生物學(xué)模擬實驗在科學(xué)思維培養(yǎng)中的應(yīng)用

王孟雨

[摘 要]生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)、研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的學(xué)科，在生物學(xué)實驗操作中由于條件限制，有時不能直接對實驗對象進行研究，此時就需要借助合適的替代物來進行模擬實驗。應(yīng)用模擬實驗可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。文章結(jié)合幾個高中生物學(xué)模擬實驗，具體分析如何應(yīng)用生物學(xué)模擬實驗來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

[關(guān)鍵詞]模擬實驗;科學(xué)思維;生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）14-0091-03

“科學(xué)思維”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中對“科學(xué)思維”的定義是：尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力 [1]。生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)、研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的學(xué)科。在生物學(xué)實驗操作中，由于條件限制，有時不能直接對實驗對象進行研究，此時就需要借助合適的替代物來進行模擬實驗。應(yīng)用模擬實驗可以幫助學(xué)生建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文結(jié)合幾個高中生物學(xué)模擬實驗，闡述如何應(yīng)用生物學(xué)模擬實驗來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，為生物學(xué)一線教師提供參考與借鑒。

一、化抽象為具體，讓學(xué)生通過直觀體驗理解和建構(gòu)知識

人教版教材選擇性必修3第3章“基因工程”的內(nèi)容比較抽象，比如構(gòu)建基因表達載體的過程中常選擇雙酶切而不是單酶切，如果學(xué)生只是通過想象，是很難理解其原因的。如果教師設(shè)計并引導(dǎo)學(xué)生進行模擬實驗，就可以化抽象為具體，讓學(xué)生通過直觀體驗理解和建構(gòu)知識。

實驗材料：A4紙，剪刀（代表限制酶），透明膠條（代表DNA連接酶）。

實驗過程：

（1）教師先選擇2種限制酶（Eco [R][Ⅰ]和SmaⅠ），并根據(jù)這兩種酶的識別序列，設(shè)計如下目的基因的部分DNA序列和質(zhì)粒序列，并打印在A4紙上做成紙帶。

單酶切的基因：

……TCCTAGAATTCTC……GGTATGAATTCCATAC……

……AGGATCTTAAGAG……CCATACTTAAGGTATG……

單酶切的質(zhì)粒：

……ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCATAC ……

……TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG……

雙酶切的基因：

……TCCCGGGACTTC……CGGTATGAATTCCATAC……

……AGGGCCCTGAAG……GCCATACTTAAGGTATG……

雙酶切的質(zhì)粒：

……ATACCCGGGTATCCATGAATTCGGCATAC……

……TATGGGCCCATAGGTACTTAAGCCGTATG……

（2）學(xué)生拿出 “單酶切的質(zhì)粒”紙帶，將“質(zhì)粒”省略號處首尾相連，完成“質(zhì)?！敝谱?用剪刀模擬限制酶（Eco [R][Ⅰ]）在“單酶切的基因”和“單酶切的質(zhì)?！碧囟ㄎ稽c分別對運載體和目的基因進行切割;將切取的目的基因取出，用透明膠條模擬DNA連接酶實現(xiàn)目的基因轉(zhuǎn)移到質(zhì)粒上。

（3）學(xué)生拿出“雙酶切的質(zhì)?！奔垘В瑢ⅰ百|(zhì)?！笔÷蕴柼幨孜蚕噙B，完成“質(zhì)粒”制作;用剪刀模擬限制酶（Eco [R][Ⅰ]和SmaⅠ）在“雙酶切的基因”和“雙酶切的質(zhì)?！碧囟ㄎ稽c分別對運載體和目的基因進行切割;將切取的目的基因取出，用透明膠條模擬DNA連接酶實現(xiàn)目的基因轉(zhuǎn)移到質(zhì)粒上。

在實驗操作過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）用同種限制酶切割目的基因與運載體的目的是什么？

