從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和原則角度領(lǐng)悟生物學(xué)核心概念

王玉霞

教學(xué)的依據(jù)不是教材，而是課程標(biāo)準(zhǔn)?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的四條基本理念是提高生物科學(xué)素養(yǎng)、面向全體學(xué)生、倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)和注重與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，并倡導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中深入理解生物學(xué)的核心概念。可見“提高生物科學(xué)素養(yǎng)”的核心是教師要進(jìn)行生物學(xué)概念的教學(xué)，尤其是核心概念的教學(xué)。美國(guó)的布魯納曾說：概念學(xué)習(xí)是人類學(xué)習(xí)的核心。因此，在生物學(xué)課堂教學(xué)中應(yīng)采取多種策略，如以學(xué)生儲(chǔ)備的知識(shí)構(gòu)建核心概念、以學(xué)生活動(dòng)構(gòu)建核心概念、以實(shí)驗(yàn)構(gòu)建核心概念等，幫助學(xué)生深入理解生物學(xué)核心概念，促進(jìn)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的形成。

1.考綱要求及教學(xué)策略

在高三一輪復(fù)習(xí)中，學(xué)生對(duì)知識(shí)已有一定的認(rèn)識(shí)，失去新鮮感，因而教師不能對(duì)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的重現(xiàn)，而應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生立足教材，夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，提高理性思維能力?？季V中對(duì)“人類對(duì)遺傳物質(zhì)的探索過程”為Ⅱ類要求，“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)中“遺傳物質(zhì)”是生物學(xué)概念，“DNA是遺傳物質(zhì)，遺傳信息的傳遞是通過DNA復(fù)制實(shí)現(xiàn)的”是核心概念，核心概念的教學(xué)實(shí)際上是建立在一般概念、原理和規(guī)律之上的對(duì)生物學(xué)核心問題認(rèn)識(shí)和理解的構(gòu)建[1]，前者是構(gòu)建后者的重要基石?！斑z傳物質(zhì)”是親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質(zhì)，如何理解“DNA是遺傳物質(zhì)，遺傳信息的傳遞是通過DNA復(fù)制實(shí)現(xiàn)的”這一核心概念？布魯納認(rèn)為“人是通過認(rèn)知表征的過程來獲得知識(shí)、實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的”。因此，教師不能不遵循認(rèn)知結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的規(guī)律，更不能用教師思維替代學(xué)生思維的發(fā)生、發(fā)展、延伸。教師可以科學(xué)家的研究歷程為背景資料，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生從形象表征走向抽象表針，進(jìn)而理解核心概念。本節(jié)復(fù)習(xí)思路：遺傳現(xiàn)象→探究遺傳物質(zhì)→遺傳物質(zhì)必備條件→經(jīng)典實(shí)驗(yàn)分析→正確理解“DNA是遺傳物質(zhì)，遺傳信息的傳遞是通過DNA復(fù)制實(shí)現(xiàn)的”和“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。

2.復(fù)習(xí)過程

2.1導(dǎo)入

生命之所以能夠一代一代地延續(xù)，主要是因?yàn)檫z傳物質(zhì)綿延不斷地向后代傳遞，從而使后代具有與前代相同的性狀。遺傳給后代的究竟是什么？通過對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞分裂、受精作用的學(xué)習(xí)可知，遺傳給后代的細(xì)胞是精子和卵細(xì)胞，遺傳給后代的結(jié)構(gòu)是染色體，染色體在生物的傳宗接代過程中，保持一定的穩(wěn)定性和連續(xù)性。染色體的主要成分是DNA和蛋白質(zhì)，誰(shuí)才是遺傳給后代的物質(zhì)呢？引導(dǎo)學(xué)生思考“作為遺傳物質(zhì)，必須具備哪些條件”，使學(xué)生對(duì)遺傳物質(zhì)有正確的認(rèn)識(shí)。遺傳物質(zhì)需滿足以下四個(gè)條件：（1）能夠精確地自我復(fù)制，使前后代具有一定的連續(xù)性。（2）能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而控制生物的性狀和新陳代謝的過程。（3）具有貯存大量遺傳信息的潛在能力。（4）具有相對(duì)的穩(wěn)定性，可產(chǎn)生可遺傳的變異。

