 有頂芽，側(cè)芽受抑制，B 去掉頂芽，側(cè)芽生長”，確定A、B 2 組對比僅能說明頂芽的存在抑制了側(cè)芽的生長，并不能確定是頂芽產(chǎn)生的生長素抑制了側(cè)芽生長。教師讓學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生經(jīng)思考后能答出：頂芽中含有很多物質(zhì)，并不知道是頂芽產(chǎn)生的生長素影響到了側(cè)芽生長，需要補(bǔ)充一組實(shí)驗(yàn)，在去頂切面上涂抹生長素，如果側(cè)芽生長也受抑制，則說明生長素替代頂芽抑制了側(cè)芽生長，可得出“頂芽能產(chǎn)生生長素抑制側(cè)芽生長”的結(jié)論。

復(fù)習(xí)完教材實(shí)驗(yàn)后，教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)，帶學(xué)生總結(jié)植物激素調(diào)節(jié)的研究方法（圖1）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路：1）假說-演繹：在解決問題的過程中，先提出假說（頂芽產(chǎn)生生長素抑制側(cè)芽生長），再根據(jù)假說設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并預(yù)測結(jié)果（A、B、C 3 組），如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符，則證明假說正確。2）受控對比實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時，以常態(tài)為對照組，實(shí)驗(yàn)組外加一個因素（加法實(shí)驗(yàn)），或去掉一個因素（減法實(shí)驗(yàn)），對比各組結(jié)果，可知此因素與檢測指標(biāo)之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用：切除結(jié)構(gòu)（去除頂芽）或阻斷運(yùn)輸（例如，生長素發(fā)現(xiàn)過程中的詹森波森實(shí)驗(yàn)）的操作可用作減法實(shí)驗(yàn)，施加外源激素的操作可用作加法實(shí)驗(yàn)。與常態(tài)對照組相比可知頂芽及生長素的作用。

3.2 實(shí)例2：bud1突變體實(shí)驗(yàn)研究 以挑戰(zhàn)性科研素材讓學(xué)生親歷科學(xué)探究、發(fā)展科學(xué)思維。教師以2 個問題過渡到第3 個環(huán)節(jié)：頂端優(yōu)勢的產(chǎn)生機(jī)理是什么？即如何從細(xì)胞水平和分子水平解釋頂端優(yōu)勢產(chǎn)生的原因？

3.2.1 介紹分子遺傳學(xué)的模式生物——擬南芥

教師提供擬南芥的圖片及文字介紹（圖4）[2]，讓學(xué)生閱讀并回答：為什么擬南芥被稱為植物界中的果蠅？學(xué)生能分析得出擬南芥和果蠅類似的特點(diǎn)：“易于栽培、實(shí)驗(yàn)周期短、易于觀察、易于做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析”等，也能關(guān)注到“大多數(shù)基因與其他植物具有很高的同源性”，這使得研究成果具有代表性，但不太理解“基因組測序結(jié)果”意味著什么。教師再進(jìn)一步點(diǎn)明，基因組測序工作使得人們了解了基因的數(shù)目、基因在染色體上的位置、基因的堿基對排序，但不知道基因的功能。利用T-DNA 插入基因內(nèi)部等方法獲得插入突變體、再比較突變體與野生型的差異，是研究被插入基因功能的重要方法。

圖4 擬南芥簡介

3.2.2bud1突變體實(shí)驗(yàn)研究 在充分了解擬南芥后，教師介紹本節(jié)課的擴(kuò)展素材：來自本校戴亞老師及其實(shí)驗(yàn)室在十幾年前的科研論文——對擬南芥矮小叢生突變體的研究。

對于bud1突變體的研究包括2 個方面：突變體分子鑒定和BUD1 功能分析。分子水平和細(xì)胞水平的研究微觀且抽象難懂，在呈現(xiàn)過程中，教師以圖片展示研究重點(diǎn)，配以必要的講解和啟發(fā)性的提問，讓學(xué)生理解基本的研究思路。