（2）如果最多考慮2個DNA片段在DNA連接酶作用下相連，單酶切和雙酶切會有幾種結(jié)果？哪一種連接方式是我們需要的？（注意基因是有方向的）

（3）選擇雙酶切的優(yōu)點是什么？

“基因工程”內(nèi)容比較抽象，因此本實驗的設(shè)計主要由教師完成，學(xué)生進行具體的實踐操作。學(xué)生通過模擬實驗操作，構(gòu)建了基因表達載體的物理模型，直觀體驗了基因工程操作的核心步驟。在知識建構(gòu)上，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了目的基因和運載體可以出現(xiàn)自身環(huán)化或反向連接等多種可能，而選用雙酶切的方法，可以減少這些可能情況的出現(xiàn)。

二、在生活中尋找材料，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和批判性思維

（一）“性狀分離比”模擬實驗

人教版教材必修2中是用小桶和彩球來模擬一對相對性狀的性狀分離比實驗的，而北師大版和蘇教版教材中則使用黑白圍棋子和圍棋罐來進行實驗?zāi)M，這些實驗材料都不難獲得。在教學(xué)過程中，教師還可以尋找更為便利的實驗材料，如用2種顏色的粉筆頭分別模擬2種配子，用2個紙杯分別模擬雌雄生殖器官。具體模擬實驗時，讓學(xué)生同桌一組，每人從紙杯內(nèi)隨機抓取1個粉筆頭，放在一起，表示雌雄配子隨機結(jié)合形成的受精卵。每次做好記錄后，再把粉筆頭放回原來的紙杯內(nèi)并混合均勻，同樣的操作重復(fù)10次。最后統(tǒng)計全班學(xué)生的數(shù)據(jù)，計算性狀分離比和遺傳因子組成比。

在實驗操作過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）兩個紙杯中的粉筆頭總數(shù)要不要相等？每個紙杯中的粉筆頭數(shù)量要不要相等？（2）每次抓取粉筆頭為什么要放回，不放回會怎樣？（3）將本小組的實驗結(jié)果與全班所有小組的實驗結(jié)果進行比較，你有什么發(fā)現(xiàn)？（4）模擬實驗結(jié)果與一對相對性狀的雜交實驗的結(jié)果相比，你認為孟德爾的假說是否合理？

本實驗基于孟德爾實驗事實，采用模型構(gòu)建的科學(xué)思維方法，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，最終使學(xué)生理解孟德爾實驗中運用的“假說—演繹法”這一科學(xué)方法的精髓。在實驗材料的選擇和實驗的具體操作過程中，學(xué)生要思考如何滿足科學(xué)性和嚴謹性原則等問題，這不僅能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，發(fā)展學(xué)生的批判性思維，還能很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（二）“自然選擇”模擬實驗

達爾文的自然選擇學(xué)說對生物的適應(yīng)性的形成做出了合理的解釋。達爾文認為，通過自然選擇，種群中擁有強適應(yīng)性性狀的個體會隨著時間的推移數(shù)量增加[2]。人教版教材必修2中只是安排了一個“運用自然選擇學(xué)說解釋適應(yīng)的形成”這一“思考·討論”的欄目，并沒有具體的實驗內(nèi)容。那么能不能模擬“自然選擇”來開展實驗?zāi)?？答案是肯定的?/p>

實驗材料：大號珠子，中號珠子，小號珠子，鑷子，鉗子，盤子，計時器。

實驗過程：

（1）讓甲、乙、丙同學(xué)3人一組，甲同學(xué)用鑷子來表示捕食者種群中的一個成年個體，乙同學(xué)用鉗子來表示捕食者種群中的另一個成年個體，丙同學(xué)計時。

