金交通

(江蘇省常州市北郊高級(jí)中學(xué) 常州 213031)

思維品質(zhì)是人的思維個(gè)性特征，它反映了每個(gè)個(gè)體智力或思維水平的差異，主要包括思維的敏捷性、批判性、深刻性、靈活性和創(chuàng)造性，思維品質(zhì)的改善可有效促進(jìn)科學(xué)思維能力的提升。筆者以人教版高中生物學(xué)教材必修2中“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)為例，探討如何以思維品質(zhì)培養(yǎng)為著眼點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程。

1 問(wèn)題串聯(lián)，開(kāi)啟思維的敏捷性

思維的敏捷性是指在解決科學(xué)問(wèn)題時(shí)能迅速、準(zhǔn)確地將問(wèn)題信息輸入到頭腦中，利用原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，找出問(wèn)題的關(guān)鍵所在，并迅速、適當(dāng)?shù)靥崛≈R(shí)和方法，快速解決未知問(wèn)題的能力。

本節(jié)內(nèi)容是基于教材中有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已知染色體在前后代的遺傳中起到至關(guān)重要的作用。在此基礎(chǔ)上可以采用問(wèn)題串聯(lián)的形式建立起已知和未知之間的橋梁，提升學(xué)生思維的敏捷性。設(shè)計(jì)問(wèn)題串如下： ①什么是遺傳物質(zhì)？②誰(shuí)才是遺傳物質(zhì)？③作為遺傳物質(zhì)必須具備哪些條件？根據(jù)所提問(wèn)題要求學(xué)生根據(jù)前面所學(xué)知識(shí)，深入理性分析和判斷。根據(jù)染色體是聯(lián)系親子代的紐帶，而其主要成分是DNA和蛋白質(zhì)，迅速得出： 遺傳物質(zhì)可能是DNA或蛋白質(zhì)或兩者共同起作用的推論。再根據(jù)作為遺傳物質(zhì)必須具備分子量大、種類(lèi)多，便于攜帶遺傳信息，結(jié)構(gòu)要相對(duì)穩(wěn)定且能自我復(fù)制，并能產(chǎn)生可遺傳變異等條件，對(duì)遺傳物質(zhì)進(jìn)行理性分析，初步得出DNA才是遺傳物質(zhì)的推論。這一過(guò)程前后聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣，可以有效訓(xùn)練學(xué)生思維的敏捷性和嚴(yán)密性。

2 質(zhì)疑解難，喚醒思維的批判性

批判性思維是指學(xué)生能對(duì)別人或自己的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行反思、質(zhì)疑，對(duì)生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)分析與評(píng)價(jià)，做出理性判斷的能力。生物科學(xué)史內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生思維批判性的良好素材。

本節(jié)課內(nèi)容學(xué)生在理性分析的基礎(chǔ)上得出DNA是遺傳物質(zhì)的推論后，便需尋找實(shí)驗(yàn)證據(jù)。筆者先簡(jiǎn)單介紹了肺炎雙球菌及格里菲斯的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程(圖略)。

學(xué)生依據(jù)對(duì)照原則分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很快就得出了教材中的結(jié)論： 加熱殺死的S型細(xì)菌中存在某種轉(zhuǎn)化因子，將無(wú)毒性的R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化成了有毒的S型活細(xì)菌。教師緊接設(shè)問(wèn)： 從實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果來(lái)看一定能得到這樣的推論嗎？還有沒(méi)有其他可能呢？從而喚醒學(xué)生思維的批判意識(shí)。思考討論后有學(xué)生提出： 第4組實(shí)驗(yàn)分離出的S型活菌還可能是由R型活菌突變而來(lái)。隨后教師給出資料鏈接作為學(xué)習(xí)支架： 肺炎雙球菌根據(jù)其莢膜的有無(wú)和構(gòu)成莢膜的多糖不同，可分為R-Ⅰ、 R-Ⅱ、 R-Ⅲ、 S-Ⅰ、 S-Ⅱ、 S-Ⅲ等不同亞型，并且R型菌和S型菌只能在同種亞型之間發(fā)生突變。根據(jù)材料，你能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定第4組實(shí)驗(yàn)的S型菌究竟是由R型菌轉(zhuǎn)化而來(lái)，還是由R型菌突變而來(lái)？學(xué)生分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，師生共同探討，拿出可行方案(圖1)。

圖1 學(xué)生設(shè)計(jì)的肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化再實(shí)驗(yàn)

