搭建思维阶梯重温科学史探究过程

摘 要：《探索遗传物质的过程》是高中生物必修二第四章《遗传的分子基础》的第一节，学生在学习过程中大多数只停留在记住实验基本过程上，并没有真正领会科学家在不断研究中所采用的技术以及设计思路，所以考试时对于出现的题目无从下手。如若我们在课堂教学实践中，搭起良好的思维阶梯，让学生参与科学家探索的过程，不断思考，那么对于这部分知识便可以轻松掌握。同时也能够让学生获得成就感，对生命科学研究产生浓厚的兴趣。本文笔者便以如何构架思维阶梯，谈一谈自己在教学实践中的一些思考。

关键词：思维阶梯;遗传物质;高中生物学

一、 巧设铺垫，填补教材思维断层

本节课课题为《探索遗传物质的过程》，所以重心在“遗传物质”这个词上。遗传物质是什么？这个问题对于学生现有的知识水平来说，很容易便可以答出来——“DNA”，但本节课是探索遗传物质到底是什么的过程，所以得让学生跟随科学家的脚步一步一步地去探索。在课堂开始之前，我采用了这样的导入方式：生活中经常会遇到这样一个场景——这孩子跟他爸爸长得真像。那么问题来了，“长得真像”是什么意思？用生物学知识怎么描述？那能不能说他爸爸跟他长得很像？这些问题虽然切入点很小，但却揭示了遗传物质的本质。接着我给出遗传的概念与原因。

遗传：子代与亲代个体之间相似的现象称为遗传。

原因：亲代通过遗传物质把遗传信息传递给子代，子代按照遗传信息生长、发育，因此子代总有与亲代相同或相似的性状。

学生根据所给内容自由讨论后，可以总结出一些遗传物质的特点，如可遗传、可控制生物性状、携带大量遗传信息等等。为什么这个地方我要设置这个环节呢？这是为了给后面格里菲思实验结论的分析作理论基础。

格里菲思用肺炎双球菌做完体内转化实验后得出结论：加热杀死的S型菌中必然存在某种“转化因子”，可以将R型菌转化为S型菌。当我们讲解到格里菲思结论时，学生必然会有疑问，不是要探究遗传物质是什么吗？怎么又多了个“转化因子”？“转化因子”和遗传物质是什么关系？那么这个地方便存在着思维断层，教材中并没有特别体现这一点。那么作为教师，我们需要思考“转化因子”和遗传物质的关系，当我们认真分析格里菲思做的第四组实验，我们不难发现，这个“转化因子”在行使遗传物质的功能。分析如下：

事实1：“转化因子”必然使R型菌出现了荚膜，使得转化的R型菌能够抵御小鼠体内免疫系统的伤害，表现出致死的能力，即转化为了S型菌，发生遗传性状的改变。

结论1：“转化因子”可控制生物性状。

事实2：科学家在第四组死亡小鼠体内剥离出了R型菌和少部分发生转化得到的S型菌，这些转化后得到的S型菌后代仍然为S型菌。

结论2：“转化因子”可遗传。

事实3：“转化因子”能够使R型菌转化为S型菌。

结论3：“转化因子”可遗传并且控制着生物的变异。

结合本节课开始前分析的遗传物质的特点，我们很容易便可以分析出“转化因子”便是遗传物质的结论。这样便可以解决学生内心的困惑，也可以让课堂走向一直围绕着“遗传物质”展开。

在格里菲思做完实验后，书上紧接着介绍了艾弗里实验，那我们如何做好这一部分的铺垫工作呢？书上积極思维中提到了一句话：“格里菲思的实验还不能说明遗传物质是什么。如果让你接替格里菲思的研究工作，进一步证明什么是遗传物质的话，你应该如何设计并实施实验？”那么根据书上这句话的引导，我将这个问题分散成几个小问题：

问题1：格里菲思结论中的“转化因子”具体是什么物质我们知不知道？你还在哪些地方听过“因子”这个词？

分析1：“转化因子”具体是什么谁也不知道。“因子”这个词在前面我们有接触过“致癌因子”和“遗传因子”。这些词的共同点就是我们不知道它具体是什么物质，但它确实是存在的，命名方式就是“功能”+“因子”。

问题2：如果你是格里菲思，肯定会想知道“转化因子”是什么物质，你有什么思路吗？

分析2：将S型菌各种组分分离提纯后，再分别研究他们的转化作用。

问题3：那么格里菲思为什么没有进一步展开相关研究呢？是他没有想到这个思路吗？

分析3：格里菲思时代不具备分离提纯条件，科学发展离不开技术的支持。

问题4：你是如何认识科学与技术之间关系的，对你有什么启示？

分析4：科学成果的取得必须有技术手段作保证，技术的发展需要以科学原理为基础，因此，科学与技术是相互支持、相互促进的。

问题5：如果将S型菌各组分分离提纯获得纯净物后，你将如何设计这个实验？

分析5：将S型菌各种组分分离提纯后分别与R型菌混合，注射到小鼠体内，观察小鼠死活，使小鼠致死的那一组便是加了“转化因子”。另外，我们也可以直接将S型菌各组分分离提纯后与R型菌混合，放入各组培养基中培养，如果菌落中出现光滑菌落，即表明出现了S型菌，这种组分便为“转化因子”，也就是遗传物质。

通过设置以上问题给小组讨论，学生自己便能够想出下一步的设计思路，并且他们的想法与接下来要介绍的艾弗里体外转化实验一致，在这个过程中，能够让学生获得学习的成就感并对生命科学研究产生兴趣。