2.2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“遺傳物質(zhì)究竟是什么”

田奇林老師在《做一位“發(fā)展學(xué)生高階思維能力”的積極踐行者》中指出[2]：前天——授人以魚，“灌知識(shí)”“灌方法”，用自己的理解代替學(xué)生的理解；昨天——授人以漁，學(xué)會(huì)閱讀學(xué)習(xí)，變革接受學(xué)習(xí)，；今天——授人以漁場(chǎng)，給學(xué)生提供信息場(chǎng)、創(chuàng)設(shè)問題場(chǎng)、留足探索場(chǎng)、提供創(chuàng)造場(chǎng)、建構(gòu)情感場(chǎng)，讓學(xué)生摸索著捕，如有不會(huì)，再有針對(duì)性地指導(dǎo)；明天——“做科學(xué)”，生物是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科。因此，在高中生物學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)發(fā)展學(xué)生理性思維，動(dòng)腦動(dòng)手，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力尤其是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

根據(jù)導(dǎo)入中染色體的主要成分是DNA和蛋白質(zhì)及遺傳物質(zhì)的滿足條件可知，遺傳物質(zhì)是DNA或蛋白質(zhì)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的單一變量原則和對(duì)照原則，實(shí)驗(yàn)應(yīng)設(shè)法將DNA和蛋白質(zhì)分開，可通過分離提純法或同位素標(biāo)記法實(shí)現(xiàn)，然后單獨(dú)看其作用。若是探究未知病毒遺傳物質(zhì)是DNA還是RNA，可利用酶的專一性，通過酶解法，破壞一種物質(zhì)，看另一種物質(zhì)，也可以使用病毒重組法。

2.3教材中的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)如何體現(xiàn)單一變量原則和對(duì)照原則

從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩大原則角度，重新審視經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。將教材中的基礎(chǔ)和主干知識(shí)以問題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，既能夯實(shí)基礎(chǔ)，又能提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析能力。

2.3.1肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

（1）R型活細(xì)菌 小鼠→健康

（2）S型活細(xì)菌 小鼠→死亡

（3）加熱后殺死的S型細(xì)菌 小鼠→健康

（4）R型活細(xì)菌+加熱后殺死的S型細(xì)菌 小鼠→死亡

（1）（2）兩組通過控制細(xì)菌的類型進(jìn)行對(duì)照，可知R型活細(xì)菌是無毒的，而S型活細(xì)菌是有毒的。（2）（3）兩組通過控制S型細(xì)菌的存活狀態(tài)進(jìn)行對(duì)照，可知加熱后殺死的S型細(xì)菌是無毒的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的第（4）組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是小鼠死亡，從小鼠體內(nèi)分離出S型活細(xì)菌，但是注射到小鼠體內(nèi)的是活的R型細(xì)菌和加熱殺死的S型細(xì)菌，小鼠體內(nèi)無毒的R型活細(xì)菌轉(zhuǎn)化有毒的S型活細(xì)菌的實(shí)質(zhì)是什么？第（4）組死亡的小鼠體內(nèi)都是S型活細(xì)菌嗎？為什么？

由該實(shí)驗(yàn)可知：S型菌中有轉(zhuǎn)化因子，那么究竟S型菌中的什么物質(zhì)是轉(zhuǎn)化因子呢？怎么從S型菌的組成成分中判斷哪種物質(zhì)是轉(zhuǎn)化因子，實(shí)驗(yàn)怎么設(shè)計(jì)，為什么這樣設(shè)計(jì)？引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用單一變量原則和對(duì)照原則積極思考。要判斷S型菌中哪種物質(zhì)是轉(zhuǎn)化因子，要設(shè)法將S型菌的各種組成成分分開，單獨(dú)觀察其作用。