（2）把3種珠子（被捕食者）混合放在盤子里。

（3）計時20秒，甲、乙同學(xué)嘗試用鑷子和鉗子夾起所有能夾起來的珠子。

（4）每一顆大珠記3分，中珠記2分，小珠記1分，把各自的分數(shù)加起來。

（5）按照“維持生存需要18分，產(chǎn)生一個后代額外需要10分”這一標準，統(tǒng)計幸存者和后代的數(shù)量。

（6）重復(fù)以上操作10次，匯總小組數(shù)據(jù)和班級數(shù)據(jù)[2]。

在實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）鑷子和鉗子代表捕食者種群中的成年個體，如果除去所有的成年個體，種群將怎樣變化？（2）哪一種成年個體（鑷子或鉗子）能更好地適應(yīng)環(huán)境，產(chǎn)生更多后代？（3）被捕食者（珠子）如何隨著捕食者種群的變化而變化？

本實驗基于生物群落中的捕食關(guān)系，讓學(xué)生分小組進行限時捕食操作（夾取珠子），再把更多的小組數(shù)據(jù)匯總，這就相當(dāng)于延長了“生存斗爭”的時間，讓學(xué)生看到“適者生存”的結(jié)果。因教材中沒有該模擬實驗，學(xué)生要發(fā)揮創(chuàng)造性思維和批判性思維，逐步設(shè)計和完善實驗過程，這是對學(xué)生科學(xué)思維的高階培養(yǎng)。

三、巧用實驗儀器，簡化實驗條件，遷移運用實驗方法

“酵母菌的純培養(yǎng)”是人教版教材選擇性必修3第1章第2節(jié)“微生物的培養(yǎng)技術(shù)及應(yīng)用”中“探究·實踐”欄目的內(nèi)容。學(xué)生應(yīng)在實驗室完成該實驗的具體操作，掌握倒平板、分離純化酵母菌等微生物培養(yǎng)技術(shù)，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。但由于實驗設(shè)備的不足以及實驗耗時較長等原因，不少學(xué)校未能開展該實驗，學(xué)生只能通過死記硬背來完成對實驗操作步驟的掌握。為了解決這一問題，筆者嘗試把實驗室有限的實驗儀器利用起來，簡化常規(guī)實驗操作所需的條件，將倒平板、平板劃線等實驗操作環(huán)節(jié)改為模擬實驗操作，這樣學(xué)生就能夠在模擬實驗的操作過程中領(lǐng)悟微生物培養(yǎng)技術(shù)的精確要求，更加直觀地理解實驗的原理和方法。

實驗材料：玻璃培養(yǎng)皿30套，培養(yǎng)皿大小的圓形紙片60張，瓊脂糖，金屬接種環(huán)，一次性塑料接種環(huán)（10 μL）60支，錐形瓶，酒精燈，玻璃棒，涂布棒，微波爐，藍色和紅色墨水。

實驗過程：

（1）倒平板。教師把瓊脂糖溶解后用微波爐加熱（省略滅菌操作），制作簡單的瓊脂糖平板代替酵母菌的平板培養(yǎng)基，由2名學(xué)生到講臺上演示倒平板操作。

（2）接種和分離。方法一：平板劃線法。教師分發(fā)事先準備好的瓊脂糖平板和一次性塑料接種環(huán)，學(xué)生蘸取“菌液”（紅色或藍色墨水），嘗試在平板上劃線，再用筆在圓紙片上畫出接種環(huán)劃線的路徑。方法二：稀釋涂布平板法。由2名學(xué)生到講臺上演示稀釋涂布平板操作。

在實驗操作過程中，學(xué)生要思考以下問題：

（1）倒平板操作的步驟有哪些？哪一步體現(xiàn)了無菌操作？（2）平板冷凝后，為什么要將平板倒置？（3）為什么在操作的第一步、每次劃線之前和劃線操作結(jié)束后都要灼燒接種環(huán)？（4）為什么在做第二次以及其后的劃線操作時，總是從上一次劃線的末端開始？（5）結(jié)合學(xué)過的實驗，有沒有將微生物分散到培養(yǎng)基表面的其他方法？（6）設(shè)計實驗將10 mL菌液稀釋10倍、102倍、103倍、104倍、105倍、106倍，說出實驗思路。

