孟凡龍

摘 要 以呈現(xiàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生從論證到依托論證，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究到延伸實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建知識體系為主線展開論證式教學(xué)策略的應(yīng)用，凸顯本節(jié)課的邏輯性，從而提升學(xué)生的理性思維和科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 論證式教學(xué) 教學(xué)策略 高中生物

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

許多科學(xué)教育家認(rèn)為學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅需要增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)科學(xué)知識和動手操作能力，而且還要注重培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)的思維方式運(yùn)用到生活環(huán)境中解決問題以及做出正確選擇的能力。論證，作為科學(xué)實(shí)踐的核心，也體現(xiàn)了科學(xué)教育的本質(zhì)。Toulmin在1958年提出的論證模型被認(rèn)為是20世紀(jì)哲學(xué)最重要的十大發(fā)現(xiàn)之一（圖1）。該模型中的理由、限定條件、支持等要素在實(shí)際的課堂教學(xué)中一般難以區(qū)分，所以將這三個(gè)要素合并為“支持”，即學(xué)生在論證時(shí)為自己的結(jié)論提供支撐性的描述。

論證式教學(xué)策略是國內(nèi)外科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)之一。論證式教學(xué)策略旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維能力，在論證過程中，學(xué)生需要經(jīng)歷像科學(xué)家構(gòu)建理論知識一樣評價(jià)資料、提出主張、為主張進(jìn)行辯駁等過程。學(xué)生可以從中了解科學(xué)知識構(gòu)建的本質(zhì)，學(xué)習(xí)科學(xué)家思考問題的方式，進(jìn)而提升科學(xué)素養(yǎng)和論證能力。

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)前后都有大量的實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)論證，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和理性思維的有效材料，該部分也是整個(gè)遺傳學(xué)內(nèi)容的主線?？茖W(xué)探究一般包括提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、分析結(jié)果得出結(jié)論、推論再研究等環(huán)節(jié)。

1 呈現(xiàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生論證

教師在課堂教學(xué)中首先結(jié)合已學(xué)知識呈現(xiàn)有關(guān)科學(xué)探究史，并設(shè)計(jì)問題串引領(lǐng)論證。

19世紀(jì)中期，孟德爾進(jìn)行了8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的規(guī)律。1866年他發(fā)表論文《植物雜交試驗(yàn)》，根據(jù)邏輯推理提出了遺傳因子學(xué)說、遺傳學(xué)的分離定律和自由組合定律；1903年，薩頓根據(jù)染色體和遺傳因子行為上的平行關(guān)系提出假說：遺傳因子在染色體上；20世紀(jì)初期，遺傳學(xué)家摩爾根通過果蠅的遺傳實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到基因存在于染色體上，并且在染色體上是呈線性排列，從而得出了染色體是基因載體的結(jié)論；1909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜在《精密遺傳學(xué)原理》一書中正式提出“基因”概念。

① 19世紀(jì)中期，孟德爾通過豌豆實(shí)驗(yàn)證明了生物的性狀是由什么傳遞的？

② 19世紀(jì)末，科學(xué)家研究了生物遺傳中細(xì)胞的有絲分裂、減數(shù)分裂和受精過程，認(rèn)識到在遺傳中具有重要作用的物質(zhì)是什么？據(jù)此，薩頓還提出了什么樣的假說？

③ 20世紀(jì)初期，摩爾根通過果蠅實(shí)驗(yàn)證明了基因位于什么物質(zhì)上？

④ 20世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)染色體主要由哪些物質(zhì)組成？

教師結(jié)合以上問題串引導(dǎo)學(xué)生一起分析作為遺傳物質(zhì)的條件：結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定；能夠儲存大量遺傳信息；能自我復(fù)制，使其傳遞給后代；能控制生物性狀；能產(chǎn)生可遺傳變異。

