朱俊

[摘要] 科學史探究課作為既能提升學生探究能力，又能培育學生科學素養(yǎng)的課型，對于回歸生物學科的科學本質至關重要。以“DNA是主要的遺傳物質”為例，開發(fā)了以問題支架為主線，情境支架引入、范例支架反思、工具支架明晰和實驗支架探究為具體教學過程的支架式教學設計，以培育學生的科學探究素養(yǎng)。

[關鍵詞] 科學探究;實驗原則;科學精神;多樣化

科學史探究課是介紹科學家發(fā)現并解決科學問題的課型，其中蘊含著的不單單是科學探究的步驟與方法，還有科學探究的邏輯與思維、態(tài)度與精神。因而，對科學史探究課的學習，是揣摩科學前輩探究的過程，是學習科學研究方法的過程，更是領悟科學探究本質的過程。單純講授科學史探究課，難以調動學生對于整個探究過程的反思實踐，無法切實提升學生的科學素養(yǎng);而讓學生全盤自主設計實驗進行探究，顯然又不符合學生的能力水平，無法做到有效生成。此時就需要教師搭好“教學支架”，在契合學生認知水平與能力的基礎上，讓學生在體驗探究過程的同時掌握科學探究的方法。

支架式教學在科學教學中常用的形式有情境支架、范例支架、問題支架、實驗支架、工具支架等多種類型。[1]

本文以問題支架為主線進行教學，在具體教學過程中用情境支架進行課堂導入，用范例支架促進學生反思，用工具支架明晰實驗材料，用實驗支架協同科學探究，完成了“DNA是主要的遺傳物質”一節(jié)課的教學實踐。

一、情境支架，課堂引入

教學過程：在課堂的導入環(huán)節(jié)中，教師溯源之前學生已經學習過的遺傳物質科學探究史，展示從兩大遺傳定律的發(fā)現到科學家的重復試驗，從薩頓的假說到摩爾根的證明的連續(xù)過程。具體過程如圖1所示。

在教師的引導中始終聚焦問題：“遺傳物質的本質究竟是什么？”染色體的組成成分包括DNA和蛋白質，然后引出20世紀的遺傳物質之爭。20世紀早期，人類在沒有實驗證據支持的情況下，由于對蛋白質的認知范圍明顯要多于DNA，因此推測出蛋白質是遺傳物質;進入20世紀30年代以來，科學家們逐漸知道DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而成的生物大分子，而四種脫氧核苷酸組成的DNA分子可能蘊含著遺傳信息。那么，DNA與蛋白質究竟何者為遺傳物質？最后就引出本節(jié)課的內容：尋找基因的續(xù)集——遺傳物質的化學本質。

設計意圖：導入的教學設計采用情境支架，在復習鞏固知識的基礎上，以科學探究的情境感悟帶動學生思考，既讓學生厘清遺傳科學史的前期脈絡，又以這樣的情境脈絡逐步深入，讓學生體會科學研究中的傳承與問題解決的不易。此外，這樣的情境支架運用讓學生追隨科學家的腳步逐步理解、層層聚焦一個問題——“遺傳物質的化學本質是什么？”教學過程中，用20世紀之爭凸顯了生物學科的實驗特性，并激發(fā)學生對格里菲斯肺炎雙球菌轉化實驗學習的主動性。

二、范例支架，反思生成

緊接著上文的情境支架，教師告訴學生：20世紀30年代格里菲斯和艾弗里兩位科學家的實驗，使得“蛋白質是遺傳物質”引發(fā)學界的巨大質疑，動揺了當時人們對遺傳物質本質的假想和推測。將這兩組實驗作為范例支架進行使用，可以讓學生根據教師設置的問題逐步思考這兩個范例實驗的內涵與外延，從而逐步生成實驗探究的思路與方法。

1.對體內轉化范例的介紹與反思

教學過程：告訴學生S型菌和R型菌的區(qū)別與特點，然后利用多媒體展示體內轉化實驗的過程。根據兩種肺炎雙球菌的致病性，讓學生自學實驗內容，并解決如下的三個問題：（1）第一、二兩組的實驗結果如何？

