利用生命科学史培养科学思维的教学实践——以“DNA是主要遗传物质的探索”为例

重庆市綦江中学 莫良华

重庆市綦江区教育科学研究所 肖廷忠

北京市昌平区第一中学 周有祥

一、教学背景分析

（一）课标分析

本节课内容属于模块2大概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”，对应的重要概念为“亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上”，次位概念为“概述多数生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上”。

（二）教材分析

“DNA是主要遗传物质的探索”是北师大版高中生物学教材必修2《遗传与进化》第1章“遗传信息的分子基础”的第一节内容，本节内容的学习建立在学生学习了有丝分裂、染色体的主要成分是DNA和蛋白质的基础之上。在未证实DNA是主要遗传物质之前相当长的时间里，人们一直把蛋白质作为遗传物质，那么，如何证实遗传物质是DNA还是蛋白质呢？教材在此埋下伏笔，并阐述了20世纪早期人们对遗传物质的推测。然后教师通过“肺炎链球菌的转化实验”“噬菌体侵染细菌的实验”以及“烟草花叶病毒的重建实验”，引导学生重温科学家的探究历程，领悟科学研究的过程和方法，最终得出科学的结论。本节内容较多，计划2课时完成。

（三）学情分析

学生通过必修1的学习，对核酸的结构和功能有了初步认识，具备一定的提出假说、进行推理的能力，能初步基于实验结果进行分析和推断结论。但对遗传物质在生物性状的控制、亲子代的传递、遗传变异中的作用等方面还有待进一步明晰，思维方式和逻辑推理能力还有待改进和提高。学生通过对本节内容中生命科学史的学习，四个层面的学科核心素养都能得到不同程度的发展，尤其是通过回顾科学家科学探究的过程能很好地培育科学思维素养。

二、教学目标及重难点

（一）教学目标

（1）通过回顾基于遗传物质的探索科学史，进一步形成生命的物质观。

（2）通过基于遗传物质探索实验的设计思路和研究方法的学习，能运用概括、不完全归纳、假说演绎等科学思维方法阐述遗传物质的科学探究过程。

（3）通过学习遗传物质的特点，能对流感病毒变异、疫苗研制和生产等社会热点问题、科技前沿问题进行理性讨论和分析。

（二）教学重难点

基于遗传物质探索实验的设计思路和研究方法的学习，说明自变量控制中的“加法原理和减法原理”。运用概括、不完全归纳、假说演绎等科学思维方法阐明遗传物质的科学探究过程。

三、教学过程

（一）创设问题情境，引发思考

教师结合生物遗传现象“种瓜得瓜，种豆得豆”，提出问题——遗传物质应该具备哪些特点？

学生通过查找资料、参考生活经验以及思考与交流，总结遗传物质应该具备以下特点：①分子结构稳定，储存遗传信息；②可以自我复制，使生物体前后代保持一定的连续性；③能指导蛋白质的合成；④能产生可遗传的变异。

设计意图：利用俗语让学生了解遗传这一生物学现象自古以来就引发人们的关注，激发学生对遗传现象背后遗传本质的探究欲望——遗传物质是什么？遗传物质应该具备什么样的特点？遗传的规律是什么？其中，遗传物质具备的特点恰恰是遗传物质探索过程所运用的“必要条件”。

（二）格里菲斯“体内转化”实验

教师介绍格里菲斯实验——将加热杀死的S型菌与R型活菌注射入小鼠体内，小鼠死亡，而且从死亡小鼠体内分离出S型活菌。提出问题：你认为小鼠死亡的原因是什么？（哪种菌造成了小鼠的死亡？）欲证明你的想法，还需要补充哪些实验？

学生提出多种假设：①加热杀死的S型菌造成了小鼠的死亡；②R型活菌造成了小鼠的死亡；③S型活菌造成了小鼠的死亡。并提出对应的补充实验：①给小鼠注射加热杀死的S型菌；②给小鼠注射R型活菌；③给小鼠注射S型活菌。

