張樹虎

摘 要 通過創(chuàng)設(shè)情境、問題預(yù)設(shè)、討論解答等方面對“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”一課探究性教學(xué)設(shè)計進行較為深入的探討，并對課堂情境設(shè)置、制造“問題鏈”等教學(xué)設(shè)計作出簡單評價。

關(guān)鍵詞 實驗 教學(xué) 設(shè)計

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)識碼 B

“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”是驗證DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實驗，是引導(dǎo)學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)較好的素材。教材雖然采用了圖文并舉的編寫方法，但是由于文字過于簡練，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了一定的困難。再加上很多教師將該實驗理解為驗證性實驗，學(xué)生學(xué)完這部分內(nèi)容后，常常是疑問重重。突破這個教學(xué)難點，關(guān)鍵在于課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)以探究為主線進行。

1 教學(xué)設(shè)計

1.1 課堂導(dǎo)入

教師創(chuàng)設(shè)情境：DNA和蛋白質(zhì)到底哪一個才是遺傳物質(zhì)？1944年，美國細(xì)菌學(xué)家艾弗里（1877-1955）等人在實驗中發(fā)現(xiàn)：死去的S型菌并未復(fù)活，而是S型菌的DNA進入了R型菌，使其轉(zhuǎn)化為新的S型致病肺炎雙球菌。艾弗里等人的實驗不僅揭開了“格里菲思之謎”，并且在世界上第一次證明遺傳基因就在DNA上。但是，當(dāng)時遺傳學(xué)界的主流觀點是蛋白質(zhì)承擔(dān)著遺傳信息載體的作用，艾弗里的研究不僅沒有使科學(xué)界立即接受DNA是遺傳物質(zhì)的正確觀念，反而引起了科學(xué)界許多人的極大驚訝和懷疑。

請思考回答：（1） 通過什么現(xiàn)象第一次證明遺傳基因就在DNA上？能否證明作為遺傳物質(zhì)必須具備的親子代間的傳遞性？（2） 在人們的質(zhì)疑中，最具有代表性的觀點是什么？

盡管格里菲斯和艾弗里已經(jīng)證實了DNA是導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)化的因子，但這僅僅是從一個側(cè)面證明了DNA可以控制細(xì)菌莢膜的形成，并沒有證明作為遺傳物質(zhì)必須具備的親子代間的傳遞性。

不論純化的DNA從數(shù)據(jù)上看是如何純凈，它仍然可能藏留著一絲蛋白質(zhì)殘余，說不定這就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。那么有沒有哪種生物材料能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)和DNA分開？以此引出新課教學(xué)。

1.2 “噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”的教學(xué)

1.2.1 知道噬菌體的特點

教師首先創(chuàng)設(shè)情境：艾弗里等人的實驗受到質(zhì)疑，那么，如何使實驗更嚴(yán)謹(jǐn)、更有說服力呢？能否找到更好的實驗材料來替代？這種材料必須具備什么特點呢？

這樣設(shè)計的目的是激發(fā)學(xué)生思維，并讓他們知道選擇的材料最好能自然將蛋白質(zhì)和DNA徹底的分開，從而引出實驗材料——噬菌體。

師：1969年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎授予了三位遺傳學(xué)家，他們是德爾布呂克、盧里亞和赫爾希，以表彰“他們利用噬菌體作為實驗材料，發(fā)現(xiàn)了病毒的復(fù)制機制和基本結(jié)構(gòu)”。營細(xì)胞內(nèi)寄生的噬菌體，是一種結(jié)構(gòu)異常簡單的生物，只有蛋白質(zhì)外殼包裹著DNA構(gòu)成。如果能證明噬菌體傳遞給后代的只有DNA而沒有蛋白質(zhì)，就能強有力地證明DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

1.2.2 猜測噬菌體侵染細(xì)菌的形式

在學(xué)生了解噬菌體的基礎(chǔ)上，教師設(shè)計問題：如果你是赫爾希、蔡斯團隊中的一員，你對“噬菌體侵染細(xì)菌時，進入細(xì)菌的是DNA分子，還是蛋白質(zhì)”是如何推測的？

教師引導(dǎo)學(xué)生分組討論，并猜測可能的形式。學(xué)生通過討論得出三種可能：① 注入DNA，蛋白質(zhì)衣殼留在外面；② 注入蛋白質(zhì)衣殼，DNA留在外面；③ 同時注入DNA、蛋白質(zhì)衣殼。

