深度学习科学史 培养生物科学素养

2017-10-11 05:31:42谢志华福建省三明市第二中学福建三明365000
生物学通报 2017年10期
关键词:遗传物质噬菌体生物学

谢志华 (福建省三明市第二中学 福建三明 365000)

生物学是自然科学中的一门基础学科,它不仅是一个结论丰富的知识体系,也包括了人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究过程。高中生物学课程既要让学生获得基础的生物学知识,又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法[1]。

在2017年的高考试题中,就充分体现了这一思想,例如,2017年新课程标准Ⅰ卷理综生物学试题第29题:

根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒2种类型,有些病毒对人类健康会造成很大危害,通常,一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换,请利用放射性同位素标记的方法,以体外培养的宿主细胞等为材料,设计实验以确定一种新病毒的类型,简要写出:1)实验思路。2)预期实验结果及结论即可。(要求:实验包含可相互印证的甲、乙 2个组)

此题对考生实验探究能力提出了较高的要求,特别注重对实验思想的考查,完成此题,首先需明确遗传物质的功能,即复制和表达;病毒的增殖,离不开遗传物质的复制,复制就需要原料,题目要求用放射性同位素标记的方法,即提示学生可模仿科学史中噬菌体侵染细菌的实验,区分遗传物质是DNA还是RNA,与区分遗传物质是DNA还是蛋白质的思路类似,而2种核酸各自含有的特殊碱基是U和T,由此可分析出实验的基本思路。此题的编写明显取材于“DNA是遗传物质”这一部分科学史。学生在学习这部分知识时,若能真正深入理解、领会和思考每一步的实验思路,同位素标记的原理,分析实验过程中的每一个现象,解答该题并不难。然而有相当多的学生交了白卷,作为教师,应引起思考,在进行这一部分知识教学时,是否过于平面化,对学生的要求仅仅是记住实验方法、实验结果,学生缺乏深度思考,没有质疑,其思维也是平面化的,仅将此研究过程当作一个知识记忆,没有深度理解实验,若缺乏相当的生物科学素养,是不可能完成实验设计的。此题的出现,应引起高中生物学教师的思考,也指出了高中生物学教学的方向,培养学生的科学探究能力是高中生物学教学的重要任务,而科学史的教学是培养学生科学探究能力的良好素材。本文结合2个教学案例,阐述如何深度学习生物科学史。

1 问题引导,思维对话,培养批判性思维

在进行DNA是遗传物质的科学史教学时,格里菲思做了如下4组实验(图1),

图1

教师首先提出问题:前3组的实验结果分别说明什么?d组实验与前3组对比,推测是什么导致小鼠死亡?c组实验说明加热的S型细菌是无毒的,b组实验说明R型细菌是无毒的,2组无毒的混合注射为何引起小鼠死亡?从a实验得出结论S型活菌有毒,而在d组死亡老鼠体内也分离到S型活菌,由此推断:在小鼠体内S型细菌将R型细菌转化为S型菌。紧接着引导学生思考问题:S型细菌内有多种物质,谁才是转化因子?如何判断?教师利用《滥竽充数》的典故引导学生,要想知道谁吹得最好,方法是什么?——单独表演,从而引导学生思考实验思路:将S型细菌的各种成分分离、提纯,单独与R型细菌混合培养,能将R型细菌转化的物质即为“转化因子”。从而转入学习艾弗里的体外转化实验。在体外培养转化实验中,提出有质量问题同样是思维引导的良方,例如,为什么DNA加DNA酶的那组实验没有发生转化?由此说明,DNA的单位是不能行使遗传物质的功能的,只有具有特定结构的DNA分子才是遗传物质,正如氨基酸不能行使蛋白质的功能一样,由此让学生理解一定的功能需要一定的结构支撑,从而理解结构决定功能这一生物学观念。

