張琳琳

[摘 ? 要]生物科學(xué)史包含大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，蘊(yùn)含著科學(xué)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、批判性和繼承性，體現(xiàn)科學(xué)探索的艱辛過(guò)程，是生物教學(xué)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源之一。利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境可以加深學(xué)生對(duì)核心概念的理解，有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。文章以“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”為例談?wù)勅绾卫每茖W(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)史;教學(xué)情境;噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] ? ?G633.91 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1674-6058（2020）26-0090-03

教材內(nèi)容的呈現(xiàn)應(yīng)當(dāng)有利于學(xué)生通過(guò)活動(dòng)建構(gòu)新知識(shí)。有效的教學(xué)情境，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生形成良好的求知心理，從而使學(xué)生主動(dòng)參與對(duì)所學(xué)知識(shí)的探索發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)過(guò)程[1]。教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)的方式較多[2]，本文以“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”教學(xué)為例談?wù)勅绾卫每茖W(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。

一、 利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的內(nèi)涵分析

生物科學(xué)史包含大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，凝結(jié)著科學(xué)家的智慧，蘊(yùn)含著科學(xué)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、批判性和繼承性，也展現(xiàn)了科學(xué)探索的艱辛過(guò)程，因此成為生物學(xué)核心概念形成的源泉，是生物教學(xué)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源之一。然而，科學(xué)的發(fā)展是螺旋前進(jìn)的過(guò)程，其中有科學(xué)家的困頓，有新發(fā)現(xiàn)的欣喜，有堅(jiān)持傳統(tǒng)觀念的偏執(zhí)，有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的深?yuàn)W。因此，利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，不應(yīng)是科學(xué)事件的簡(jiǎn)單堆砌，而應(yīng)當(dāng)以核心概念為中心對(duì)科學(xué)史進(jìn)行研究、甄選和加工，以活潑的方式、清晰的歷史路線展現(xiàn)科學(xué)史資源，恰當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)的基本目標(biāo)，落實(shí)對(duì)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境需要教師關(guān)注、選擇和收集科學(xué)史材料，并對(duì)其進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚砗笞鳛榻虒W(xué)情境設(shè)計(jì)的資料和學(xué)生課堂討論的素材。以“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”教學(xué)為例，在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境時(shí)可收集以下科學(xué)史材料。

[科學(xué)史材料]1915年，英國(guó)著名細(xì)菌學(xué)家Twort在培養(yǎng)化膿性葡萄球菌時(shí)發(fā)現(xiàn)有些菌落上長(zhǎng)了透明斑，從而推測(cè)可能是細(xì)菌分泌的一種酶將菌體裂解了[3]。1917年，法國(guó)D' Herelle以恢復(fù)期病人志賀氏痢疾桿菌為材料觀察到噬菌現(xiàn)象，并分離出這種能使細(xì)菌裂解的過(guò)濾因子，命名為“Bacteriophage”，即噬菌體[3]。隨著噬菌體研究的深入，發(fā)現(xiàn)噬細(xì)菌體、噬藍(lán)細(xì)菌體和噬放線菌體等，它們廣泛存在于自然界中。因此，噬菌體被定義為能夠感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱[4-5]。

20世紀(jì)40年代是研究噬菌體的重要時(shí)期，隨著第一批電子顯微鏡的制造，1941年開(kāi)始陸續(xù)報(bào)道出對(duì)噬菌體形態(tài)的觀察。1942年，Luria和Thomas F.Anderson利用電子顯微鏡首次看到了吸附在細(xì)菌表面的噬菌體。次年，美國(guó)M.Delbrück（噬菌體學(xué)派創(chuàng)始人）也加入到電子顯微鏡觀察噬菌體的行列中，觀察到了四株噬菌體侵染大腸桿菌并吸附的過(guò)程。1942年，Delbrück和Luria合作，憑借他們良好的物理學(xué)訓(xùn)練和物理學(xué)研究經(jīng)歷，他們的思想更加解放、更富有創(chuàng)造力，最終分離出大腸桿菌噬菌體T系列、[?]X174等，發(fā)現(xiàn)噬菌體的釋放是一個(gè)爆發(fā)過(guò)程，包括潛伏期、生長(zhǎng)期和裂解釋放期，并設(shè)計(jì)了一步生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了烈性噬菌體T2侵染細(xì)菌和成熟噬菌體釋放的時(shí)間間隔，繪制出每個(gè)被侵染細(xì)胞釋放噬菌體的生長(zhǎng)曲線，即T2噬菌體一步生長(zhǎng)曲線[6]。