以上猜測存在一個演繹推理，是實驗的前提條件，教師必須讓學(xué)生明白這個推理過程。所謂演繹推理就是由普通性的前提推出特殊性結(jié)論的推理。演繹推理有三段論，有假言推理和選言推理等形式，該實驗的推理屬于假言推理。

假言推理的基本原則是：小前提肯定大前提的后件，結(jié)論就要肯定大前提的前件；小前提否定大前提的前件，結(jié)論就要否定大前提的后件。推理的過程如表1所示。

這個問題旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會運用已經(jīng)學(xué)過的演繹推理法來解決實際問題。

師：以上僅僅是猜測，這樣一個微觀過程如何才能觀察到？這就是赫爾希和蔡斯遇到的難題。

1.2.3 探究噬菌體侵入細(xì)菌體內(nèi)的物質(zhì)

師：噬菌體侵染細(xì)菌的究竟是噬菌體DNA還是蛋白質(zhì)？如果你是赫爾希、蔡斯團隊中的一員，你將采取什么方法來區(qū)別蛋白質(zhì)、DNA？請同學(xué)們分組討論，小組提出可行性方案。

生：用同位素標(biāo)記法。

學(xué)生從教材中能夠發(fā)現(xiàn)答案，因此教師不需要過多解釋這個內(nèi)容，防止分散學(xué)生的注意力。

分組討論，讓學(xué)生體會探究實驗的“一般流程”：

實驗原理：生長在含有放射性物質(zhì)的培養(yǎng)基中的細(xì)菌及其體內(nèi)的噬菌體也將帶有放射性，并可被專門儀器所測定。

在T2噬菌體的化學(xué)組成中，60%是蛋白質(zhì)，40%是DNA；S僅存在于蛋白質(zhì)分子中，99%的P存在于DNA分子中。

器材用具：選用實驗材料和有關(guān)的儀器、試劑（略）。

方法步驟：采取分組標(biāo)記，第一組標(biāo)記蛋白質(zhì)，第二組標(biāo)記DNA。

用35S、32P分別標(biāo)記噬菌體：把宿主細(xì)菌分別培養(yǎng)在含有35S、32P的培養(yǎng)基中，細(xì)菌在生長過程中分別被35S和32P所標(biāo)記。再用噬菌體分別侵染被標(biāo)記的細(xì)菌，噬菌體在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體。用儀器測定這些子代的噬菌體：噬菌體侵染35S標(biāo)記的細(xì)菌被35S所標(biāo)記；噬菌體侵染32P標(biāo)記的細(xì)菌被32P所標(biāo)記。

測定同位素標(biāo)記的細(xì)菌：用35S標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的細(xì)菌，然后測定該細(xì)菌的同位素標(biāo)記。用32P標(biāo)記的噬菌體儀染未標(biāo)記的細(xì)菌，然后測定該細(xì)菌的同位素標(biāo)記。

預(yù)期結(jié)果：從理論上講，第一組僅用35S標(biāo)記噬菌體外殼，侵染細(xì)菌后攪拌離心，實驗結(jié)果應(yīng)該是只有上清液（含有噬菌體外殼）具有放射性，而沉淀物不應(yīng)該有放射性，這樣才能說明噬菌體的蛋白質(zhì)外殼沒有進入細(xì)菌體內(nèi)。第二組僅用32P標(biāo)記噬菌體的DNA，侵染細(xì)菌后攪拌離心，實驗結(jié)果應(yīng)該是只有沉淀物（細(xì)菌）具有放射性，而上清液不應(yīng)該有放射性，這樣才能說明噬菌體的DNA進入細(xì)菌體內(nèi)了。endprint

實驗結(jié)論：經(jīng)同位素35S和32P的標(biāo)記實驗所證實，噬菌體注入細(xì)菌的物質(zhì)是DNA。

分析結(jié)論：子代噬菌體的各種性狀是通過親代的DNA遺傳給后代的，因此，DNA才是真正的遺傳物質(zhì)。

在小組討論后，各小組展示成果，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生分析實驗設(shè)計的基本環(huán)節(jié)。

這個問題是教學(xué)的重點、難點，教學(xué)時教師先讓學(xué)生觀察實驗操作的視頻，實驗結(jié)果快要出現(xiàn)時，將視頻停下來，讓學(xué)生思考、推測可能出現(xiàn)的結(jié)果。學(xué)生討論。當(dāng)學(xué)生看到實驗現(xiàn)象：用35S標(biāo)記的噬菌體的放射性在上清液中，而32P標(biāo)記的噬菌體的放射性在沉淀物中。學(xué)生議論紛紛，興趣馬上被調(diào)動起來。此時必然有學(xué)生認(rèn)為教材結(jié)論有問題。教師要針對學(xué)生的思考以及教材的缺陷，適時抓住情境，讓學(xué)生真正理解知識。

