支架式教學(xué)在科學(xué)史探究課中的應(yīng)用實踐

朱俊

[摘要] 科學(xué)史探究課作為既能提升學(xué)生探究能力，又能培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的課型，對于回歸生物學(xué)科的科學(xué)本質(zhì)至關(guān)重要。以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”為例，開發(fā)了以問題支架為主線，情境支架引入、范例支架反思、工具支架明晰和實驗支架探究為具體教學(xué)過程的支架式教學(xué)設(shè)計，以培育學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 科學(xué)探究;實驗原則;科學(xué)精神;多樣化

科學(xué)史探究課是介紹科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并解決科學(xué)問題的課型，其中蘊(yùn)含著的不單單是科學(xué)探究的步驟與方法，還有科學(xué)探究的邏輯與思維、態(tài)度與精神。因而，對科學(xué)史探究課的學(xué)習(xí)，是揣摩科學(xué)前輩探究的過程，是學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法的過程，更是領(lǐng)悟科學(xué)探究本質(zhì)的過程。單純講授科學(xué)史探究課，難以調(diào)動學(xué)生對于整個探究過程的反思實踐，無法切實提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng);而讓學(xué)生全盤自主設(shè)計實驗進(jìn)行探究，顯然又不符合學(xué)生的能力水平，無法做到有效生成。此時就需要教師搭好“教學(xué)支架”，在契合學(xué)生認(rèn)知水平與能力的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生在體驗探究過程的同時掌握科學(xué)探究的方法。

支架式教學(xué)在科學(xué)教學(xué)中常用的形式有情境支架、范例支架、問題支架、實驗支架、工具支架等多種類型。[1]

本文以問題支架為主線進(jìn)行教學(xué)，在具體教學(xué)過程中用情境支架進(jìn)行課堂導(dǎo)入，用范例支架促進(jìn)學(xué)生反思，用工具支架明晰實驗材料，用實驗支架協(xié)同科學(xué)探究，完成了“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)課的教學(xué)實踐。

一、情境支架，課堂引入

教學(xué)過程：在課堂的導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，教師溯源之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的遺傳物質(zhì)科學(xué)探究史，展示從兩大遺傳定律的發(fā)現(xiàn)到科學(xué)家的重復(fù)試驗，從薩頓的假說到摩爾根的證明的連續(xù)過程。具體過程如圖1所示。

在教師的引導(dǎo)中始終聚焦問題：“遺傳物質(zhì)的本質(zhì)究竟是什么？”染色體的組成成分包括DNA和蛋白質(zhì)，然后引出20世紀(jì)的遺傳物質(zhì)之爭。20世紀(jì)早期，人類在沒有實驗證據(jù)支持的情況下，由于對蛋白質(zhì)的認(rèn)知范圍明顯要多于DNA，因此推測出蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì);進(jìn)入20世紀(jì)30年代以來，科學(xué)家們逐漸知道DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而成的生物大分子，而四種脫氧核苷酸組成的DNA分子可能蘊(yùn)含著遺傳信息。那么，DNA與蛋白質(zhì)究竟何者為遺傳物質(zhì)？最后就引出本節(jié)課的內(nèi)容：尋找基因的續(xù)集——遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)。

設(shè)計意圖：導(dǎo)入的教學(xué)設(shè)計采用情境支架，在復(fù)習(xí)鞏固知識的基礎(chǔ)上，以科學(xué)探究的情境感悟帶動學(xué)生思考，既讓學(xué)生厘清遺傳科學(xué)史的前期脈絡(luò)，又以這樣的情境脈絡(luò)逐步深入，讓學(xué)生體會科學(xué)研究中的傳承與問題解決的不易。此外，這樣的情境支架運(yùn)用讓學(xué)生追隨科學(xué)家的腳步逐步理解、層層聚焦一個問題——“遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是什么？”教學(xué)過程中，用20世紀(jì)之爭凸顯了生物學(xué)科的實驗特性，并激發(fā)學(xué)生對格里菲斯肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗學(xué)習(xí)的主動性。

二、范例支架，反思生成

緊接著上文的情境支架，教師告訴學(xué)生：20世紀(jì)30年代格里菲斯和艾弗里兩位科學(xué)家的實驗，使得“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”引發(fā)學(xué)界的巨大質(zhì)疑，動揺了當(dāng)時人們對遺傳物質(zhì)本質(zhì)的假想和推測。將這兩組實驗作為范例支架進(jìn)行使用，可以讓學(xué)生根據(jù)教師設(shè)置的問題逐步思考這兩個范例實驗的內(nèi)涵與外延，從而逐步生成實驗探究的思路與方法。

1.對體內(nèi)轉(zhuǎn)化范例的介紹與反思

教學(xué)過程：告訴學(xué)生S型菌和R型菌的區(qū)別與特點，然后利用多媒體展示體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗的過程。根據(jù)兩種肺炎雙球菌的致病性，讓學(xué)生自學(xué)實驗內(nèi)容，并解決如下的三個問題：（1）第一、二兩組的實驗結(jié)果如何？