噬菌體如何侵染細(xì)菌？是何種物質(zhì)在噬菌體增殖中起作用？1949年，生物化學(xué)家Cohen利用同位素標(biāo)記的方法發(fā)現(xiàn)噬菌體幾乎全部由蛋白質(zhì)和DNA組成。同年，美國(guó)Anderson發(fā)現(xiàn)在高濃度NaCl溶液中噬菌體會(huì)失去侵染的活性，利用滲透壓的驟變可使噬菌體失活。電子顯微鏡可清晰地顯示被滲透壓沖擊失活的噬菌體釋放DNA的過(guò)程，噬菌體成為一個(gè)空殼的“幽靈”。1951年，Herriott研究發(fā)現(xiàn)滲透壓驟變能使噬菌體頭部釋放DNA，而“空殼”仍可以吸附到細(xì)菌上。Benzer Dulbecco于1952年也發(fā)現(xiàn)在不引起生長(zhǎng)的緩沖液中，噬菌體吸附到細(xì)菌上后，其DNA變得對(duì)DNA酶敏感了[7]。在前人的基礎(chǔ)上，為了更好地驗(yàn)證噬菌體吸附細(xì)菌后DNA從外殼中排出，1952年，赫爾希和蔡斯用35S和32P標(biāo)記的噬菌體吸附細(xì)菌碎片，在37 ℃保溫30 min，離心15 min，然后對(duì)沉淀和上清液分別進(jìn)行分析，其結(jié)果證實(shí)了噬菌體DNA具有感染性。

自此，科學(xué)家基本上弄清了噬菌體的吸附、侵入、復(fù)制、組裝、釋放這一由親代到子代的生命周期。1969年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了德?tīng)柌紖慰?、盧里亞和赫爾希三位遺傳學(xué)家，以表彰他們“利用噬菌體作為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)了病毒的復(fù)制機(jī)制和基本結(jié)構(gòu)”[8]。

二、依據(jù)核心概念進(jìn)行科學(xué)史甄選

情境創(chuàng)設(shè)需要根據(jù)課程和學(xué)生的接受能力做相應(yīng)的調(diào)整，使其具有針對(duì)性。筆者認(rèn)真研究了噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的相關(guān)歷史材料，并根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和高中生的思維特點(diǎn)，圍繞核心概念對(duì)科學(xué)史事件進(jìn)行篩選（如表1）。

三、利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

1.利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)真實(shí)的歷史情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生的生活或認(rèn)知范疇，容易激發(fā)學(xué)生的情感。噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)以印度恒河為真實(shí)情境，展示印度恒河的照片，提供歷史資料：200年前，英屬東印度公司的貨船專門(mén)補(bǔ)充恒河水，為什么呢？1896年，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家在印度的Gangs和Jumna河的水域中發(fā)現(xiàn)一種有明顯抗霍亂弧菌的物質(zhì)，因此恒河水經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的長(zhǎng)途航行依然甘甜如初，不會(huì)變質(zhì)。該故事引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突，使學(xué)生迅速產(chǎn)生探究欲望。

2. 利用科學(xué)史設(shè)計(jì)科學(xué)家對(duì)話情境，引發(fā)學(xué)生自主探究

設(shè)計(jì)多位科學(xué)家的自述，體現(xiàn)科學(xué)歷史發(fā)展規(guī)律。

德?tīng)柌紖慰说淖允觯骸拔沂堑聽(tīng)柌紖慰?，一名原子物理學(xué)家。我為生命著迷，但是成天與果蠅打交道實(shí)在太難，感謝噬菌體拯救了我。我和盧里亞成立了噬菌體俱樂(lè)部來(lái)研究噬菌體的生長(zhǎng)特點(diǎn)。我們對(duì)它的生長(zhǎng)進(jìn)行定量研究，寄主菌和噬菌體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析十分簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)1天內(nèi)就能完成，而且技術(shù)容易掌握。瞧，這是噬菌體一步生長(zhǎng)曲線，你看到了什么？”

