鐘慧娟 （廣州市南海中學(xué) 廣東廣州 510630）

在人教版高中生物學(xué)教材《必修2·遺傳與進(jìn)化》第三章第一節(jié)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的新授課設(shè)計(jì)中，筆者讓學(xué)生“重走探索之路”，以人類(lèi)早期對(duì)遺傳物質(zhì)的推測(cè)為問(wèn)題源頭，通過(guò)對(duì)“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”及“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”探索、討論和分析，讓學(xué)生親身體驗(yàn)科學(xué)研究的思路和方法。然而，學(xué)生在分析這兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到了知識(shí)的斷層，提出了一系列很值得討論與拓展的疑問(wèn)。筆者通過(guò)相關(guān)情境資料，引導(dǎo)學(xué)生邏輯推理，以學(xué)生的“知識(shí)斷層”為切入點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，創(chuàng)新思維和批判思維。

1 加熱后的S菌中“DNA”是轉(zhuǎn)化因子的原因

聯(lián)系蛋白質(zhì)變性失活的內(nèi)容，高溫會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆的變性失活。但該內(nèi)容隱含著學(xué)生的知識(shí)斷層——關(guān)于DNA的耐熱性問(wèn)題。

教學(xué)中，教師通過(guò)為學(xué)生提供相關(guān)閱讀材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行邏輯推理，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

拓展材料1：PCR是一種用于放大擴(kuò)增特定的DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)，它可看作是生物體外的特殊DNA復(fù)制。PCR的最大特點(diǎn)是能將微量的DNA大幅增加。因此，無(wú)論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點(diǎn)的DNA，就能用PCR加以放大，進(jìn)行比對(duì)。這也是“微量證據(jù)”的威力之所在。由1983年美國(guó)Mullis首先提出設(shè)想，1985年由其發(fā)明了聚合酶鏈反應(yīng)，即簡(jiǎn)易DNA擴(kuò)增法，意味著PCR技術(shù)的真正誕生。到如今2013年，PCR已發(fā)展到第三代技術(shù)。1973年，臺(tái)灣科學(xué)家錢(qián)嘉韻發(fā)現(xiàn)了熱穩(wěn)定的DNA聚合酶（即Taq酶），為PCR技術(shù)發(fā)展也做出了基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。

PCR是利用DNA在95°C高溫時(shí)變性會(huì)變成單鏈，低溫（約60°C）時(shí)引物與單鏈按堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則結(jié)合，再調(diào)溫度至Taq酶最適反應(yīng)溫度（72°C左右），Taq酶沿著磷酸到五碳糖（5′-3′）的方向合成互補(bǔ)鏈。基于Taq酶制造的PCR儀實(shí)際就是一個(gè)溫控設(shè)備，能在變性溫度，復(fù)性溫度，延伸溫度之間很好地進(jìn)行控制。就可以完成特定基因的體外復(fù)制。

田奇林老師在《做一位“發(fā)展學(xué)生高階思維能力”的積極踐行者》中指出：前天—— 授人以魚(yú)，“灌知識(shí)”“灌方法”，用自己的理解代替學(xué)生的理解；昨天——授人以漁，學(xué)會(huì)閱讀學(xué)習(xí)，變革接受學(xué)習(xí)；今天——授人以漁場(chǎng)，給學(xué)生提供信息場(chǎng)、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題場(chǎng)、留足探索場(chǎng)、提供創(chuàng)造場(chǎng)、建構(gòu)情感場(chǎng)，讓學(xué)生摸索著捕，如有不會(huì)，再有針對(duì)性地指導(dǎo)。資料拓展不是“魚(yú)”，也不是“漁”，而更是一種“漁場(chǎng)”，教師在課堂上不再是簡(jiǎn)單的知識(shí)傳遞、技能的教授，而是通過(guò)一定的問(wèn)題情境，讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用情境化知識(shí)，聯(lián)系舊知，從問(wèn)題探究中學(xué)會(huì)綜合分析，進(jìn)行問(wèn)題解決，鍛煉批判性思維和創(chuàng)造性思維。表1是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)行的提煉與比較。

表1 S菌加熱后DNA和蛋白質(zhì)的變化

顯然，學(xué)生踩準(zhǔn)信息點(diǎn)，聯(lián)系舊知，對(duì)格里菲思的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏饕粋€(gè)充分的解釋并表達(dá)：加熱殺死的S型菌蛋白質(zhì)失活，但DNA未失活。

2 格里菲思第四組實(shí)驗(yàn)中小鼠死亡的本質(zhì)原因

學(xué)生如果獲悉加熱殺死的S型菌DNA并未失活，則會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)理解誤區(qū)：只要有S菌的DNA，小鼠就會(huì)死亡。

教師出示題目：某研究人員模擬肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了以下4個(gè)實(shí)驗(yàn)：