（2）第三組如果將滅活的S型菌注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果會怎樣呢？（3）第四組實驗中引起小鼠死亡的細(xì)菌是哪種細(xì)菌？它又是如何來的？

經(jīng)過這三個問題，學(xué)生得出了如下兩種結(jié)論：一種是加熱殺死的S型菌，存在某種物質(zhì)，促進(jìn)R型活菌轉(zhuǎn)變?yōu)镾型活菌;另一種是R型菌使死亡的S型菌復(fù)活了。此時，教師即可進(jìn)行解釋，說明細(xì)菌死亡蛋白質(zhì)會變性，不可能復(fù)活，以排除第二種可能性。從而得出結(jié)論：已經(jīng)加熱殺死的S型細(xì)菌中，必然含有某種物質(zhì)使R型菌轉(zhuǎn)化S型活菌。最后，教師進(jìn)一步追問學(xué)生：什么物質(zhì)使R型轉(zhuǎn)化成為S型活菌呢？讓我們來看第二個實驗范例。

設(shè)計意圖：將格里菲斯的實驗作為范例支架，并用問題層層深入，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析第一、二、三組實驗的步驟。這樣的反思需要生成的不僅僅是根據(jù)實驗原理得出的實驗結(jié)果，更是提高學(xué)生在實驗中觀察和收集信息的能力。而教師引導(dǎo)學(xué)生對第四組實驗結(jié)果進(jìn)行分析，幫助學(xué)生作出推測和假設(shè)，在潛意識中培養(yǎng)學(xué)生“提出問題、作出假設(shè)、實驗驗證、得出結(jié)論”的基本科學(xué)探究方法。[2]最后的設(shè)問說明了格里菲思當(dāng)時并沒有深入研究，而美國科學(xué)家艾弗里卻立刻敏感地抓住了這一個問題。這樣的教學(xué)設(shè)計既提高了學(xué)生對肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗的學(xué)習(xí)興趣，又讓學(xué)生明白了科研需要敏銳地捕捉問題并堅持不懈地進(jìn)行探究。

2.對體外轉(zhuǎn)化范例的介紹與反思

教學(xué)過程：將肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗作為第二個范例支架拋出，同樣讓學(xué)生依據(jù)“提出問題、作出假設(shè)、實驗驗證、得出結(jié)論”的基本科學(xué)探究方法，分析艾弗里的實驗設(shè)計思路是什么。同時，在多媒體上展示艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗概念圖。具體如圖2所示。

經(jīng)過問題引導(dǎo)的學(xué)習(xí)后，學(xué)生認(rèn)為艾弗里主要采用了物質(zhì)間分離的思路進(jìn)行實驗。其基本過程如下：（1）提出問題：轉(zhuǎn)化因子是什么？（2）作出假設(shè)：S型菌中的多糖、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA可能是轉(zhuǎn)化因子;（3）實驗驗證：將上述4種物質(zhì)分別加入R型菌培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，觀察其是否出現(xiàn)S型菌的菌落;（4）得出結(jié)論并確認(rèn)：為了排除DNA中的雜質(zhì)干擾，在S型菌的DNA提取物中加入DNA酶將其徹底降解，結(jié)果是沒有S型菌，說明S型菌中的DNA是R型轉(zhuǎn)化為S型的轉(zhuǎn)化因子。最后，告訴學(xué)生采用各物質(zhì)間的分離與效用分析，這就是實驗設(shè)計中常用的“加法”和“減法”思想。

設(shè)計意圖：教學(xué)過程中，將上一個范例實驗教學(xué)中隱藏的“提出問題、作出假設(shè)、實驗驗證、得出結(jié)論”基本科學(xué)探究方法，完全地暴露出來作為框架進(jìn)行實驗分析。這樣的支架教學(xué)設(shè)計將實驗的講授過程優(yōu)化成引導(dǎo)學(xué)生反思范例的過程，讓學(xué)生在深入了解實驗思路與方法的同時，掌握科學(xué)研究的方法并養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、求實的科學(xué)態(tài)度。此外，通過教師的設(shè)問與學(xué)生的反思分析，還讓學(xué)生明白了實驗設(shè)計中常用的“加法”和“減法”思想，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力和科學(xué)探究精神。

三、工具支架，材料明晰

到了這里似乎已經(jīng)明確了艾弗里的實驗證明了DNA就是遺傳物質(zhì)，可這么巨大的貢獻(xiàn)為何卻與諾貝爾獎失之交臂呢？這個時候告知學(xué)生，1946年諾貝爾獎評委認(rèn)為：DNA中可能仍然存在蛋白質(zhì)雜質(zhì)，可能這些雜蛋白才是真正的轉(zhuǎn)化因子。[3]這個時候我們需要找到一個更好的實驗材料，能夠簡便快捷地將DNA和蛋白質(zhì)不需要分離提純就能區(qū)分開。

