鄭曉璇

(廣東省揭陽市惠來慈云實驗中學)

批判性思維是一種高階的科學思維,是當代青年應該具備的基本素養(yǎng),也是我國教育改革的核心?！镀胀ǜ咧猩镎n程標準(2017年版2020年修訂)》提出:學生應該在學習的過程中逐步發(fā)展科學思維,如能夠基于生物學事實和證據(jù)運用批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法去探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律,審視或論證生物學社會議題。科學論證是根據(jù)某一論題運用科學方法收集證據(jù),在證據(jù)與主張間建立聯(lián)系并說服他人接受該主張的過程。將科學論證引入生物課堂,能夠使學生經(jīng)歷類似科學家的思考問題的過程,通過提出主張、尋找證據(jù)、質(zhì)疑、辯駁等論證過程最終得出科學概念,有利于培養(yǎng)學生的批判性思維。

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié),教材以遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史呈現(xiàn),包括“對遺傳物質(zhì)的早期推測” “肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗” “噬菌體侵染細菌的實驗”。從“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”到“DNA是遺傳物質(zhì)”,再到“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”,經(jīng)歷了提出主張、尋找證據(jù)、質(zhì)疑、修正的過程,是培養(yǎng)學生批判性思維的好素材。新授課時學生知識的系統(tǒng)性較差,課堂關注點多數(shù)放在實驗的分析和理解上,忽略了其整體的邏輯關系,在復習課上運用系統(tǒng)的論證模型能夠使學生深入挖掘科學的本質(zhì),發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。本節(jié)課的論證模型如圖1。

圖1 “DNA是主要的遺傳物質(zhì)”論證模型

1.設置情境,提出問題

呈現(xiàn)遺傳物質(zhì)的探究歷程(圖2),提出問題:遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)?作為遺傳物質(zhì)需要具備什么特點?

圖2 遺傳物質(zhì)的探究歷程

引導學生回顧并填寫“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的證據(jù)鏈(圖3)。

圖3 “DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的證據(jù)鏈

設計意圖：依托科學史,學生可以回顧遺傳物質(zhì)的探究歷程,體會科學發(fā)展是科學家前仆后繼的探索、質(zhì)疑、修正的過程。問題設置具有層次性,第二個問題能夠讓學生深入思考遺傳的本質(zhì),訓練學生的科學思維,通過填寫證據(jù)鏈可以讓學生系統(tǒng)性回顧遺傳物質(zhì)的發(fā)展歷程。

2.質(zhì)疑“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”的主張

資料1:20世紀20年代,人們提出“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”的主張,其依據(jù)是蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的生物大分子,氨基酸多種多樣的排列順序中蘊含著遺傳信息。

問題:你同意這種說法嗎?說說你的理由。

呈現(xiàn)DNA分子中4種脫氧核苷酸結(jié)構(gòu)。

教師講解:20世紀30年代,人們認識到DNA是由許多脫氧核苷酸聚合形成的大分子,也開始對蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀點提出質(zhì)疑,由于對DNA結(jié)構(gòu)的了解不是很清晰,蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀點仍占主導地位。有很多科學家持質(zhì)疑的態(tài)度并不斷尋找證據(jù),如格里菲思、艾弗里、赫爾希和蔡斯等。

設計意圖：通過資料和問題讓學生主動思考分析問題,參與遺傳物質(zhì)的探索歷程,同時使學生感受到科學探究是需要大膽猜測和質(zhì)疑的。

3.提出“DNA是遺傳物質(zhì)”的主張

教師展示格里菲思肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗,學生自主討論、分析實驗現(xiàn)象。

問題:實驗的自變量是什么?不同對照組分別能得出什么結(jié)論?為什么S型菌會使小鼠死亡,而R型菌不會呢?