①S型菌的DNA+DNA酶→加入R型菌→注射入小鼠

②R型菌的DNA+DNA酶→加入S型菌→注射入小鼠

③R型菌+DNA酶→高溫加熱后冷卻→加入S型菌的DNA→注射入小鼠

④S型菌+DNA酶→高溫加熱后冷卻→加入R型菌的DNA→注射入小鼠

以上4個(gè)實(shí)驗(yàn)中小鼠存活的情況依次是 （ ）

A.存活，存活，存活，死亡

B.存活，死亡，存活，死亡

C.死亡，死亡，存活，存活

D.存活，死亡，存活，存活

分析：正確答案為D選項(xiàng)。學(xué)生易誤判上述的實(shí)驗(yàn)③與④的小鼠都會(huì)死亡，誤判的原因是認(rèn)為小鼠體內(nèi)具有S菌的DNA就能導(dǎo)致小鼠死亡。

知識(shí)斷層之一：肺炎雙球菌是一種可以引起人類(lèi)肺炎和小鼠敗血癥的病原微生物。已知的肺炎雙球菌包括很多不同類(lèi)型的菌株，但只有光滑型（S型）菌株能引起疾病。S型菌株的細(xì)胞外表面有一層膠狀的多糖類(lèi)物質(zhì)——莢膜，它們通常不能被宿主的正常防護(hù)機(jī)構(gòu)所破壞，因而導(dǎo)致宿主感染。粗糙型（R型）菌株的細(xì)胞沒(méi)有莢膜包被，對(duì)宿主無(wú)毒性。光滑型菌株在培養(yǎng)基上形成明亮的光滑菌落，因而得名；粗糙型菌株無(wú)莢膜，菌落表面無(wú)光澤，顯得粗糙。教材中有介紹，但未能詳盡。

知識(shí)斷層之二：格里菲思第四組實(shí)驗(yàn)中，小鼠死亡的本質(zhì)原因是小鼠體內(nèi)存在著的活的S型細(xì)菌。能夠引起小鼠死亡的抗原不是S型菌DNA，而是S型菌的多糖與蛋白質(zhì)。學(xué)生尚未學(xué)習(xí)高中必修三“免疫調(diào)節(jié)”內(nèi)容，抗原的免疫反應(yīng)是本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)生認(rèn)知鏈接的斷層。

學(xué)習(xí)其實(shí)就是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，如果教師因?yàn)榇嬖谥R(shí)斷層而不斷地補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，勢(shì)必會(huì)削弱本節(jié)課落實(shí)的重要概念：DNA是主要的遺傳物質(zhì)。在大概念的形成過(guò)程中，需要有相應(yīng)的事實(shí)性知識(shí)和小概念作為支撐，但這些知識(shí)并不是越多越好，越深越好。教師可以通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類(lèi)比推理，解決這一誤區(qū)。格里菲思的第三組實(shí)驗(yàn)將加熱后的S菌注入小鼠體內(nèi)，S菌的DNA是有活性的，但最終小鼠存活。通過(guò)比較推理，學(xué)生分析問(wèn)題，反思實(shí)驗(yàn)的條件，僅有DNA進(jìn)入小鼠體內(nèi)，是不會(huì)致死的。對(duì)于免疫的本質(zhì)原因，教師可以在一輪復(fù)習(xí)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用免疫原理對(duì)本塊內(nèi)容進(jìn)行深度思考。

3 R菌轉(zhuǎn)化為S菌的條件與本質(zhì)

明確以上兩點(diǎn)后，學(xué)生仍對(duì)R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌的條件與本質(zhì)充滿疑問(wèn)。實(shí)質(zhì)上，學(xué)生面臨的知識(shí)斷層為天然的基因重組。學(xué)生在學(xué)習(xí)孟德?tīng)栠z傳規(guī)律時(shí)，初步接觸了基因重組（包括非同源染色體上非等位基因的自由組合及同源染色體非姐妹單體的交叉互換），然而真正的基因重組概念要在必修二第五章中明確。

在肺炎雙球菌中，加熱滅活的S型細(xì)菌遺留下了完整的細(xì)菌DNA的各個(gè)片段，其中包括控制莢膜形成的基因，即S基因。這一片段從S細(xì)菌中釋放出來(lái)，并且在后繼的培養(yǎng)中被一些感受態(tài)的R型細(xì)菌所攝取，S基因的DNA以雙鏈的形式在R型細(xì)菌細(xì)胞的幾個(gè)位點(diǎn)上結(jié)合并被切割。核酸內(nèi)切酶首先切斷DNA雙鏈中的一條鏈，被切割的鏈在核酸酶的作用下降解，成為寡核苷酸釋放到培養(yǎng)基中，另一條鏈與R感受態(tài)細(xì)菌的特異蛋白質(zhì)結(jié)合，以這種形式進(jìn)入細(xì)胞，并通過(guò)同源的重組以置換的方式整合進(jìn)入R細(xì)菌的基因組中，使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。實(shí)際上，轉(zhuǎn)化被整合了S菌DNA的R菌并不是純粹的S型細(xì)菌，而是S與R的二合一菌，但對(duì)小鼠有致死性。然而教材只強(qiáng)調(diào)格里菲思第四組實(shí)驗(yàn)，在死亡的小鼠體內(nèi)檢測(cè)到S活菌。