1）突變體分子鑒定。突變體出現(xiàn)矮小叢生的性狀，是由什么原因引起的？首先是突變體分子鑒定。本項(xiàng)研究中，使用的T-DNA 上帶有增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的序列，該T-DNA 若插入到編碼區(qū)，會引起被插入基因失活，突變體表現(xiàn)出基因功能缺失的表型；若插入到了非編碼區(qū)，則會使基因的表達(dá)量增加，突變體表現(xiàn)出基因功能增強(qiáng)的表型。即在研究被插入基因的功能時，對過表達(dá)突變體和失活突變體進(jìn)行研究得出的結(jié)論是相反的，因此，首先需要通過確定基因插入的位置鑒定突變體類型。突變體鑒定用到的分子生物學(xué)技術(shù)包括基因表達(dá)量測定和基因測序[3-4]。本項(xiàng)研究中，bud1突變體發(fā)生的是過表達(dá)突變。

如何讓學(xué)生理解突變體類型的鑒定方法？筆者以圖片引導(dǎo)學(xué)生分析，T-DNA 隨機(jī)插入到基因時，有可能是哪些位置？對表型有什么影響？學(xué)生思考、討論后認(rèn)識到，如果T-DNA 插入到編碼區(qū)，得到失活突變體，基因的功能喪失；如果插入到啟動子附近，得到過表達(dá)突變體，基因的功能增強(qiáng)（圖5）。

圖5 突變體的分子鑒定

如何確定bud1突變體是失活突變還是過表達(dá)突變？此問題涉及分子水平變化的檢測方法，有一定難度。學(xué)生的第一反應(yīng)是比較突變體和野生型的表型差異，但這無法反映二者的分子水平差異。經(jīng)思考，學(xué)生能分析得出，通過檢測突變體細(xì)胞中bud1基因mRNA 的量可了解基因表達(dá)情況，如此，技術(shù)手段與要解決的問題相匹配了。教師再呈現(xiàn)實(shí)際的RNA 量檢測結(jié)果[3]，突變體的RNA 量顯著高于野生型，說明突變體發(fā)生了過表達(dá)突變。測序結(jié)果也支持這一認(rèn)識。在該環(huán)節(jié)的教學(xué)組織中，重在技術(shù)如何解決問題，弱化技術(shù)操作細(xì)節(jié)。讓學(xué)生體會到技術(shù)為解決問題服務(wù)。

2）bud1基因功能研究。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，bud1過表達(dá)突變體相當(dāng)于加法實(shí)驗(yàn)，通過對比野生型和bud1突變體的差異，可認(rèn)識到bud1基因表達(dá)產(chǎn)物的功能。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果，層層遞進(jìn)地分析每一個實(shí)驗(yàn)。

首先是形態(tài)差異分析。以圖片呈現(xiàn)過表達(dá)突變體的表型：矮小、分枝多，頂端優(yōu)勢明顯喪失[3-4]，說明BUD1 能抑制頂端優(yōu)勢的出現(xiàn)，這是結(jié)論1，學(xué)生可較輕松地得出此結(jié)論（圖6）。

圖6 比較突變體與野生型的表型差異

該抑制作用是如何實(shí)現(xiàn)的？教師啟發(fā)學(xué)生思考。學(xué)生已知頂端優(yōu)勢由生長素的極性運(yùn)輸引起，能提出“BUD1 抑制了生長素的極性運(yùn)輸”這一假設(shè)。教師展示擬南芥下胚軸的圖，讓學(xué)生考慮用什么方法可檢測生長素的極性運(yùn)輸。經(jīng)討論，學(xué)生能提出“測定突變體和野生型的下胚軸下部生長素量差異”的思路，有的學(xué)生還能想到使用同位素標(biāo)記法。此時，教師再展示科研人員的方案：在下胚軸頂端施加放射性的IAA，4 h 后檢測基部的放射性[5]。數(shù)據(jù)顯示，突變體的相對運(yùn)輸速率顯著低于野生型[5]，說明BUD1 能抑制生長素的極性運(yùn)輸，實(shí)驗(yàn)證據(jù)為假設(shè)提供了支持，順利得出結(jié)論2（圖7）。

圖7 測定突變體的極性運(yùn)輸能力

教師再次設(shè)問：BUD1 怎樣抑制生長素的極性運(yùn)輸？這需要補(bǔ)充相關(guān)知識[6]，教師以圖片（圖8）展示IAA 極性運(yùn)輸機(jī)理：IAA 輸入載體和輸出載體PIN 在細(xì)胞膜兩端的分布，PIN 的合成、囊泡運(yùn)輸和嵌入膜上的過程。提問：你可提出哪些假設(shè)？