資料2:莢膜是某些細菌的細胞壁外面包圍的一層膠狀物質(zhì)。無莢膜的肺炎鏈球菌,感染人體或動物體后,容易被吞噬細胞吞噬并殺滅。有莢膜的肺炎鏈球菌可抵抗吞噬細胞的吞噬,有利于細菌在宿主體內(nèi)生活并繁殖。

問題:第四組中活的S型菌是怎么出現(xiàn)的?針對這一現(xiàn)象你能提出什么假說?

學生討論后總結(jié)出三種假說:

假說一:S型菌復活。

假說二:R型菌突變?yōu)镾型菌。

假說三:加熱殺死的S型菌有某種物質(zhì)進入了R型菌導致其轉(zhuǎn)化。

資料3:在80～100℃的溫度范圍內(nèi),蛋白質(zhì)失活,DNA雙鏈解開;當溫度恢復至室溫后,DNA雙鏈能夠重新恢復,但蛋白質(zhì)的活性無法恢復。

資料4:格里菲思做該實驗時已經(jīng)對肺炎鏈球菌有充分了解,他發(fā)現(xiàn)S菌有Ⅰ-S、Ⅱ-S、Ⅲ-S,R菌有Ⅰ-R、Ⅱ-R、Ⅲ-R,且自然狀態(tài)下會有S型菌突變?yōu)橥蚏型菌,如Ⅰ-S可突變?yōu)棰?R,但不會突變?yōu)棰?R。該轉(zhuǎn)化實驗中用到的材料是 Ⅱ-R菌與Ⅲ-S菌,第四組實驗小鼠體內(nèi)提取出來的活S菌為Ⅲ-S型,且其后代也是Ⅲ-S型。

學生分析資料可推翻假說一和假說二,總結(jié)出加熱殺死的S型菌中含有某種轉(zhuǎn)化因子能夠使活的R型菌轉(zhuǎn)化為活的S型菌,并且這種轉(zhuǎn)化是能夠遺傳的。

問題:能夠使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌的轉(zhuǎn)化因子到底是什么?

學生提出主張:轉(zhuǎn)化因子是DNA。

設計意圖：呈現(xiàn)實驗過程,通過問題引導學生深入思考實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并提出假說,再補充呈現(xiàn)證據(jù)得出結(jié)論,培養(yǎng)學生的證據(jù)意識,學生通過實踐掌握演繹推理、歸納概括等科學方法,體驗科學探究的過程。

4.尋找證據(jù),支持主張

4.1 證據(jù)1:艾弗里的肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗

學生設計實驗證明主張,以小組為單位設計實驗并進行互評優(yōu)化方案。

學生會提出把加熱殺死的S型菌各種物質(zhì)分離、提純?nèi)缓髥为氂^察它們的作用,有的小組只是設計了S型菌各成分分別與R型菌混合,教師可以提示提純無法達到百分之百,進一步引導學生以單一變量原則用酶解法優(yōu)化實驗。

資料5:艾弗里及其同事將加熱殺死的S型菌破碎后,設法除去大部分蛋白質(zhì)、糖類和脂質(zhì),制成細胞提取物。將細胞提取物加入含有R型活菌的培養(yǎng)基中,結(jié)果培養(yǎng)基中出現(xiàn)了S型活菌,然后在細胞提取物中分別加入蛋白酶、RNA酶、酯酶、DNA酶處理后再進行轉(zhuǎn)化實驗,發(fā)現(xiàn)加入DNA酶組的細胞提取物失去了轉(zhuǎn)化活性。

教師讓學生根據(jù)資料用表格或者圖解呈現(xiàn)出以上實驗過程和實驗結(jié)果,并分析實驗,可用問題引導,如該實驗設置遵循哪些原則?是如何控制自變量的?該實驗實施最大的困難是什么?從實驗結(jié)果我們可以得出什么結(jié)論?