Anderson的自述：“1949年注定是我不平凡的一年，我利用電子顯微鏡觀察到因滲透壓的驟變而失活的噬菌體呈蝌蚪形的空殼‘幽靈，真不可思議?！?/p>

Herriott的自述：“在1951年，我發(fā)現(xiàn)滲透壓驟變能使噬菌體的DNA釋放到溶液中，而‘空殼仍可以吸附到細(xì)菌上。難道噬菌體的增殖首先要除去保護(hù)性的外殼？”

Benzer Dulbecco的自述：“我發(fā)現(xiàn)在不引起生長(zhǎng)的緩沖液中，噬菌體吸附到細(xì)菌上后，其DNA變得對(duì)DNA酶敏感了。難道噬菌體侵染細(xì)菌過(guò)程中注入的是DNA？天啊，難道噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA？這怎么可能？”

教材中“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”的表述并不能直接激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而通過(guò)歷史事件的梳理，學(xué)生可以自主構(gòu)建噬菌體的結(jié)構(gòu)和噬菌體的增殖過(guò)程。加工歷史資料，用科學(xué)家自述的口吻展現(xiàn)科學(xué)研究的發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、預(yù)期結(jié)果，從而激發(fā)學(xué)生自主探究的激情，讓原本枯燥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程增添一些人文情懷，讓學(xué)生走近豐滿的歷史人物，尊重科學(xué)的發(fā)現(xiàn)歷史，培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和閱讀能力。

四、注重圖文展示科學(xué)史中的重要研究結(jié)果

噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，很難讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。為此，巧用科學(xué)史中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖展示，能更有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)結(jié)果的討論和結(jié)論的獲得，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性。例如，M.Delbrück的噬菌體侵染大腸桿菌一步生長(zhǎng)曲線（如圖1），為學(xué)生了解噬菌體侵染過(guò)程提供直觀的生長(zhǎng)曲線，讓學(xué)生感受噬菌體生長(zhǎng)有潛伏期、生長(zhǎng)期和釋放期。

赫爾希和蔡斯的Worling攪切器實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線（如圖2）幫助學(xué)生佐證自己的假說(shuō)，培養(yǎng)學(xué)生的圖像分析能力，同時(shí)促使學(xué)生進(jìn)一步思考實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的“意外”：怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去除噬菌體不能百分之百侵染細(xì)菌對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響？攪拌實(shí)驗(yàn)真的可以影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果嗎？讓學(xué)生感知科學(xué)研究中的批判性思維和假說(shuō)—演繹法。

綜上，教師需要有目的地創(chuàng)設(shè)生動(dòng)活潑的情境去營(yíng)造一種富有吸引力的學(xué)習(xí)氛圍，促使學(xué)生自主參與知識(shí)認(rèn)識(shí)和探索的過(guò)程?？茖W(xué)史本身就是科學(xué)知識(shí)的來(lái)源，是眾多科學(xué)家創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的記載。但是，科學(xué)史的發(fā)展是交叉性的，涉及的研究方向較多，沒(méi)有明確的發(fā)展主線，一線教師需要研究科學(xué)史材料，圍繞教學(xué)目標(biāo)選擇、挖掘和加工科學(xué)史材料，為學(xué)生提供較為合適的材料信息，這樣才能有效地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生感受到有血有肉的科學(xué)家形象，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，使其體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的人文精神，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

[1] ?中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?沈海燕.高中生物課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)多種活動(dòng)情境的研究[J].中學(xué)生物學(xué)，2011（11）：34-35.

[3] ?傅杰青.究竟是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了噬菌體？[J].自然辯證法通訊，1985（6）：50-54+80.

[4] ?王盛，童貽剛.噬菌體治療研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)通報(bào)，2009 （7）：1019-1024.

[5] ?周德慶.微生物學(xué)教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[6] ?羅成，徐斌.噬菌體研究的歷史與現(xiàn)狀[J].生物學(xué)雜志，1987（5）：20-23.

[7] ?黃建華.以“科學(xué)思維邏輯”組織“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)建議[J].生物學(xué)教學(xué)，2016（9）：61-63.

[8] ?程銳創(chuàng).生物課堂教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)存在問(wèn)題和解決策略[J].中學(xué)生物學(xué)，2016（3）：15-17.

（責(zé)任編輯 黃春香）