教师给出三组实验的结果：①给小鼠注射加热杀死的S型菌，小鼠正常；②给小鼠注射R型活菌，小鼠正常；③给小鼠注射S型活菌，小鼠死亡。并追问：你现在认为小鼠死亡的原因是什么？为什么实验中死亡小鼠体内会有S型活菌？

学生根据实验结果作出判断：小鼠的死亡是由S型菌造成的，进一步推测加热杀死的S型菌虽然不能造成小鼠死亡，但可以让R型活菌转化为S型菌，从而造成小鼠死亡。

设计意图：在科学探究活动中融入科学思维过程，充分假设使实验设计更加严密；基于实验结果进行推测，引入分子水平的探究。

（三）艾弗里“体外转化”实验

教师提问：在格里菲斯实验中使R型菌转化为S型菌的“转化因子”究竟是哪种物质？该如何证明？

学生回答：将组成S型肺炎链球菌的各种物质提取出来，分别与R型菌混合培养，观察究竟是哪种物质引起了转化。

教师继续追问，在当时科学技术条件下，很难对每一种物质进行分离提纯，又该如何操作呢？如果不能分离提纯每一种物质，那么能不能想办法去掉某种物质？或者专一性地去掉某种物质？

学生联想到必修1中学习的“酶具有专一性”。蛋白酶能专一性地分解蛋白质，DNA酶能特异性地分解DNA分子，以此类推，用某种酶将S型菌的某种物质特异性地去掉后，再与R型菌混合，看能否发生转化，以此来确定“转化因子”究竟是哪种物质。

设计实验并分析实验结果：在S型肺炎链球菌培养物中，蛋白酶把蛋白质、RNA酶把RNA特异性分解后，R型肺炎链球菌依然发生转化，而DNA酶特异性把S型肺炎链球菌培养物中的DNA分解后，R型肺炎链球菌却不能发生转化。根据实验结果得出实验结论：使R型菌发生转化的是S型菌的DNA分子。

设计意图：学生遵循单因子变量原则设计实验，结合酶具有专一性的特点，专一性地去掉某种物质（即“减法原理”）。学生在分析实验结果得出实验结论的过程中进一步深挖“转化因子”的本质，深刻体会并理解遗传物质具有保持生物亲子代性状的连续性。教师在实验设计和探究中反复训练以培养学生的科学思维。

（四）噬菌体侵染细菌的实验

教师引导学生回忆病毒的结构和生活特点，认识噬菌体。随后提出问题：噬菌体的遗传物质也是DNA吗？

学生根据噬菌体的结构，推测噬菌体的遗传物质也应该是DNA。

教师引导学生分析文字资料，并提问：若想得到35S标记的噬菌体或32P标记的噬菌体，应如何操作，请简要绘制技术路线图。

学生根据病毒不能独立生活，判断不能直接在培养基上培养病毒。噬菌体需要在大肠杆菌细胞内寄生，故需要将大肠杆菌标记上35S或32P，可以在含35S或32P的培养基中培养进而得到相应被标记的大肠杆菌。

教师继续提问，赫尔希与蔡斯采用了哪些技术来实现他的实验设计？再结合艾弗里的实验技术，对认识科学与技术之间的关系有什么启示？

学生通过独立思考，小组交流汇总：赫尔希与蔡斯采用了同位素标记法、离心等技术。回顾科学家的探究历程，不难发现，随着科学技术的发展，为生物学的发展和进步也起到了促进作用。

设计意图：让学生认识到一个正确的结论可以通过不同的途径获得，人类对遗传物质的认识是不断深化和完善的过程，科学的发展离不开相关技术的支持。

四、教学反思

利用生命科学史发展科学思维，是一个需要长期培养和发展的过程，是一个循序渐进、逐步升华的发展过程，需要广大教师在教学中大力推广和实践。