在“噬菌体侵染细菌实验”教学中,为便于学生理解实验的微观过程,可先利用板画介绍噬菌体侵染细菌产生子代噬菌体的过程,通过图解实验过程中的每个步骤,学生可想象发生的微观过程,能更好地分析和推理,从而理解实验的本质。在具体教学中,教师仍可提出许多问题与学生进行思维对话:如何看到DNA或蛋白质在实验过程中的去路?(用同位素标记法。)用什么元素标记?是二者共有的还是特有的?(要标记特有的元素,即P和S。)同时标记还是分别标记?(必须分别标记才能看清各自去路。)如何标记?是否可用培养基直接标记?(噬菌体是寄生的类型,只能先标记细菌,再用细菌标记病毒。)在实验过程中,搅拌的目的是什么?放射性出现的位置反映了什么?什么时间搅拌?太早搅拌或太晚搅拌会出现什么情况?在最后新形成的噬菌体中是否有放射性?说明什么?即便有放射性,是所有子代噬菌体都有吗?(只有2个,与半保留复制联系。)该实验证明了DNA是遗传物质,它同时也说明了遗传物质的什么功能?(复制和表达,或者说控制性状。)

类似这样的科学发现有很多,例如促胰液素的发现、生长素的发现、酶的发现等。若在教学中让学生象海绵一样吸收,仅记忆每个实验的内容、步骤、结论,则学生就仅能记住这些知识本身,而更重要的思维能力没有得到训练,自然也谈不上科学素养,只有在教学中尽可能多地提出有质量的问题,激发学生的思维,不断思考、质疑科学家为什么这么做?依据是什么?合乎逻辑吗?能推出什么结果?经常进行师生思维对话,可帮助学生发现最有价值的观点,培养学生的批判性思维。可以说,生命科学的每一项成果,就是在质疑、分析、推理、评价和检验中得出的。

2 尝试假说-演绎法,让学生重走科学发现之路

一些重要科学理论的提出,往往经过了许多科学家的不断探索和不懈努力,甚至失败。经历无数次的假说—演绎—实验,最终才成为学说。高中生物学课程标准中提出,从生命观念、理性思维、科学探究和社会责任4个方面发展学生的核心素养。因此,科学探究能力的培养,无疑是高中生物学课程的一项重要任务。而在中学阶段引导学生开展科学探究,就是要在教学中让学生主动参与学习过程,模仿科学家的科学探究过程,在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设和发现规律等过程中习得生物学知识,养成理性思维的习惯,形成积极的科学态度,发展终身学习的能力[2]。

在科学史教学中,可让学生尝试当一次科学家,利用资料中提供的信息、数据,思考可提出哪些假说,根据假说,设计验证假说的方法,演绎推理可能出现的实验结果,最后得出正确的结果。

以“DNA的半保留复制方式”的教学为例,从复印一份资料入手,向学生介绍半保留复制和全保留复制,复印件上的信息与原件完全相同,但复印纸是全新的,这就是全保留复制,以此为基础说明半保留复制的含义,在此基础上让学生尝试利用假说-演绎法开展探究:第1步,先介绍当时提出的几种复制的假说,半保留复制方式、全保留制方式、弥散复制方式等。第2步,让学生根据不同的假说,进行演绎推理,尝试画出几种复制方式的模式图(图2)。

图2

学习的重点是让学生判断DNA复制是全保留还是半保留复制方式。提出问题:画图可用不同的颜色表示不同的链,实验中该如何区分?即如何区分子一代的DNA的2条链成分是相同的还是不同的?从而判断哪种方式是真实的?引导学生从已学过的噬菌体侵染细菌实验,以及分泌蛋白的合成和分泌实验,提出同位素标记的方法。

介绍实验1和实验2,基于此,让学生根据半保留复制和全保留复制2种不同的假说,演绎推理,预测并画出实验3和实验4的结果图(图3)(细菌每20 min复制一代)。

图3

图4

图4是学生画的半保留复制的预期结果,而若是全保留复制,则实验3和实验4结果都是有轻、重2条带,没有中间带。这是学生根据假说演绎推理的实验结果。最后一步验证结果:通过资料对比,真实的实验现象与图4的一致,从而证明DNA的复制方式是半保留复制。这样,学生亲自进行了一次假说演绎的研究过程,体验做科学,同时进行了科学思维训练。它的价值要远胜于让学生记住多少个实验过程,这种方法能极大激发学生的积极性和学习热情,并体验科学研究的快乐。

重视科学史教学,让学生亲历科学家提出问题,做出假设,寻找证据,检验假设、得出结论的科学发现过程,重走科学发现之路,既体会科学研究艰辛,也感受科学发现的乐趣,感受做科学并非遥不可及,既能培养学生的理性思维,也能培养学生的科学态度和科学精神,从而真正发展学生的核心素养。

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