1928年，格里菲思進(jìn)行了肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。教師請學(xué)生敘述實(shí)驗(yàn)流程，通過問題串引導(dǎo)學(xué)生討論分析實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)論：比較分析第一、二組說明什么？肺炎雙球菌有無毒性主要取決于什么？在第三組中被加熱殺死的S型細(xì)菌還有沒有毒性？比較分析第二、三組說明什么？在第四組：加熱殺死的S菌+R菌→S菌+R菌中，是誰導(dǎo)致小鼠死亡？第四組小鼠體內(nèi)分離出S型活細(xì)菌，它是開始注射進(jìn)去的，還是混合后重新出現(xiàn)？該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程，教師引導(dǎo)學(xué)生提出推論：在加熱殺死的S菌中存在一種轉(zhuǎn)化因子，能夠?qū)⒒畹腞菌轉(zhuǎn)化成活的S菌。但當(dāng)時(shí)并不知道轉(zhuǎn)化因子是什么，也沒有提取出轉(zhuǎn)化因子。同時(shí)，教師指出：轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)并不是基因發(fā)生突變，而是S型細(xì)菌的DNA片段整合到了R型細(xì)菌的DNA中，即實(shí)現(xiàn)了基因重組。

針對格里菲思的實(shí)驗(yàn)主張，教師引導(dǎo)學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)變量和對照組進(jìn)一步深入理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性，嘗試小組交流討論，并設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)或改進(jìn)格里菲思的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來支持格里菲思的實(shí)驗(yàn)主張。

20世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，染色體主要由蛋白質(zhì)和DNA組成。由此，教師提出問題：DNA和蛋白質(zhì)，誰才是遺傳物質(zhì)呢？如何去證明呢？

2 依托論證，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究

教師依據(jù)1944年艾弗里的實(shí)驗(yàn)，提出問題：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究DNA和蛋白質(zhì)誰是遺傳物質(zhì)？根據(jù)格里菲思的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的第四組小鼠體內(nèi)的大量活S菌，可以推論出S菌進(jìn)行了繁殖，即產(chǎn)生了后代，那么S菌體內(nèi)肯定存在遺傳物質(zhì)。并引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路（設(shè)法將S菌體內(nèi)的DNA、RNA、蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)分開，單獨(dú)地、直接地研究它們各自的作用）。教師利用課件呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：僅根據(jù)S菌的DNA+R菌→S菌+R菌，能否肯定S菌的DNA就是轉(zhuǎn)化因子，即遺傳物質(zhì)？可以再設(shè)計(jì)一個(gè)對照實(shí)驗(yàn)：S菌的DNA+DNA酶+R菌→R菌，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)S菌的RNA+RNA酶+R菌→R菌，R菌的DNA+DNA酶+S菌→S菌，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明只有保持DNA結(jié)構(gòu)的完整性才能體現(xiàn)轉(zhuǎn)化作用，進(jìn)一步說明了DNA是轉(zhuǎn)化因子。學(xué)生進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)等其他物質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

針對艾弗里實(shí)驗(yàn)的有關(guān)主張，有學(xué)生在肯定其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的科學(xué)性和創(chuàng)新性的同時(shí)，提出質(zhì)疑和反駁：通過實(shí)驗(yàn)提取出S菌中的DNA，能否保證100%的物質(zhì)純度？是否會發(fā)生S菌的DNA+少量蛋白質(zhì)+R菌→S菌+R菌的現(xiàn)象？這樣就不能充分證明DNA就是遺傳物質(zhì)了。實(shí)際上實(shí)驗(yàn)中提取到的DNA純度最高時(shí)也還有0.02%的蛋白質(zhì)，所以針對艾弗里實(shí)驗(yàn)的缺陷，為了避免人為的實(shí)驗(yàn)誤差，有學(xué)生就提出新的構(gòu)想：能否找到體內(nèi)的DNA和蛋白質(zhì)在自然狀態(tài)下就能夠徹底分離的生物呢？

教師呈現(xiàn)資料：1952年，赫爾希和蔡斯發(fā)現(xiàn)了T2噬菌體，它是一種寄生于細(xì)菌體內(nèi)的病毒，由DNA和蛋白質(zhì)組成。多媒體演示T2噬菌體侵染細(xì)菌的過程：噬菌體吸附→DNA注入→DNA的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成→組裝→釋放。學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)侵染過程中DNA注入細(xì)菌內(nèi)，蛋白質(zhì)外殼留在細(xì)菌外面，DNA和蛋白質(zhì)在自然狀態(tài)下徹底分離，并產(chǎn)生了子代噬菌體。在此基礎(chǔ)上，教師設(shè)計(jì)一系列的問題串：