圖8 生長素的極性運(yùn)輸需要載體

學(xué)生思考后回答，可能是生長素輸出載體的合成受阻、運(yùn)輸受阻或囊泡嵌入細(xì)胞膜受阻。也有學(xué)生補(bǔ)充到，可能是輸入載體的數(shù)量減少。教師充分肯定學(xué)生的想法，讓學(xué)生認(rèn)識到，只要合乎邏輯，對于待解決問題可提出多個合理假設(shè)，大膽假設(shè)后才可能設(shè)計(jì)有針對性的實(shí)驗(yàn)，無論證實(shí)還是證偽，有了讓人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，才能形成新的認(rèn)識。

之后，教師通過圖片展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究人員用熒光染料對細(xì)胞內(nèi)的輸出載體PIN 進(jìn)行染色，用熒光顯微鏡等時間間隔觀察囊泡在細(xì)胞內(nèi)的位置[5]。為了很好地呈現(xiàn)結(jié)果，教師在圖片上圈出了目標(biāo)囊泡、以線條標(biāo)出囊泡起始位置，鮮明地呈現(xiàn)野生型和突變體的結(jié)果對比（圖9）。如此，學(xué)生能較輕松地得出結(jié)論3：BUD1 能降低細(xì)胞內(nèi)PIN 囊泡運(yùn)輸?shù)乃俣取?/p>

圖9 測定突變體的囊泡運(yùn)輸速度

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生用規(guī)范的語言對bud1的功能進(jìn)行科學(xué)表述。BUD1 通過降低細(xì)胞內(nèi)PIN載體囊泡的運(yùn)輸速率抑制生長素的極性運(yùn)輸、進(jìn)而抑制頂端優(yōu)勢的出現(xiàn)。

這樣，通過由宏觀到微觀、由表及里的深入分析，揭示了bud1和頂端優(yōu)勢的關(guān)系，教師再板書總結(jié)（圖1），轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用使得人們能對生命現(xiàn)象進(jìn)行分子水平的揭秘，但從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，其自變量控制的加、減法思路是不變的，即：T-DNA 插入突變通過基因的過表達(dá)創(chuàng)設(shè)加法實(shí)驗(yàn)，通過插入失活創(chuàng)設(shè)減法實(shí)驗(yàn)，比較實(shí)驗(yàn)組和常態(tài)對照組的差異可明確這一基因的功能。同位素示蹤技術(shù)和熒光技術(shù)呈現(xiàn)了物質(zhì)運(yùn)輸?shù)倪^程，這些技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了同樣的效果，即將不可見的過程轉(zhuǎn)化為可觀察檢測的現(xiàn)象。

最后的總結(jié)讓學(xué)生對植物激素調(diào)節(jié)的研究方法有全面認(rèn)識，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，找出解決問題的思路，技術(shù)的應(yīng)用讓想法轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆?，為大膽假設(shè)提供各種實(shí)證，科學(xué)在思考和實(shí)踐中不斷創(chuàng)新。

4 總結(jié)與反思

1）以教材實(shí)驗(yàn)和科研文獻(xiàn)為素材，向?qū)W生提出與頂端優(yōu)勢相關(guān)的真實(shí)生物學(xué)問題，用解決問題的研究過程串起整節(jié)課的主線。引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，體現(xiàn)“教學(xué)過程重實(shí)踐”的課程理念，落實(shí)“科學(xué)探究”的核心素養(yǎng)。

2）以邏輯清晰的板書對植物激素調(diào)節(jié)的研究方法進(jìn)行總結(jié)凝練，讓學(xué)生領(lǐng)會假說-演繹、受控對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，并認(rèn)識到傳統(tǒng)和現(xiàn)代生物技術(shù)都是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的統(tǒng)領(lǐng)下得到應(yīng)用，將看不見的過程轉(zhuǎn)化為可觀察檢測的現(xiàn)象，為解決問題提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。高度的概括讓學(xué)生獲得思維水平的提升，落實(shí)“科學(xué)思維”的核心素養(yǎng)。

3）以層層遞進(jìn)、精心設(shè)計(jì)的問題串調(diào)動學(xué)生思維，為學(xué)生提供充足的思考時間和展示機(jī)會，在分析解決問題的過程中，發(fā)展科學(xué)思維。

4）科研素材選自本校教師的科研實(shí)踐，拉近了學(xué)生與科學(xué)研究的距離，培養(yǎng)學(xué)生對科研的興趣。