教學(xué)過程：以噬菌體侵染大腸桿菌的小視頻為工具支架（為了促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和概念的建構(gòu)，教師所提供的交流、共享、展示、協(xié)作的平臺等都可以理解為工具支架，如多媒體動畫、電子白板、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等），讓學(xué)生在看錄像時思考以下4個問題：（1）進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)的物質(zhì)是什么？（2）噬菌體的什么結(jié)構(gòu)留在細(xì)菌外面？（3）從細(xì)菌體內(nèi)釋放出來的是什么？（4）新噬菌體的蛋白質(zhì)外殼是如何產(chǎn)生的？再結(jié)合具體過程，講解噬菌體侵染細(xì)菌的五個過程——吸附、注入、合成、組裝、釋放。隨后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行質(zhì)疑：真的只有噬菌體的DNA進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部嗎？如何證明這個科學(xué)性事實？通過讓學(xué)生自己聯(lián)想之前學(xué)習(xí)過的探究方法（觀察分子或元素的轉(zhuǎn)移路徑），聯(lián)系之前光合作用的同位素標(biāo)記法，學(xué)生便能夠想到采用同位素標(biāo)記法。最后，根據(jù)元素特異性確定以32P標(biāo)記T2噬菌體的DNA和用35S標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼。

設(shè)計意圖：通過觀察噬菌體侵染細(xì)菌的過程，教師分步圖解分析工具支架，讓學(xué)生理解該實驗材料的巨大優(yōu)勢，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知難度;用視頻的工具支架捕捉學(xué)生的思維，用視聽感知激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以為后續(xù)探究性實驗的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。隨后，通過質(zhì)疑“只有噬菌體的DNA進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部”調(diào)動學(xué)生對“同位素標(biāo)記法”的前概念，并結(jié)合對DNA與蛋白質(zhì)分子中特有元素的復(fù)習(xí)回顧，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、探究的問題意識和批判的思維能力。

四、實驗支架，合作探究

教學(xué)過程：讓學(xué)生帶著證明DNA是T2噬菌體的遺傳物質(zhì)這樣的問題，分步完成如下探究：（1）如何得到具有放射性32P或35S標(biāo)記的T2噬菌體？（2）學(xué)生提出了3種可能的假說，即T2噬菌體將DNA注入大腸桿菌中，蛋白質(zhì)留在菌體外;噬菌體將蛋白質(zhì)注入大腸桿菌中，DNA留在菌體外;噬菌體將DNA和蛋白質(zhì)都注入大腸桿菌中。教師讓學(xué)生分成小組合作利用同位素標(biāo)記法設(shè)計實驗，寫出實驗設(shè)計方案，根據(jù)假說提出可能的實驗結(jié)果。然后比較與赫爾希、蔡斯設(shè)計實驗的區(qū)別，完善實驗過程，并根據(jù)實驗結(jié)果分析得出結(jié)論。最后，教師再次質(zhì)疑：DNA是所有生物的遺傳物質(zhì)嗎？順勢提出煙草花葉病毒是RNA病毒，讓學(xué)生課后設(shè)計實驗證明其遺傳物質(zhì)是RNA。

設(shè)計意圖：以赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細(xì)菌為實驗支架，通過讓學(xué)生自主設(shè)計實驗證明T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA，引導(dǎo)學(xué)生合作探究，設(shè)計實驗驗證假說，理解并應(yīng)用以32P和35S標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌實驗為對照的設(shè)計思想。這樣的實驗支架以前面的支架為基礎(chǔ)，讓學(xué)生能夠在合作學(xué)習(xí)中鍛煉自己的實驗探究能力，并通過課外作業(yè)的布置，再一次培養(yǎng)學(xué)生理解實驗原則、感悟?qū)嶒灧椒?、自主設(shè)計實驗等相關(guān)能力。這樣一來，通過“DNA是遺傳物質(zhì)”到“DNA是主要遺傳物質(zhì)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生明白了科學(xué)探究是概念不斷形成、發(fā)展和完善的過程。

筆者在講授過程中并不是簡單講授整個科學(xué)探究史的相關(guān)知識，而是通過對科學(xué)探究現(xiàn)象、過程與思路等多方面的解析讓學(xué)生重走科學(xué)探究之路，理解知識的由來與知識背后的邏輯思維、科學(xué)方法。此外，本次教學(xué)多次利用支架輔助學(xué)生降低知識的認(rèn)知難度，契合他們自身的認(rèn)知水平。比如，先利用范例支架明確實驗設(shè)計的原則，并采用工具支架讓學(xué)生明晰實驗的材料，最后讓學(xué)生合作設(shè)計實驗。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃瑋.支架式教學(xué)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教學(xué)研究，2013（10）：52-54.

[2]丁奕然，宋巧玲.“提高生物科學(xué)素養(yǎng)”的教學(xué)落實策略[J].中學(xué)生物教學(xué)，2016（7）：20-22.

[3]盧義欽.Avery為何與諾貝爾醫(yī)學(xué)獎失之交臂？[J].生命的化學(xué)，2005，25（1）：67-69.

朱 俊? ?江蘇省奔牛高級中學(xué)，正高級教師，江蘇省特級教師。江蘇省優(yōu)秀教育工作者，常州市教育領(lǐng)軍人才。