學生通過分析該實驗并與自己設計的實驗對比,能夠看出控制變量的方法有所不同,理解了科學方法中的加法原理和減法原理,并能根據(jù)實驗得出結(jié)論:DNA才是使R型細菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。根據(jù)對提純技術的了解,能說明該實驗最大的困難就是徹底去除細胞中的某一成分。

問題:艾弗里的實驗結(jié)果支持了轉(zhuǎn)化因子是DNA的主張,那么S型菌的DNA是如何使R型菌轉(zhuǎn)化的呢?是S型菌全部的DNA還是部分DNA起轉(zhuǎn)化作用?該轉(zhuǎn)化過程的本質(zhì)是什么?

資料6:科學研究發(fā)現(xiàn)許多細菌有自然轉(zhuǎn)化能力。自然轉(zhuǎn)化指受體細胞首先處于感受態(tài)(能從周圍環(huán)境中吸取DNA的一種生理狀態(tài)),然后吸收周圍環(huán)境中的某種外源DNA,最后表達出外源DNA的某種遺傳特性。

資料7:R型細菌在生長到一定階段時,就會分泌一種感受態(tài)因子(小分子的蛋白質(zhì)),這種因子會引發(fā)一系列變化最終使R型菌具有與DNA結(jié)合的活性。

資料8:加熱滅活的S型細菌遺留下完整的DNA的各個片段,其中包括控制莢膜形成的基因。

學生分析資料理解轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是基因重組,并能夠理解其轉(zhuǎn)化并不是百分之百,只有少數(shù)R型菌被轉(zhuǎn)化為S型菌。

4.2 證據(jù)2:噬菌體侵染細菌的實驗

教師講解:盡管艾弗里的實驗能夠證明DNA是遺傳物質(zhì),蛋白質(zhì)等不是遺傳物質(zhì),但是由于人們深受蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的影響,并沒有接受艾弗里的實驗結(jié)論,那么如何去尋找更有效更直接的證據(jù)來證明呢?

學生從實驗材料和實驗方法的角度考慮,理解科學實驗最關鍵的就是材料和方法的選擇。并在艾弗里的實驗基礎上進行討論,發(fā)現(xiàn)人們質(zhì)疑的原因主要是細菌成分相對較多,提純技術無法將其完全分離。故而想到更簡單的材料——病毒,并轉(zhuǎn)而尋找不用提純技術就能區(qū)分的方法。

教師展示噬菌體的結(jié)構(gòu)及其化學成分,播放噬菌體侵染大腸桿菌的視頻。

問題:根據(jù)視頻簡要總結(jié)噬菌體侵染大腸桿菌的步驟。從噬菌體成分的角度分析,如何區(qū)分噬菌體注入大腸桿菌的物質(zhì)是什么?你能提出哪些假說?請設計實驗證明。

學生能提出假說一,噬菌體只有DNA進入大腸桿菌;假說二,只有蛋白質(zhì)進入大腸桿菌;假說三,DNA和蛋白質(zhì)都進入大腸桿菌,并提出用放射性同位素標記法分別標記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì),然后讓其分別侵染大腸桿菌,通過攪拌離心后觀察其放射性的位置去證明假說。

假說一對應的實驗結(jié)果:沉淀物有放射性而上清液沒有。

假說二對應的實驗結(jié)果:上清液有放射性而沉淀物沒有。

假說三對應的實驗結(jié)果:沉淀物和上清液都有放射性。

問題:選用哪種元素標記DNA和蛋白質(zhì)?能否用培養(yǎng)基直接培養(yǎng)并標記噬菌體?

學生根據(jù)DNA和蛋白質(zhì)元素的區(qū)別能夠說出分別標記P和S,根據(jù)病毒的生活方式提出先用含35S/32P的培養(yǎng)基分別培養(yǎng)大腸桿菌,使大腸桿菌帶上標記后再讓噬菌體去侵染,從而使噬菌體帶上標記。

教師呈現(xiàn)噬菌體侵染細菌的實驗圖解。

問題:保溫、攪拌和離心的目的分別是什么?保溫時間的長短和攪拌程度是否會影響實驗結(jié)果?從實驗結(jié)果你能得出什么結(jié)論?是否與你提出的假說和實驗結(jié)果相符?