① 由于肉眼無法觀察T2噬菌體侵染細(xì)菌的過程，科學(xué)家如何知道DNA進(jìn)入到細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，而蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入的呢？

② 如何對元素進(jìn)行標(biāo)記才能區(qū)分DNA和蛋白質(zhì)？實(shí)驗(yàn)要設(shè)計(jì)成幾組？為什么？

③ 如何用放射性同位素32P標(biāo)記T2噬菌體的DNA？如何用放射性同位素35S標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)？

④ 用32P標(biāo)記DNA的T2噬菌體侵染普通細(xì)菌，經(jīng)攪拌、離心后實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會如何？請解釋沉淀物中放射性很高、上清液中放射性很低的原因。

⑤ 用35S標(biāo)記蛋白質(zhì)的T2噬菌體侵染普通細(xì)菌，經(jīng)攪拌、離心后實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會如何？請解釋沉淀物中放射性很低、上清液中放射性很高的原因。

⑥ 根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你能得出什么結(jié)論？

根據(jù)以上的分析，學(xué)生可以得出T2噬菌體的性狀是通過DNA傳遞給子代的，DNA是遺傳物質(zhì)。同時(shí)教師要求學(xué)生完成表1的填寫。有學(xué)生提出質(zhì)疑：假設(shè)DNA是遺傳物質(zhì)預(yù)期結(jié)果是什么？若蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)呢？

同時(shí)也有學(xué)生提出自己的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用15N標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的細(xì)菌、用未標(biāo)記的噬菌體侵染35S標(biāo)記的細(xì)菌，經(jīng)攪拌、離心后檢測到放射性主要部位應(yīng)該在哪里呢？

3 延伸實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建知識體系

教師：艾弗里的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)都能證明DNA是遺傳物質(zhì)，是不是所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA呢？

教師用多媒體展示煙草花葉病毒、HIV病毒、寨卡病毒的結(jié)構(gòu)，請學(xué)生根據(jù)艾弗里的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)具體方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA還是蛋白質(zhì)。教師激發(fā)學(xué)生對同學(xué)的有關(guān)主張?zhí)岢鲑|(zhì)疑或反駁，并要求學(xué)生根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究任何生物的遺傳物質(zhì)。最后師生對本節(jié)課進(jìn)行總結(jié)：

① 大多數(shù)生物以什么作為遺傳物質(zhì)？這些生物指哪類生物？

② 少數(shù)生物以什么做為遺傳物質(zhì)？這些生物有哪些？

③ DNA是主要的遺傳物質(zhì)，你如何理解“主要”的含義？

④ 建構(gòu)概念圖，構(gòu)建一個(gè)知識網(wǎng)絡(luò)圖（圖2）。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課在分析遺傳物質(zhì)科學(xué)探究史的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生注重對肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路的解釋和論證。對肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，在比較分析實(shí)驗(yàn)原則的基礎(chǔ)上，教師拓展了實(shí)驗(yàn)步驟，提出質(zhì)疑性的實(shí)驗(yàn)思路；T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)，結(jié)合問題串深入理解實(shí)驗(yàn)原理和思路，并設(shè)計(jì)推測侵染方式的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；其他實(shí)驗(yàn)注重引導(dǎo)學(xué)生借助前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法來探究其遺傳物質(zhì)。在教學(xué)過程中，教師注重引導(dǎo)學(xué)生解釋和論證每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和觀點(diǎn)構(gòu)建的理由，學(xué)生在嘗試提出主張、與人論證、使用證據(jù)支持或反駁等過程中，培養(yǎng)了理性思維和科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝群，蘇詠梅.論證——科學(xué)教育的本質(zhì)[J].生物學(xué)通報(bào)，2016（03）：10-14.

[2] 李希明，梁磊.“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”過程的教學(xué)突破[J].中學(xué)生物學(xué)，2016（03）：47-48.

[3] 魏希清.“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2013（08）：21-22.