朱光輝

摘要：科學(xué)發(fā)現(xiàn)在高中生物教材中占有很大比重，如何在對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的教學(xué)過(guò)程中提升學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)是我們所要研究的。本文以T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明如何訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)發(fā)現(xiàn)；生物學(xué)素養(yǎng)；學(xué)生

中圖分類號(hào)：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1992-7711（2021）06-0003

科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)在高中生物教材中占有很大比重，比如桑格和尼克森建立細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的過(guò)程、光合作用的發(fā)現(xiàn)過(guò)程、溫特發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素的過(guò)程、脫氧核糖核酸是遺傳物質(zhì)的證據(jù)等，通過(guò)對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)，與學(xué)生一起分析科學(xué)家為什么會(huì)有這樣那樣的問(wèn)題，怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)回答自己的問(wèn)題，為什么那樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有助于訓(xùn)練學(xué)生縝密的思維能力和探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)。

下面，筆者以T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)說(shuō)如何培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)。

1952年，赫爾希和蔡斯利用同位素標(biāo)記法，證明了T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA，也就是脫氧核糖核酸，由特殊推廣到一般，說(shuō)明DNA是遺傳物質(zhì)。

1.明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理清?shí)驗(yàn)思路。艾弗里及其學(xué)生通過(guò)減法原理得出脫氧核糖核酸是遺傳物質(zhì)，但不能使人絕對(duì)信服。赫爾希和蔡斯利用病毒的侵染屬性證明脫氧核糖核酸是遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

2.了解研究方法——同位素示蹤法，同位素示蹤法嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是同位素標(biāo)記技術(shù)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。用32P標(biāo)記T2噬菌體的脫氧核糖核酸和用35S標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)，32P標(biāo)記的一組只反映脫氧核糖核酸的情況，35S標(biāo)記的一組只反映蛋白質(zhì)的情況，最后通過(guò)放射性出現(xiàn)的位置來(lái)反映脫氧核糖核酸和蛋白質(zhì)究竟是哪種物質(zhì)進(jìn)入了細(xì)菌細(xì)胞。如何標(biāo)記？標(biāo)記的實(shí)質(zhì)就是利用含放射性的物質(zhì)培養(yǎng)要標(biāo)記的對(duì)象，在培養(yǎng)對(duì)象吸收利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)增殖時(shí)完成標(biāo)記。標(biāo)記噬菌體的過(guò)程實(shí)際上就是先用含32P的培養(yǎng)基來(lái)培養(yǎng)細(xì)菌，使細(xì)菌先帶有32P，再用含32P的細(xì)菌培養(yǎng)病毒，病毒在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)增殖的時(shí)候就完成了用32P標(biāo)記，用相同的過(guò)程完成用35S標(biāo)記。

3.明確科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。赫爾希和蔡斯進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，一組用35S標(biāo)記的噬菌體與細(xì)菌混合并保溫一段時(shí)間，攪拌完成后進(jìn)行離心，觀察放射性；取出沉淀物培養(yǎng)一段時(shí)間，細(xì)菌裂解，將子代噬菌體釋放出來(lái)，然后再檢測(cè)子代噬菌體的放射性，另一組換成用32P標(biāo)記的噬菌體，其余相同。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的把握，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)意識(shí)、分組實(shí)驗(yàn)意識(shí)，理解科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系。

4.理解每一環(huán)節(jié)的意圖。用35S標(biāo)記的噬菌體與細(xì)菌混合一段時(shí)間的意圖：讓噬菌體侵染細(xì)菌；攪拌的意圖：分開(kāi)連接在一起的T2噬菌體與細(xì)菌；離心的意圖：讓細(xì)菌（含被噬菌體侵染的）處于離心管的下層，讓噬菌體（含蛋白質(zhì)外殼）處于上清液中。通過(guò)放射性出現(xiàn)的位置，判斷是脫氧核糖核酸還是蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌，這有助于把握事情的本質(zhì)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

