利用生物学史组织探究性学习的案例及反思

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摘 要 以T2噬菌体侵染细菌实验的教学为例，介绍如何利用生物科学史上的经典实验组织探究性学习，并结合案例对科学史教学和探究性学习进行反思。

关键词 科学史 探究性学习 案例 反思

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

文件编号： 1003 - 7586（2016）06 - 0029 - 03

1 教学案例：在T2噬菌体侵染细菌实验的教学中组织探究活动

本案例的科学史背景：艾弗里从肺炎双球菌体外转化实验，得出DNA是遗传物质的结论。但由于该实验DNA提取不纯，无法将DNA和蛋白质完全区分开，影响了实验结果的可信度。

教师提出问题：为了判断蛋白质和DNA哪种是遗传物质，应如何进一步进行探究？

“想办法将蛋白质和DNA真正区分开，分别观察蛋白质和DNA的作用。”学生很快作出了回答。

教师首先肯定学生的回答，并要求学生以寄生在大肠杆菌体内的病毒――T2噬菌体为实验材料进行探究实验。

教师提供背景知识：T2噬菌体的化学组分中60%是蛋白质，40%是DNA；噬菌体侵染细菌时，将自身遗传物质注入细菌体内，并在自身遗传物质的作用下，利用细菌体内的物质来合成自身的组成成分，从而进行增殖；之后细菌裂解，子代噬菌体释放出来。

每6名学生组成1个学习小组，各小组分组讨论实验方案。通过讨论，各组分别找到突破口，纷纷发表意见。

有一学习小组提出：T2噬菌体侵染细菌后，将自身遗传物质注入细菌体内，那我们关键要搞清楚注入细菌体内的是蛋白质还是DNA。

还有一个小组提出：生物课上，我们探讨过遗传物质的特征，其中有一条是遗传物质在亲代和子代之间具有连续性。我们可以研究子代噬菌体“继承”了亲代噬菌体的什么物质。

教师表扬这两组抓住了问题的关键，并让他们各插上一面象征胜利的“探索旗”。

教师：这两种思路都非常好！那么，我们兵分两路，开始探究之旅。临行时，我给大家一个锦囊――里面有一些神奇的工具，例如能跟踪某种生物大分子的“跟踪小人”等。同学们遇到技术上的难题可以求助于它。好了，开始设计实验吧！

各学习小组继续设计实验。

教师巡视指导，并挑选了方案比较有代表性的两个小组进行展示。小组展示后，各小组再继续进行讨论。全班学生集思广益，实验方案得到进一步改善（这两个小组以及提出了建设性意见的小组都获得了探索旗）。

以下是学生设计出的两种实验方案：

[方案A]

拟解决的问题是：当T2噬菌体侵染细菌时，注入细菌体内的是蛋白质，还是DNA？

实验设计：利用锦囊里的“跟踪小人”，对T2噬菌体的DNA和蛋白质分别进行跟踪。用噬菌体感染细菌，待遗传物质注入细菌体内后，把细菌（内含噬菌体的遗传物质）和留在细菌外面的噬菌体颗粒分离开。从“跟踪小人”发出的信号，就可以知道DNA和蛋白质哪个在细菌体内哪个在细菌体外。

注入细菌体内的就是遗传物质；留在细菌外的则不是遗传物质。

[方案B]