（2）第三組如果將滅活的S型菌注射到小鼠體內，結果會怎樣呢？（3）第四組實驗中引起小鼠死亡的細菌是哪種細菌？它又是如何來的？

經過這三個問題，學生得出了如下兩種結論：一種是加熱殺死的S型菌，存在某種物質，促進R型活菌轉變?yōu)镾型活菌;另一種是R型菌使死亡的S型菌復活了。此時，教師即可進行解釋，說明細菌死亡蛋白質會變性，不可能復活，以排除第二種可能性。從而得出結論：已經加熱殺死的S型細菌中，必然含有某種物質使R型菌轉化S型活菌。最后，教師進一步追問學生：什么物質使R型轉化成為S型活菌呢？讓我們來看第二個實驗范例。

設計意圖：將格里菲斯的實驗作為范例支架，并用問題層層深入，引導學生仔細分析第一、二、三組實驗的步驟。這樣的反思需要生成的不僅僅是根據實驗原理得出的實驗結果，更是提高學生在實驗中觀察和收集信息的能力。而教師引導學生對第四組實驗結果進行分析，幫助學生作出推測和假設，在潛意識中培養(yǎng)學生“提出問題、作出假設、實驗驗證、得出結論”的基本科學探究方法。[2]最后的設問說明了格里菲思當時并沒有深入研究，而美國科學家艾弗里卻立刻敏感地抓住了這一個問題。這樣的教學設計既提高了學生對肺炎雙球菌體外轉化實驗的學習興趣，又讓學生明白了科研需要敏銳地捕捉問題并堅持不懈地進行探究。

2.對體外轉化范例的介紹與反思

教學過程：將肺炎雙球菌的轉化實驗作為第二個范例支架拋出，同樣讓學生依據“提出問題、作出假設、實驗驗證、得出結論”的基本科學探究方法，分析艾弗里的實驗設計思路是什么。同時，在多媒體上展示艾弗里的體外轉化實驗概念圖。具體如圖2所示。

經過問題引導的學習后，學生認為艾弗里主要采用了物質間分離的思路進行實驗。其基本過程如下：（1）提出問題：轉化因子是什么？（2）作出假設：S型菌中的多糖、脂質、蛋白質、DNA可能是轉化因子;（3）實驗驗證：將上述4種物質分別加入R型菌培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，觀察其是否出現S型菌的菌落;（4）得出結論并確認：為了排除DNA中的雜質干擾，在S型菌的DNA提取物中加入DNA酶將其徹底降解，結果是沒有S型菌，說明S型菌中的DNA是R型轉化為S型的轉化因子。最后，告訴學生采用各物質間的分離與效用分析，這就是實驗設計中常用的“加法”和“減法”思想。

設計意圖：教學過程中，將上一個范例實驗教學中隱藏的“提出問題、作出假設、實驗驗證、得出結論”基本科學探究方法，完全地暴露出來作為框架進行實驗分析。這樣的支架教學設計將實驗的講授過程優(yōu)化成引導學生反思范例的過程，讓學生在深入了解實驗思路與方法的同時，掌握科學研究的方法并養(yǎng)成嚴謹、求實的科學態(tài)度。此外，通過教師的設問與學生的反思分析，還讓學生明白了實驗設計中常用的“加法”和“減法”思想，培養(yǎng)了學生的邏輯思維能力和科學探究精神。

三、工具支架，材料明晰

到了這里似乎已經明確了艾弗里的實驗證明了DNA就是遺傳物質，可這么巨大的貢獻為何卻與諾貝爾獎失之交臂呢？這個時候告知學生，1946年諾貝爾獎評委認為：DNA中可能仍然存在蛋白質雜質，可能這些雜蛋白才是真正的轉化因子。[3]這個時候我們需要找到一個更好的實驗材料，能夠簡便快捷地將DNA和蛋白質不需要分離提純就能區(qū)分開。