5.理清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、該現(xiàn)象說(shuō)明了什么、實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么三者之間的邏輯關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用35S標(biāo)記的一組，絕大多數(shù)的放射性出現(xiàn)在上清液中，沉淀物中有極低的放射性；用32P標(biāo)記的一組，大多數(shù)的放射性主要出現(xiàn)在沉淀物中，上清液中也有少數(shù)的放射性；說(shuō)明T2噬菌體的脫氧核糖核酸隨細(xì)菌出現(xiàn)在沉淀物中，T2噬菌體的蛋白質(zhì)不隨細(xì)菌出現(xiàn)在沉淀物中，進(jìn)而說(shuō)明是脫氧核糖核酸侵入到細(xì)菌細(xì)胞，細(xì)菌裂解死亡釋放出的子代噬菌體是在侵入的DNA的基礎(chǔ)上繁殖出來(lái)的；實(shí)驗(yàn)結(jié)論：T2噬菌體的DNA是遺傳物質(zhì)。繁殖的子代噬菌體也都由脫氧核糖核酸和蛋白質(zhì)構(gòu)成，于是還能說(shuō)明：DNA可以復(fù)制，DNA能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。在此基礎(chǔ)上，我們還可推導(dǎo)出T2噬菌體增殖的過(guò)程：首先是噬菌體識(shí)別并吸附在細(xì)菌上，然后將其DNA注入細(xì)菌，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)噬菌體的DNA進(jìn)行復(fù)制并指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，接下來(lái)復(fù)制合成出的DNA和蛋白質(zhì)裝配成子代噬菌體，最后子代噬菌體被細(xì)菌釋放。這樣，我們就能培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的能力。

6.誤差分析及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。結(jié)合T2噬菌體增殖的過(guò)程分析，35S標(biāo)記的那一組，放射性在上清液，沉淀物無(wú)放射性；32P標(biāo)記的那一組，放射性在沉淀物中，上清液中無(wú)放射性。注意筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述：35S一組的放射性絕大多數(shù)在上清液，沉淀物中有極低的放射性，與理論分析接近；32P標(biāo)記的一組，放射性多數(shù)出現(xiàn)在沉淀物中，上清液中也有少數(shù)的放射性，而不是有放射性和無(wú)放射性的區(qū)別。筆者分析可能的原因有三，一是時(shí)間過(guò)短，部分噬菌體尚未侵染；二是噬菌體尚未將脫氧核糖核酸注入就被攪拌，與細(xì)菌分開(kāi)；三是時(shí)間長(zhǎng)，細(xì)菌由于DNA被降解、氨基酸被利用等原因而失去活性，釋放了子代噬菌體。離心，部分32P標(biāo)記的噬菌體到了離心管的上方，表現(xiàn)出較低的放射性。學(xué)會(huì)誤差分析或評(píng)價(jià)，學(xué)生可嘗試解釋實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

讀者可以搜索2006年南京質(zhì)檢題，“用32P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌，在理論上，”這是作者見(jiàn)到對(duì)噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)過(guò)程、誤差分析和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)這一考點(diǎn)考查較早、較細(xì)的題目；2017年全國(guó)Ⅰ卷29題，通過(guò)探究新發(fā)現(xiàn)病毒是DNA病毒還是RNA病毒，許多高考研究專家和教師認(rèn)為該高考題是對(duì)T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的考查，還考查了考生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。那赫爾希和蔡斯可能受誰(shuí)的影響和啟發(fā)？

在1941年，魯賓與卡門合作，采用同位素示蹤法，證明了光合作用過(guò)程中，產(chǎn)生的O2是H2O分解造成的，而不是CO2造成的。他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄縊2的來(lái)源，是H2O產(chǎn)生還是CO2產(chǎn)生，采用的也是同位素示蹤法，也是將實(shí)驗(yàn)分成了兩組形成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。他們兩人的成果要比赫爾希和蔡斯兩人的成果早11年。

命制高考試題的，絕大多數(shù)是大學(xué)教授，他們對(duì)學(xué)科發(fā)展史非常了解、對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)理解得更加透徹，通過(guò)命制與科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的題目，更能有效考查學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，也更符合高中《生物課程標(biāo)準(zhǔn)》的精神，實(shí)現(xiàn)高考的教育功能，還有利于大學(xué)對(duì)人才的選拔。筆者預(yù)計(jì)今后的高考對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的考查將會(huì)流行起來(lái)。

（作者單位：山東省鄒城市第一中學(xué)273500）