拟解决的问题是：子代T2噬菌体“继承”了亲代噬菌体的什么物质？

实验设计：利用锦囊中的“跟踪小人”，对T2噬菌体的DNA和蛋白质分别进行跟踪。待细菌裂解后，观察子代噬菌体是否含有亲代的蛋白质或DNA。

如果子代噬菌体含有亲代蛋白质，则说明蛋白质在亲代与子代之间具有连续性，那么蛋白质是遗传物质；反之则说明蛋白质不是遗传物质。

同理，通过辨别子代噬菌体是否含有亲代DNA，判断DNA是不是遗传物质。

教师对这两个方案给予了充分肯定，并继续提出问题：同学们借用的“跟踪小人”，其神奇之处在于能把DNA和蛋白质区分开来，分别跟踪。我们怎样从现实中找到这样的工具呢？

教师提供继续探究的背景知识：对T2噬菌体的蛋白质和DNA的分析表明，硫元素仅存在于蛋白质分子中，几乎所有的磷元素都存在于DNA分子中。

各学习小组立刻展开了讨论。很快，有一个学习小组表示他们获得了重大发现：上学期学过的“同位素标记法”能实现“跟踪小人”的功能。分别用P和S的同位素作示踪元素，可以实现对DNA和蛋白质的分别标记，并可利用其放射性进行追踪。

学生大受启发，积极对上述两个方案进行调整，最先完成的两个小组获得了成果权。

以下是学生调整过的实验方案：

[方案A]

用32P标记T2噬菌体的DNA，进行侵染实验。待遗传物质注入细菌体内后，把细菌（内含噬菌体的遗传物质）和留在细菌外面的噬菌体颗粒分离开来，进行放射性同位素检测。

如果在被感染的细菌中检测到放射性，则说明DNA被注入细菌体内，DNA是遗传物质；如果在细菌外的噬菌体颗粒中检测到放射性，则说明DNA不是遗传物质。

同样，再用35S标记T2噬菌体的蛋白质，做同样的侵染实验，检测判断蛋白质是不是遗传物质。

[方案B]

用32P标记T2噬菌体的DNA，进行侵染实验。待细菌裂解后，对子代噬菌体进行放射性同位素检测。

如果在子代噬菌体中检测到被32P标记的DNA，则说明DNA在亲代与子代之间具有连续性，DNA是遗传物质。若检测不到，则说明DNA不是遗传物质。

同样，再用35S标记T2噬菌体的蛋白质，做同样的侵染实验，检测判断蛋白质是不是遗传物质。

“非常好！”教师对学生能很好地整合以前学过的知识感到很满意（这两个小组获得探究旗）。教师继续提问：“这两个方案都提到用磷的同位素和硫的同位素来分别标记噬菌体，如何实现这种标记呢？”

各小组又开始了热烈讨论。不久，有小组找到了合理可行的方法――先制备含有32P的培养基，在其中培养细菌。用普通噬菌体侵染此细菌，获得的子代噬菌体即实现了被磷的同位素标记。同理可获得被硫的同位素标记的噬菌体。

教师赞赏地示意该组插探究旗，并适时引导学生深刻认识技术与科学相互促进的辩证关系。

教师继续组织讨论，要求学生对两种设计方案进行比较，找出它们的区别和联系。

这个任务比较简单，各小组都踊跃回答。经过前面的几轮发言，小组间已拉开差距。此时教师特地请了一个在此次探究过程中表现相对较弱的组来回答。虽然该小组的答案不够完整，但仍然得到了探究旗。

经过其他小组的补充，学生形成了较为全面的观点：两个实验方案的基本思路相同，都是将DNA与蛋白质分开来观察；实验技术、方法也一脉相承。不同点在于探究的切入点不同，方案A在细菌裂解前进行放射性同位素检测，分辨被作为遗传物质注入细菌体内的是蛋白质还是DNA；而方案B则抓住了遗传物质在亲代和子代之间具有连续性的特征，在细菌裂解后对子代噬菌体进行同位素检测。

教师十分满意学生能够进行细致准确的分析比较，并且告诉学生，他们的设计与科学家不谋而合。学生的兴趣被调动起来，他们非常想了解科学家的经典实验。他们兴致勃勃地听教师介绍1952年赫尔希和蔡斯完成的噬菌体侵染细菌的实验过程。