二、 层层剥丝，突显科学探索精神

本节课旨在学生以生命科学史线路和科技发展线路重温科学家探索遗传物质的过程。所以在整个课堂教学中，可以按照遗传学时间发展顺序展开教学。

如对遗传物质的早期推测中：我们可以先从最初对遗传物质探索的科学家孟德尔回忆起，19世纪中期，孟德尔在做完8年豌豆实验后揭示了遗传学上两大定律，基因分离定律和基因自由组合定律。证明了生物的性状是由遗传因子控制的。后来丹麦科学家约翰逊将遗传因子更名为基因。20世纪初期，摩尔根通过果蝇实验证明了基因位于染色体上。当时科学家已经知道染色体主要由蛋白质和DNA组成，那么，这两种物质中，究竟哪一种是遗传物质呢？科学家大多认为遗传物质为蛋白质，因为氨基酸的多种排列顺序可能蕴含着遗传信息。简短几分钟的介绍，加深了学生对生命科学史的了解，并且让学生身临其境地思考问题，激发学生无穷的探索欲望。

在艾弗里体外转化实验中，书上给“S型菌DNA与R型菌混合”这一组实验加了一组对照实验：“S型菌DNA与DNA酶混合后与R型菌混合”。但设身处地地想一想，当时艾弗里的实验肯定不是一次完成的。是先发现“S型菌DNA与R型菌混合”这一组实验的培养基上出现了外表光滑的菌落，即S型菌的DNA为“转化因子”，为了验证结论的正确性，才设计了这一组实验的对照组，即“S型菌DNA与DNA酶混合后与R型菌混合”。目的是进一步确定是S型菌的DNA为“转化因子”。所以在课堂教学中，我们可以先了解下学生的探索思路，如果有不足的地方，可以加以补充，而不是直接将艾弗里实验展示在学生面前，这样做的目的是更好地还原探索过程中科学家的心路历程。

艾弗里体外转化实验能够得出结论：DNA是遗传物质，而蛋白质等其他物质不是遗传物质。我们回顾格里菲思体内转化实验中，S型菌的DNA为转化因子。但为什么已经被加热杀死的S型菌的DNA还能使R型菌转化呢？我们可以给出一段材料：聚合酶链式反应（PCR）原理，让学生在阅读材料过程中思考问题。通过思考，学生能够得知：当温度升高到90～95℃时，DNA双链自然解开;当温度回落到60～65℃时，DNA两条链之间的氢键自然恢复，即恢复活性。故而加热杀死的S型菌中的DNA仍然具有转化活性。

格里菲思与艾弗里开展的实验都是肺炎双球菌转化实验。那肺炎双球菌到底如何发生转化的呢？转化的实质又是什么？如图所示：

通过展示上图，学生可以清楚地知道肺炎双球菌是如何发生转化的。肺炎双球菌转化的实质便是基因重组。“转化”一词在生物必修课本中并不常见，选修中涉及农杆菌转化技术。在本节课教材中，“转化”一词出现频繁，所以我觉得有必要在这个地方给学生普及一下“转化”的知识，为后面学习基因重组和选修内容打下基础。

我们知道艾弗里实验设计思路非常好，但由于当时技术条件的不足，艾弗里提取出的DNA，纯度最高时，仍然混有0.02%的蛋白质，所以学术界对艾弗里的实验结论还是很质疑。艾弗里提取出的DNA纯度不足违背了他一开始的实验设计思路：将S型菌各组分分离提纯后与R型菌混合培养，单独直接地观察它们的作用。正是因为艾弗里实验存在不足，才会引入到T2噬菌体侵染大肠杆菌实验。但本着锻炼学生探索精神的目的，我们可以让学生对艾弗里提取的DNA纯度不够做出解决措施。学生可能会有以下两种方案：

方案1：将从S型菌中分离并提纯出的DNA进行加热处理，在高温条件下，DNA和蛋白质都会变性，当温度回落后，DNA复性，蛋白质活性不恢复，能够起到除杂的作用。

方案2：在从S型菌中分离并提纯出的DNA中加入蛋白酶处理，蛋白酶可以水解蛋白质。

以上两种方案是我们学生通过前面所学知识能够想到的，这些方案的提出我们需要给予表扬，接着我们让学生思考并讨论这些方案的可行性。方案2中蛋白酶可以除去蛋白质，但在除杂的过程中蛋白酶自身就是杂质，所以这种方案不可行。方案1的操作具有可行性，就是学生刚刚接触的格里菲思体内转化实验中的第四组实验。所以学生能够想到这个方法说明学生已经学以致用了。学生思考到这个地方求知欲已经上升到高潮，此时我们再来一句过渡语：到底如何将蛋白质和DNA彻底分开单独研究呢？这一问题将在下面一个实验：T2噬菌体侵染大肠杆菌实验中得以解决，勾起学生无限的好奇欲。

三、 结语

以上便是我在《探索遗传物质的过程》这节课中的一些教学感想，总的下来便是一句话：授人以鱼不如授人以渔。在教学过程中注重培养学生的思维品质，这便是我们应该努力的方向。当然，在实际教学实践中肯定还存在着诸多不足，但我相信，不断思考，注意倾听学生的声音，一定可以让生物课堂开出美丽而娇艳的花。

参考文献：

[1]周东美，曲桂玲.《DNA是主要的遗传物质》一课中生物學核心素养的培养[J].黑龙江教育学院学报，2017（7）：74-75.

[2]李珊珊.“DNA是主要的遗传物质”一节的教学设计[J].中学生物学，2018，34（9）：7-9.

[3]钟慧娟.“DNA是主要的遗传物质”一课学生的思维断层[J].中学生物学，2018（8）：26-27.

作者简介：

江苏云，江苏省南京市，南京市栖霞中学。