接著教師設(shè)計以下問題進行追問：

（1） 從實驗結(jié)果看，現(xiàn)象并不符合預(yù)期結(jié)果，第一組沉淀物中也有較弱放射性，應(yīng)該如何解釋？第二組上清液中也有較弱的放射性，應(yīng)該如何解釋？

答案：只有把握好噬菌體侵染持續(xù)時間的長短，才不至于導(dǎo)致某些噬菌體因沒來得及侵入而留在上清液，或者某些細(xì)菌因時間過長已經(jīng)裂解，從而存在于上清液中。

第一組實驗：硫元素僅存在于蛋白質(zhì)中，所以，最可能的原因是攪拌不徹底，會導(dǎo)致部分吸附的噬菌體外殼沒有脫落下來就離心了，所以這少量的外殼會存在于沉淀物中。

第二組實驗：有3個可能的原因：① 噬菌體侵染細(xì)菌需要一個過程，有些噬菌體還沒有來得及侵入就已經(jīng)攪拌離心了，這些沒有來得及侵入的噬菌體存在于上清液中；② 噬菌體侵入細(xì)菌后使細(xì)菌解體，釋放出來的子代噬菌體會存在于上清液中；③ T2噬菌體的化學(xué)成分中，99%的磷元素存在于DNA分子中，可能是另外1%的磷使上清液顯示出很弱的放射性。

該題設(shè)計意圖是訓(xùn)練學(xué)生的思維深度，進一步對實驗進行深入分析，使學(xué)生對實驗的認(rèn)識得以升華。要解決上述問題，學(xué)生必須深入思考實驗的每個步驟的目的（如攪拌、離心）與原因以及該步驟的注意事項，必須從一個操作者的角度去思考才能有所收獲，從而解決問題。教師可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，然后組織學(xué)生通過“小組討論→代表回答→評價修正→總結(jié)歸納”的方式進行。

（2） 噬菌體侵染細(xì)菌的實驗?zāi)芊褡C明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)？艾弗里的實驗可以證明嗎？

答案：T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA。這兩組實驗并不能說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，因為蛋白質(zhì)沒有進入細(xì)菌，所以無法知道蛋白質(zhì)對遺傳是否有作用，但艾弗里的實驗可以說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

（3） 科學(xué)家選用噬菌體侵染細(xì)菌的實驗來證明DNA是遺傳物質(zhì)，你認(rèn)為有什么巧妙之處？這一實驗與肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗在實驗設(shè)計的思想與方法上有什么共同之處？

答案：噬菌體僅有蛋白質(zhì)和DNA兩種化學(xué)成分，它的頭部和尾部的外殼都由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，頭部內(nèi)含有DNA。共同之處是均設(shè)法把DNA與蛋白質(zhì)分開，從而單獨地、直接地去觀察DNA的作用。只是兩個實驗中使DNA與蛋白質(zhì)分開的方式不同，另外都遵循了對照實驗的設(shè)計思想。

如果課堂時間充足，教師還可以設(shè)計以下問題或者由學(xué)生提問：

（1） 目前有多種同位素如14C、15N、3H、32P、35S等，選擇哪種元素進行標(biāo)記？為什么？能不能直接標(biāo)記？可以用含有同位素的培養(yǎng)基培養(yǎng)得到標(biāo)記的病毒嗎？如何才能做到？

（2） 如果同時用不同的同位素分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)可以嗎？為什么？

（3） 怎樣使噬菌體外殼從細(xì)菌表面脫落下來？

2 簡評

2.1 情境設(shè)置，誘發(fā)學(xué)生強烈探究欲望

情境的創(chuàng)設(shè)要符合學(xué)生的知識水平、生活經(jīng)驗、個性特征和情感體驗；要緊扣教學(xué)內(nèi)容，凸現(xiàn)學(xué)習(xí)重點，尤其要能引發(fā)學(xué)生提出問題。在設(shè)計提問時，教師要依據(jù)素材設(shè)計出與本節(jié)課重點知識有關(guān)的問題，目的是幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解學(xué)科知識的內(nèi)涵，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的動力和熱情。例如，本課導(dǎo)入材料的教學(xué)情境是通過回顧上節(jié)課核心知識引出本節(jié)新知識，對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)問題并形成與原認(rèn)知結(jié)構(gòu)間的思維沖突大有幫助。再如“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”的情境設(shè)計：通過質(zhì)疑，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神，引導(dǎo)學(xué)生重視科學(xué)探究的歷程，按照生命科學(xué)史的發(fā)展去思考問題、發(fā)現(xiàn)問題。這樣，既延伸了舊課，導(dǎo)出新課，同時又激發(fā)學(xué)生的求知欲，為新課的教學(xué)創(chuàng)造有利的氛圍。另外，教師利用生物科學(xué)史、生物學(xué)家的故事導(dǎo)入時，一定要還原事實真相，這樣能收到較好的教育教學(xué)效果，而且可以教育學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)、學(xué)會創(chuàng)新，有助于培養(yǎng)他們實事求是的科學(xué)態(tài)度。