“太好了！”学生为自己能与科学家想到一起感到非常自豪。“实验结果呢？”学生急切地想验证自己的假设。

教师介绍了实验结果：

（1） 用32P标记的一组侵染实验主要在被感染的细菌中检测到放射性同位素；用35S标记的实验，则主要是留在细菌外的噬菌体颗粒中能检测到放射性同位素。

（2） 细菌裂解后，在释放出的大量噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA而不能检出35S标记的蛋白质。

学生若有所思，仔细地思考本组设计的实验方案。

稍后，教师提出问题：实验的结论是什么？

“DNA是遗传物质！”学生异口同声地回答。

教师要求学生根据实验方案和结论，完成表1。

接着，教师组织学生对这个经典实验能够成功的原因进行小结。

学生由衷赞叹科学家选取噬菌体作为实验材料的高明之处，实验设计严谨巧妙，离心分离和同位素标记等技术为实验提供了强大的支撑，并且认识到科学家必然经历了艰辛漫长的探索过程。学生在老师指导下进行的探究实际上是简化了的模拟活动，可以说，学生的探究是站在巨人的肩膀上完成的。

最后，各组汇报战果――探索旗的数目。在学生们的掌声和欢笑声中，本次探究之旅圆满结束。

2 反思

2.1 充分运用科学史组织探究性学习

一部科学史就是一部探究史，正如美国科学史家萨顿所说：“一部科学史，在很大程度上就是一部工具史，这些工具，无论有形或无形，都是由一系列人物创造出来，以解决他们遇到的某些问题，每种工具和方法都是人类智慧的结晶。”科学史的内容在很大程度上反映了科学家的探究活动与方法，是理解科学探究、掌握科学方法的良好范例。教师利用生物学史组织探究性学习，可以让学生站在巨人的肩膀上，亲历探究过程、领悟科学方法、获取科学知识、提高科学精神。在教学中，教师应充分运用科学史组织探究性学习。

2.2 处理好预设和生成的关系

有生命力的课堂是生成性的课堂。在生成性的课堂上，教师提出开放性的问题，组织学生进行有效的讨论，倾听真实的声音，注重发挥学生的主体性，而不是把学生直接引向“标准答案”。在本案例中，学生设计的方案多种多样，各有特点。教师在巡回指导时，对各种方案进行单独点评，然后选取具有代表性的方案交给全体学生共同研讨改进。

2.3 合理调控探究的难度

探究活动对学生的思维能力提出了一定的要求，教师应通过认真分析、精心设计，使这些要求落在学生的最近发展区。教师应控制好问题的难度和梯度，适时启发引导学生，确保探究活动顺利、有效地进行。否则，探究容易沦为漫无目的的讨论和盲目的摸索。例如，本案例中教师先提供“锦囊”，再引导学生寻找合适的实验技术，意在把实验设计与寻找技术支撑两个任务分开，逐一解决，从而降低探究难度。“锦囊”的设计是为特定的教学对象量身定做的，如果换成思维能力更强的学生，则可略去此环节，增大思维跨度，以适应学生的内在需求。

2.4 重视形成性评价

形成性评价强调对学生的学习过程进行持续的评价──不仅评价学生对知识的掌握情况，更为重要的是，要对他们在学习过程中的表现、所取得的成绩以及所反映出来的情感、态度、学习策略等方面的情况进行评价。本案例中，学生郑重其事地画下的“探索旗”是脑力劳动的见证、良好表现的奖励和竞争优胜的标志，是教师的肯定，更是自我的肯定。在“探索旗”的激励下，学生兴趣更浓、热情更高、信心更强，从而有力地保证了探究活动的参与度，提升了教学效果。另外，“探索旗”传递给学生“努力就有奖励，奖励来自努力”的感受，促使学生把成功归结于自己的能力和努力，逐步形成良好的归因倾向。这有助于学生形成积极进取的品质，对他们的长远发展是大有裨益的。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准[S].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 顾明远.核心素养：课程改革的原动力[J].人民教育，2015（13）.

[3] 汪忠.生物新课程教学论[M].北京：北京高等教育出版社，2003.