教學過程：以噬菌體侵染大腸桿菌的小視頻為工具支架（為了促進學生對知識的理解和概念的建構，教師所提供的交流、共享、展示、協作的平臺等都可以理解為工具支架，如多媒體動畫、電子白板、網絡系統等），讓學生在看錄像時思考以下4個問題：（1）進入細菌體內的物質是什么？（2）噬菌體的什么結構留在細菌外面？（3）從細菌體內釋放出來的是什么？（4）新噬菌體的蛋白質外殼是如何產生的？再結合具體過程，講解噬菌體侵染細菌的五個過程——吸附、注入、合成、組裝、釋放。隨后，引導學生進行質疑：真的只有噬菌體的DNA進入細菌內部嗎？如何證明這個科學性事實？通過讓學生自己聯想之前學習過的探究方法（觀察分子或元素的轉移路徑），聯系之前光合作用的同位素標記法，學生便能夠想到采用同位素標記法。最后，根據元素特異性確定以32P標記T2噬菌體的DNA和用35S標記T2噬菌體的蛋白質外殼。

設計意圖：通過觀察噬菌體侵染細菌的過程，教師分步圖解分析工具支架，讓學生理解該實驗材料的巨大優(yōu)勢，降低學生學習的認知難度;用視頻的工具支架捕捉學生的思維，用視聽感知激發(fā)學生的學習興趣，以為后續(xù)探究性實驗的設計奠定基礎。隨后，通過質疑“只有噬菌體的DNA進入細菌內部”調動學生對“同位素標記法”的前概念，并結合對DNA與蛋白質分子中特有元素的復習回顧，進一步培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度、探究的問題意識和批判的思維能力。

四、實驗支架，合作探究

教學過程：讓學生帶著證明DNA是T2噬菌體的遺傳物質這樣的問題，分步完成如下探究：（1）如何得到具有放射性32P或35S標記的T2噬菌體？（2）學生提出了3種可能的假說，即T2噬菌體將DNA注入大腸桿菌中，蛋白質留在菌體外;噬菌體將蛋白質注入大腸桿菌中，DNA留在菌體外;噬菌體將DNA和蛋白質都注入大腸桿菌中。教師讓學生分成小組合作利用同位素標記法設計實驗，寫出實驗設計方案，根據假說提出可能的實驗結果。然后比較與赫爾希、蔡斯設計實驗的區(qū)別，完善實驗過程，并根據實驗結果分析得出結論。最后，教師再次質疑：DNA是所有生物的遺傳物質嗎？順勢提出煙草花葉病毒是RNA病毒，讓學生課后設計實驗證明其遺傳物質是RNA。

設計意圖：以赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細菌為實驗支架，通過讓學生自主設計實驗證明T2噬菌體的遺傳物質是DNA，引導學生合作探究，設計實驗驗證假說，理解并應用以32P和35S標記的噬菌體侵染細菌實驗為對照的設計思想。這樣的實驗支架以前面的支架為基礎，讓學生能夠在合作學習中鍛煉自己的實驗探究能力，并通過課外作業(yè)的布置，再一次培養(yǎng)學生理解實驗原則、感悟實驗方法、自主設計實驗等相關能力。這樣一來，通過“DNA是遺傳物質”到“DNA是主要遺傳物質”的學習，學生明白了科學探究是概念不斷形成、發(fā)展和完善的過程。

筆者在講授過程中并不是簡單講授整個科學探究史的相關知識，而是通過對科學探究現象、過程與思路等多方面的解析讓學生重走科學探究之路，理解知識的由來與知識背后的邏輯思維、科學方法。此外，本次教學多次利用支架輔助學生降低知識的認知難度，契合他們自身的認知水平。比如，先利用范例支架明確實驗設計的原則，并采用工具支架讓學生明晰實驗的材料，最后讓學生合作設計實驗。

[參考文獻]

[1]黃瑋.支架式教學在高中生物教學中的應用[J].課程教學研究，2013（10）：52-54.

[2]丁奕然，宋巧玲.“提高生物科學素養(yǎng)”的教學落實策略[J].中學生物教學，2016（7）：20-22.

[3]盧義欽.Avery為何與諾貝爾醫(yī)學獎失之交臂？[J].生命的化學，2005，25（1）：67-69.

朱 俊? ?江蘇省奔牛高級中學，正高級教師，江蘇省特級教師。江蘇省優(yōu)秀教育工作者，常州市教育領軍人才。