2.2 “問題串”幫助學(xué)生突破探究難點

新課改要求課堂教學(xué)在教師的引領(lǐng)下，針對教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容提出教學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)并解決問題，進而探索出更多問題。噬菌體侵染細(xì)菌實驗對于高中生來說是比較難的，為了突破這個難點，本節(jié)課教師設(shè)計了系列“問題串”，解決這些問題分三步：① 學(xué)習(xí)噬菌體侵染細(xì)菌實驗之前要學(xué)習(xí)病毒的結(jié)構(gòu)及其繁殖過程。② 認(rèn)真分析實驗中的細(xì)節(jié)。如果對實驗過程中的細(xì)節(jié)教師處理不夠得當(dāng)，那么，學(xué)生的思維可能會跟不上，導(dǎo)致理解不透徹。例如，這個實驗成功的關(guān)鍵之一是科學(xué)家想到了用攪拌器攪拌，那么攪拌的目的是什么？為什么會想到攪拌？這正是和本實驗的目的相聯(lián)系的步驟。再如，離心后對于沉淀物和上清液的成分的分析，也是必要的。為什么要控制被標(biāo)記噬菌體和未標(biāo)記的細(xì)菌混合的時間長短？如何得知是否有子代噬菌體干擾了實驗結(jié)果？除了教師預(yù)設(shè)問題外，教師還要不斷激發(fā)學(xué)生提出問題。如教學(xué)本課時有學(xué)生問：該實驗是對照實驗嗎？其中自變量是什么？因變量是什么？哪些是無關(guān)變量？為什么要讓被標(biāo)記的噬菌體分別與大腸桿菌混合？……③ 教師通過課件直觀呈現(xiàn)教材中關(guān)于標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌實驗的兩個對照試驗，以此幫助學(xué)生進一步突破難點。教師教學(xué)時要注意：教材中的插圖比較直觀，但是切忌死記硬背教材結(jié)果，事實上，這種結(jié)果是理論現(xiàn)象，與事實不符，所以要注意培養(yǎng)學(xué)生“想象實驗”的能力。

2.3 體驗學(xué)習(xí)，像科學(xué)家一樣進行科學(xué)探究

新課程實施的難點之一是如何在課堂教學(xué)中真實、有效地開展探究活動。本課的教學(xué)中，教師將實踐體驗（像科學(xué)家一樣去經(jīng)歷）與情境體驗（教學(xué)過程中有目的預(yù)設(shè)場景，如視頻活化情境）相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生體驗“假說——演繹法”，讓學(xué)生像科學(xué)家那樣去思考，體會科學(xué)研究的思維過程。同時引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗證明噬菌體侵染細(xì)菌時，注入細(xì)菌的是DNA而不是蛋白質(zhì)，學(xué)生在討論、自主探究過程中，運用理性思維體驗科學(xué)探究的一般過程，對于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)大有裨益。

2.4 質(zhì)疑啟思，養(yǎng)成“先學(xué)后教”、“以學(xué)導(dǎo)教”的習(xí)慣

新課改要求教學(xué)形式或教學(xué)方式要發(fā)生變化。教師應(yīng)該“跟著學(xué)情走”，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)。前已述及，“問題串”的預(yù)設(shè)將教學(xué)活動牢牢定位于學(xué)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)活動啟動教師的教學(xué)活動。每一個教學(xué)過程都是從學(xué)生的自學(xué)為起點，教師則在自學(xué)的基礎(chǔ)上施教。教學(xué)中問題的預(yù)設(shè)與生成相輔相成，教師沒有完全按照教案教學(xué)，而是“以人為本”，并沒有“以知識為本”。另外，沒有出現(xiàn)對學(xué)生指導(dǎo)“過度”的現(xiàn)象，而是賦予學(xué)生時間、空間，讓學(xué)生“說”不懂之處、疑問之處。

參考文獻

[1] 劉本舉.“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”的分析與教學(xué)建議[J].生物學(xué)通報，2010，（9）：29-31.

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