這一方案排除了R-Ⅱ型菌和S-Ⅲ型菌之間相互突變的可能，從而得出第4組實(shí)驗(yàn)中分離出的S-Ⅲ型活菌是由R-Ⅱ型活菌在轉(zhuǎn)化因子的作用下轉(zhuǎn)化而來(lái)。學(xué)生通過(guò)對(duì)教材實(shí)驗(yàn)結(jié)論的質(zhì)疑、反思、總結(jié)、再實(shí)驗(yàn)過(guò)程，批判性思維能力在不自覺(jué)中得到提升。

3 刨根問(wèn)底，訓(xùn)練思維的深刻性

深刻性是指思維活動(dòng)的抽象和邏輯推理水平，表現(xiàn)為能深刻理解概念，分析問(wèn)題周密，善于抓住事物的本質(zhì)和規(guī)律。思維的深刻性是深度學(xué)習(xí)的重要特征。本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)分為明暗兩條線(xiàn)，明線(xiàn)即科學(xué)史教學(xué)，暗線(xiàn)則是隱藏在科學(xué)史背后的科學(xué)思維和方法。如果僅是將科學(xué)史實(shí)介紹給學(xué)生，學(xué)生將只會(huì)記住相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流程和結(jié)論，這種學(xué)習(xí)是淺層次的，學(xué)生只知其然而不知其所以然，思維缺乏深刻性。

筆者在教學(xué)過(guò)程中并沒(méi)有把艾弗里等人的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)直接介紹給學(xué)生，而是在格里菲斯體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析： ①如果你是格里菲斯，想知道轉(zhuǎn)化因子究竟是什么物質(zhì)，你有什么思路嗎？(學(xué)生思考后提出將S型菌的各種組分分離提純后再分別去研究它們的作用。)②那么格里菲斯為什么沒(méi)有進(jìn)一步展開(kāi)相關(guān)研究呢？是他沒(méi)有想到這個(gè)思路嗎？(格里菲斯時(shí)代不具備分離提純的條件，明白科學(xué)發(fā)展離不開(kāi)技術(shù)的支持。)③如果將S型菌的各組分分離提純獲得純凈物后，你又如何設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)？(思考、討論后師生共同提出設(shè)計(jì)方案，圖2)④設(shè)置第(6)組實(shí)驗(yàn)的目的是什么？(進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)化因子是DNA，而不是其他物質(zhì)。)⑤分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，最終能得到什么實(shí)驗(yàn)結(jié)論？(S型菌的DNA才是使R型菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，即DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)等其他物質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。)⑥為什么S型菌的DNA能使R型菌發(fā)生轉(zhuǎn)化？這種轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)是什么？(S型菌的多糖莢膜基因整合到了R型菌的DNA中，并且表達(dá)出來(lái)，這種轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)是基因重組。)⑦已經(jīng)加熱殺死的S型菌的DNA為什么還能使R型菌發(fā)生轉(zhuǎn)化？其DNA還具有遺傳功能嗎？DNA不會(huì)像蛋白質(zhì)一樣變性嗎？(引導(dǎo)學(xué)生分析DNA和蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性不同，以及DNA變性的可逆性，為后面“DNA的粗提取和鑒定”及“PCR技術(shù)”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)解除學(xué)生心中的疑惑。)

圖2 學(xué)生設(shè)計(jì)的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

通過(guò)這種刨根問(wèn)底式的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠順利消化教材中的科學(xué)史內(nèi)容，更重要的是對(duì)科學(xué)家的科學(xué)思維方式有了更深層次的領(lǐng)會(huì)與應(yīng)用，達(dá)到了深度學(xué)習(xí)的要求，有效提升了思維品質(zhì)。

4 觸類(lèi)旁通，培植思維的靈活性

學(xué)生思維的靈活性主要表現(xiàn)在是否善于將已學(xué)過(guò)的知識(shí)和方法靈活遷移到新的情境，是否善于從不同的角度和方向去思考并解決問(wèn)題。靈活性是衡量個(gè)體思維靈活程度的重要指標(biāo)。

噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)需要使用放射性同位素標(biāo)記法和攪拌離心等技術(shù)，這些知識(shí)學(xué)生在前面均有所接觸，因此無(wú)需贅述，只要利用學(xué)生思維的靈活性，引導(dǎo)其回顧舊知并進(jìn)行知識(shí)遷移即可。筆者在該部分教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)了“噬菌體侵染細(xì)菌的猜想”這一環(huán)節(jié)，用來(lái)培植學(xué)生思維的靈活性： 格里菲斯和艾弗里的實(shí)驗(yàn)雖然在很大程度上已經(jīng)證實(shí)了DNA是導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)化的因子，但實(shí)驗(yàn)仍有一定的瑕疵，那就是DNA不能達(dá)到100%的純度。而噬菌體的結(jié)構(gòu)異常簡(jiǎn)單，只有蛋白質(zhì)外殼和DNA構(gòu)成，如果能夠證明噬菌體傳遞給后代的只有DNA而沒(méi)有蛋白質(zhì)，就能夠很好地證明DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)不是。那么，要實(shí)現(xiàn)這一猜想就必須要解決以下幾個(gè)問(wèn)題： ①噬菌體侵染細(xì)菌這一微觀(guān)過(guò)程如何才能觀(guān)察到？(引導(dǎo)學(xué)生回顧“必修1分泌蛋白的合成與分泌現(xiàn)象的觀(guān)察”以及“卡爾文循環(huán)中C元素傳遞途徑的觀(guān)察”，學(xué)生很快就會(huì)想到采用同位素示蹤法。)②我們?nèi)绾蔚玫酵凰貥?biāo)記的噬菌體？(學(xué)生聯(lián)系前面病毒無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、不能單獨(dú)生活、必須寄生在活細(xì)胞中的特點(diǎn)，很快就會(huì)明白應(yīng)該先用含放射性同位素的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，再讓噬菌體去侵染被標(biāo)記的大腸桿菌，從而獲得被標(biāo)記的噬菌體。)③如果有多種同位素(如14C、15N、3H、32P、35S等)，選擇哪種元素進(jìn)行標(biāo)記？為什么？(聯(lián)系蛋白質(zhì)和核酸的元素組成，用32P標(biāo)記DNA,35S標(biāo)記蛋白質(zhì)。)④如果同時(shí)用32P和35S標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)外殼可以嗎？為什么？(不可以，因?yàn)榻Y(jié)果檢測(cè)只是檢測(cè)放射性的強(qiáng)弱，不能分辨不同元素的放射性。)⑤噬菌體侵染細(xì)菌后，怎樣使噬菌體的外殼從細(xì)菌表面脫落？(攪拌。)脫離后如何把兩者分開(kāi)？(離心。)⑥觀(guān)察到什么現(xiàn)象才能說(shuō)明侵入細(xì)菌的只有噬菌體的DNA?(學(xué)生將上述問(wèn)題都搞清楚后，不難預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：32P標(biāo)記的噬菌體侵染、攪拌、離心后，放射性集中在沉淀物中；35S標(biāo)記的噬菌體侵染、攪拌、離心后，放射性集中在上清液中。)

利用“噬菌體侵染細(xì)菌的猜想”衍生出來(lái)的一系列問(wèn)題，一步步引導(dǎo)學(xué)生將前面所學(xué)知識(shí)進(jìn)行靈活的遷移運(yùn)用，解決未知的問(wèn)題，有效訓(xùn)練思維的靈活性。待所有問(wèn)題解決后，教師再呈現(xiàn)赫爾希和蔡斯所做的噬菌體侵染細(xì)菌的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)有一種和科學(xué)家不謀而合的感覺(jué)，提升學(xué)習(xí)的成就感。

5 拓展延伸，培養(yǎng)思維創(chuàng)造性

創(chuàng)造性是思維品質(zhì)的最高形式，必須建立在其他思維品質(zhì)基礎(chǔ)之上。思維的創(chuàng)造性要求學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)知識(shí)進(jìn)行拓展延伸，并且要能不墨守成規(guī)，而是用已有知識(shí)去創(chuàng)造性地提出問(wèn)題和解決問(wèn)題。在平時(shí)的生物學(xué)教學(xué)中，教師可以通過(guò)發(fā)散思維、逆向思維、批判思維等形式，逐漸培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性。本節(jié)內(nèi)容教師在總結(jié)了“DNA是遺傳物質(zhì)、而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)”的結(jié)論后，拋出問(wèn)題： DNA是生物界唯一的遺傳物質(zhì)嗎？要求學(xué)生課后查閱相關(guān)資料，提出新的問(wèn)題，并運(yùn)用本節(jié)課訓(xùn)練的科學(xué)思維方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。如果學(xué)生能夠會(huì)用科學(xué)的思維方法去解決新的問(wèn)題，思維的創(chuàng)造性自然就會(huì)得到提升。