2.3.2肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

（1）S型菌的DNA+R型菌→R型菌和S型菌

（2）S型菌的蛋白質(zhì)+R型菌→R型菌

（3）S型菌的多糖+R型菌→R型菌

（4）S型菌的DNA+DNA酶+R型菌→R型菌

（1）（2）（3）三組通過控制S型菌的組成成分進(jìn)行對(duì)照，可知S型菌的DNA使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌，S型菌的蛋白質(zhì)和多糖不可以。（1）（4）兩組通過控制是否加入DNA酶進(jìn)行對(duì)照，可知轉(zhuǎn)化因子是DNA，而不是DNA的分解產(chǎn)物。進(jìn)一步拋出問題，既然實(shí)驗(yàn)遵循了單一變量原則和對(duì)照原則，設(shè)計(jì)合理，那么為什么仍有人對(duì)該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論提出質(zhì)疑？從而訓(xùn)練學(xué)生的批判思維能力。

分離提純得到的物質(zhì)純度不能達(dá)到100%，有沒有更好的方法將DNA和蛋白質(zhì)區(qū)分開來？選擇什么實(shí)驗(yàn)材料最合適？

2.3.3T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)

選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料是十分重要的。從實(shí)驗(yàn)操作程度和可控制性等方面看，最好選擇只有DNA和蛋白質(zhì)這兩種物質(zhì)作為組成成分的生物為實(shí)驗(yàn)材料。既然無法通過提純得到100%的相關(guān)物質(zhì)，我們就要追蹤DNA和蛋白質(zhì)的作用，可以用什么方法？引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分泌蛋白形成的復(fù)習(xí)，得出采用放射性同位素標(biāo)記法。放射性強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)觀察指標(biāo)，我們不能判斷具體是哪種物質(zhì)哪種元素產(chǎn)生的放射性，因而只能對(duì)DNA和蛋白質(zhì)分別進(jìn)行標(biāo)記，且標(biāo)記DNA的特有元素和蛋白質(zhì)的特有元素。實(shí)驗(yàn)通過控制噬菌體中被標(biāo)記的物質(zhì)進(jìn)行對(duì)照，可知噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，噬菌體的DNA進(jìn)入到細(xì)菌細(xì)胞中，而噬菌體的蛋白質(zhì)仍留在細(xì)菌細(xì)胞外，且兩組都產(chǎn)生了子代噬菌體，子代噬菌體中只檢測(cè)到 P，沒有檢測(cè)到 S。因此 P標(biāo)記的DNA是親代噬菌體與子代噬菌體之間傳遞遺傳信息的物質(zhì)，即DNA是遺傳物質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：既然DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，蛋白質(zhì)未進(jìn)入，為什么 P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，上清液中含有很低放射性？為什么 S標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，沉淀物中含有很低放射性？由此，對(duì)今后的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有什么啟發(fā)？

自然界中并不是所有的生物都有DNA，如煙草花葉病毒、艾滋病病毒只有RNA和蛋白質(zhì)兩種成分，可通過病毒重組法或酶解法探究其遺傳物質(zhì)。通過對(duì)遺傳物質(zhì)的探究發(fā)現(xiàn)自然界中大多數(shù)生物都是以DNA為遺傳物質(zhì)，所以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。

3.反思

生物學(xué)核心概念的理解不是一節(jié)課或一個(gè)自然章節(jié)就可以完成的，通常需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，從多角度學(xué)習(xí)才能形成。雖然遺傳物質(zhì)不是核心概念，但它是構(gòu)建核心概念的基石，在“遺傳物質(zhì)”概念的基礎(chǔ)上，教師通過引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和原則角度，抽絲剝繭，分析科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，揭開遺傳物質(zhì)的面紗，理解“DNA是遺傳物質(zhì)”，而對(duì)“遺傳信息的傳遞是通過DNA復(fù)制實(shí)現(xiàn)的”只能通過后續(xù)章節(jié)來建立。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱曉林.高中生物學(xué)教材中核心概念的界定和基本劃分.生物學(xué)教學(xué)，2010，35（12）：20-22.

[2]田奇林.做一位“發(fā)展學(xué)生高階思維能力”的積極踐行者.中學(xué)生物教學(xué)，2014（7）：6-9.