圖1 學(xué)生活動(dòng)一

以“基因重組”知識(shí)斷層為切入點(diǎn)，教師可以順利引出艾弗里實(shí)驗(yàn)——S菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)表明R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌的條件不僅需要S菌的DNA，且需要R活菌（且部分能處于感受態(tài)）。教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行批判性思維，明確艾弗里實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皸l件對(duì)照的目的后，可以批判地提出問(wèn)題：格里菲思實(shí)驗(yàn)第四組死亡的小鼠體內(nèi)，只有S活菌嗎？顯然不是的，學(xué)生通過(guò)逆向思維，進(jìn)一步明確了S菌轉(zhuǎn)化的條件，且這種轉(zhuǎn)化的本質(zhì)從分子水平的解釋可以為以后的基因重組學(xué)習(xí)作一個(gè)知識(shí)鋪墊。

4 “噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”標(biāo)記與檢測(cè)問(wèn)題

“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”是驗(yàn)證DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的研究背景、設(shè)計(jì)思路、科學(xué)方法都是較好的科學(xué)教育素材，運(yùn)用得當(dāng)，可以較好地讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)知識(shí)的發(fā)生過(guò)程，并提升學(xué)生的分析、思維、探究等方面的能力。由于這是學(xué)生無(wú)法親自操作的實(shí)驗(yàn)，缺乏感性認(rèn)識(shí)。在新授課中，筆者通過(guò)圖片，多媒體課件創(chuàng)設(shè)了學(xué)生活動(dòng)環(huán)節(jié)在圖中標(biāo)記32P的位置并畫(huà)出指示線（圖1），發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解仍有誤區(qū)。

誤區(qū)一：學(xué)生會(huì)在③與④上寫(xiě)上32P，但會(huì)將32P的指示線畫(huà)向大腸桿菌體內(nèi)的所有噬菌體的DNA。

噬菌體內(nèi)DNA雖然注入進(jìn)大腸桿菌體內(nèi)，但在大腸桿菌體內(nèi)新合成的DNA并不全部含有32P，這一點(diǎn)的知識(shí)斷層為：DNA的半保留復(fù)制。

誤區(qū)二：學(xué)生對(duì)圖B的解釋是上清液是蛋白質(zhì)外殼無(wú)放射性，沉淀是大腸桿菌有放射性。事實(shí)上書(shū)本上對(duì)該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示是上清液放射性很低，沉淀物的放射性很高。

學(xué)生缺乏問(wèn)題意識(shí)，習(xí)慣機(jī)械思維。DNA的半保留復(fù)制雖未學(xué)到，但在新授課中，教師應(yīng)鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生積極小組討論：噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，注入本身的DNA，而DNA在大腸桿菌體內(nèi)發(fā)生什么活動(dòng)。教師要鼓勵(lì)學(xué)生用自己的規(guī)范語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。通過(guò)思考、交流、分享、質(zhì)疑等學(xué)生思維活動(dòng)，部分學(xué)生表達(dá)自己觀點(diǎn)。噬菌體侵入的DNA僅是一份模板，這份模板在大腸桿功內(nèi)復(fù)制大量的同種DNA，并制造出大量的噬菌體外殼，原料全部來(lái)自大腸桿菌，而大腸桿菌并未標(biāo)記32P，所以最后釋放出來(lái)的子代噬菌體并不是全部含有32P，僅有當(dāng)初注入的模板有32P。

真正的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間存在差異。教材中噬菌體侵染細(xì)菌的圖片表明噬菌體侵染細(xì)菌不是個(gè)別行為，而是集體行為。在整個(gè)侵染過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)需要短時(shí)間的保溫，然后攪拌與離心，噬菌體侵染持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，不可避免導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。如圖1實(shí)驗(yàn)中上清液放射性很低的原因可能是保溫時(shí)間過(guò)短，某些噬菌體因沒(méi)來(lái)得及侵入而留在上清液；或者保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致某些細(xì)菌因時(shí)間過(guò)長(zhǎng)已經(jīng)裂解，從而存在于上清液。解決上述問(wèn)題，必須深入思考實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟的目的與原因，以及該步驟的注意事項(xiàng)，要從一個(gè)操作者的角度去思考才能有所收獲，從而解決問(wèn)題。

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。該節(jié)內(nèi)容以科學(xué)家思路進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生多種學(xué)習(xí)能力和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的最佳方法和途徑。然而，教師應(yīng)注意該節(jié)內(nèi)容中學(xué)生的各種知識(shí)斷層，包括免疫反應(yīng)、PCR技術(shù)、DNA的半保留復(fù)制、噬菌體侵染細(xì)菌的過(guò)程、天然的基因重組及放射性同位素標(biāo)記的原理等。在新授課教學(xué)中，如果教師能化斷層知識(shí)為情境分析材料，逆向引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行批判思維，創(chuàng)新思維，積極回歸課本，化“知識(shí)斷層”為學(xué)生科學(xué)思維的切入點(diǎn)，會(huì)使學(xué)生對(duì)核心概念的理解更深刻，將知識(shí)線變?yōu)樗季S線并轉(zhuǎn)化為自身的能力，真正落實(shí)生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。