本實驗對教材實驗進行了簡化處理，省略了高壓蒸汽滅菌等操作，目的是讓學(xué)生在一節(jié)課內(nèi)掌握實驗的重點操作技能。在引入稀釋涂布平板法時，讓學(xué)生結(jié)合學(xué)過的實驗技術(shù)說出梯度稀釋的操作步驟，實現(xiàn)實驗技能的遷移運用。實驗剩余的空平板可以放在教室內(nèi)，以便于學(xué)生用來觀察微生物菌落的特征。

四、運用生物信息學(xué)軟件創(chuàng)設(shè)模擬實驗，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力

對于“基因突變和基因重組”一節(jié)，教材引用了“鐮狀細胞貧血”這一實例。患者血紅蛋白分子的肽鏈上發(fā)生了氨基酸的替換，谷氨酸被纈氨酸替換了，其根本原因是基因中堿基對發(fā)生替換。學(xué)生可以查閱密碼子表了解該實例中基因和氨基酸序列的對應(yīng)關(guān)系。但在教學(xué)中，如果要探究基因中堿基對的缺失和增添對氨基酸序列的影響，用查閱密碼子表的方法需要花費更多的時間，會影響教學(xué)任務(wù)的完成。對此，筆者提出了“基因堿基對的缺失或增添對氨基酸序列的影響較大”這一假說，讓學(xué)生借助生物信息學(xué)軟件Gene Runner（基因序列分析軟件）來設(shè)計實驗過程，利用軟件中的數(shù)據(jù)庫信息進行實驗并觀察結(jié)果，進而得出結(jié)論。

教師可提供如下血紅蛋白部分基因序列：—GTTCACCTAACGCCCGAGGAAAAG—。學(xué)生把該序列輸入到生物信息學(xué)軟件Gene Runner中，分析得出對應(yīng)的氨基酸序列，然后刪除該序列中的某一個堿基對，分析、觀察堿基對的缺失對氨基酸序列的影響;學(xué)生也可以在以上序列中增添一個堿基對，分析、觀察堿基對的增添對氨基酸序列的影響。圖1為某學(xué)生運用生物信息學(xué)軟件Gene Runner展示該模擬實驗的結(jié)果。

學(xué)生操作計算機，對堿基對進行刪除或增添，觀察結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：堿基對的缺失（增添）不影響缺失（增添）位置前的序列，影響缺失（增添）位置后的序列。因此，基因堿基對的缺失或增添對氨基酸序列的影響較大。在該模擬實驗中，學(xué)生可以直觀地觀察到基因突變對氨基酸序列的影響。

綜上，高中生物學(xué)教材中編排的模擬實驗都很經(jīng)典，教師在教學(xué)中應(yīng)盡量安排學(xué)生進行實驗操作。學(xué)生通過實驗材料的選擇、實驗操作的過程以及對實驗結(jié)果的統(tǒng)計和分析，不僅突破了學(xué)習(xí)難點，還增強了科學(xué)探究能力。此外，教師還可以啟發(fā)學(xué)生依據(jù)教材內(nèi)容自主設(shè)計模擬實驗。設(shè)計模擬實驗時，應(yīng)力求做到與真實實驗的原理、本質(zhì)相同，實驗過程要易于理解和操作。通過這樣的模擬實驗訓(xùn)練，學(xué)生不僅學(xué)到了科學(xué)知識，還培養(yǎng)了模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維，提升了問題解決能力和科學(xué)探究能力，發(fā)展了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]? 比格斯.科學(xué)發(fā)現(xiàn)者：生物：第2版[M].林靜，王燕，李紅菊，等譯.杭州： 浙江教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 黃春香）