學生充分理解保溫攪拌和離心的目的,從實驗操作目的的角度去考慮其影響,對比假說的實驗結(jié)果能夠說明假說一是正確的,即只有DNA進入大腸桿菌。但是假說一對應的實驗結(jié)果與實際的實驗結(jié)果并不完全一致,進而思考實際實驗結(jié)果出現(xiàn)的原因。

資料9:赫爾希和蔡斯證明了噬菌體注入宿主細胞內(nèi)的物質(zhì)是DNA,所釋放子代噬菌體的蛋白質(zhì)外殼的形狀、大小和留在宿主細胞外面的外殼一模一樣。

學生總結(jié):DNA能夠控制蛋白質(zhì)的合成,子代噬菌體的性狀是通過親代DNA遺傳的。DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。

5.提出質(zhì)疑,補充證據(jù)

提出質(zhì)疑:所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA嗎?

資料10:有些病毒不含有DNA,如煙草花葉病毒、2019-nCoV、HIV、SARS病毒、流感病毒等。其成分只含有蛋白質(zhì)和RNA。

小組任務:請你設計實驗驗證煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。要求:寫出實驗思路并預期實驗結(jié)果。

資料11:1956年Fraenkel Conrat將煙草花葉病毒(TMV)的RNA和蛋白質(zhì)分開分別去感染煙草,發(fā)現(xiàn)單用病毒的蛋白質(zhì)不能使煙草感染,而單用病毒的RNA可使煙草感染并能產(chǎn)生正常的病毒后代。

接著Fraenkel Conrat又用TMV的S株系和HR株系進行分離和重建實驗,發(fā)現(xiàn)提供S株系的RNA組后代病毒為S株系,提供HR株系RNA組后代病毒為HR株系。

學生討論設計實驗,并將資料轉(zhuǎn)化為簡要的實驗過程,進一步得出結(jié)論:煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。

設計意圖：本環(huán)節(jié)讓學生設計實驗方案,加強學生的科學探究能力,利用資料讓學生轉(zhuǎn)化為實驗表格或者實驗圖解,培養(yǎng)學生的文字圖形轉(zhuǎn)化能力以及提取信息的能力。

6.完善主張,構(gòu)建論證模型

學生理清思路,區(qū)分概念“DNA是遺傳物質(zhì)”和“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”,并構(gòu)建論證模型(圖1),教師布置小組任務。

任務一:總結(jié)探究遺傳物質(zhì)的方法。

任務二:綜合本節(jié)內(nèi)容嘗試找到證明DNA具備作為遺傳物質(zhì)的證據(jù)(圖4)。

圖4 DNA具備作為遺傳物質(zhì)的證據(jù)

設計意圖：通過構(gòu)建論證模型使學生形成系統(tǒng)的知識框架,并掌握論證的過程,通過布置小組任務,讓學生通過合作整理掌握科學方法的應用,加強自身的證據(jù)意識。

7.反思

本節(jié)課通過運用科學論證的方法讓學生經(jīng)歷類似科學家的思維過程,教學過程通過問題引導學生質(zhì)疑、尋找證據(jù)培養(yǎng)學生的批判性思維和證據(jù)意識,引導學生通過團隊合作利用科學方法設計實驗、推出實驗現(xiàn)象及結(jié)論,培養(yǎng)了學生的科學思維和科學探究能力,提高學生的團隊合作意識和基于事實、證據(jù)的求知意識。同時基于科學論證的教學模式要注意問題的引導,問題需要有層次性、有效性,并具有一定的深度,才能挖掘?qū)W生的思維。呈現(xiàn)資料要有科學性和選擇性,也要符合學生的邏輯思維,資料不是越多越好,既要對學生有引導作用,也要輔助提高學生提取、整合信息的能力。