閆新霞 戴 亞
(中國人民大學附屬中學 北京 100080)
科學思維是指尊重事實和證據(jù),崇尚嚴謹和務(wù)實的求知態(tài)度,運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[1]??茖W探究是指能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題,針對特定的生物學現(xiàn)象,進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施,以及對結(jié)果的交流與討論的能力[1]??茖W思維和科學探究是高中生物學學科核心素養(yǎng)的重要組成,二者高度相關(guān)。
經(jīng)過新課學習,學生已形成了基本的學科思維,但在解決實際問題時,依然難以理清研究思路,原因是尚未形成良好的思維習慣。教師有必要在高三生物學復(fù)習中,為學生提供真實的研究素材,對生物學實驗研究的思想方法進行總結(jié)。學生在探究過程中發(fā)展科學思維,領(lǐng)會科學研究的基本思路。
植物激素調(diào)節(jié)是植物生理學的重要研究領(lǐng)域,近年來積累了豐富的研究成果。本節(jié)內(nèi)容是單元復(fù)習結(jié)束前的一節(jié)思想方法總結(jié)課,筆者精選科研素材,與教材內(nèi)容有機整合,通過實驗分析總結(jié)植物激素調(diào)節(jié)的研究方法。所涉及的知識內(nèi)容是生長素的極性運輸和頂端優(yōu)勢原理,所選科研素材來自筆者之一在中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所時的科研工作——對擬南芥插入突變體進行實驗研究、認識bud1基因的功能。
1)設(shè)計和分析“頂芽產(chǎn)生生長素抑制側(cè)芽運輸”的實驗,初步領(lǐng)會受控對比實驗的設(shè)計思路和技術(shù)的應(yīng)用價值。
2)探討插入突變對表型影響的2 種情況,體會分子生物學技術(shù)的應(yīng)用價值。
3)設(shè)計和分析bud1突變體的系列實驗,研究bud1功能,發(fā)展假說-演繹的科學思維。
結(jié)合課上內(nèi)容,以板書形式逐步呈現(xiàn)本節(jié)課的科學思維框架(圖1)。
圖1 板書設(shè)計
本節(jié)課的教學流程見圖2。
圖2 教學流程
3.1 實例1:菜豆實驗分析 以學生熟悉的實驗,總結(jié)植物激素調(diào)節(jié)的實驗設(shè)計思想和實驗技術(shù)應(yīng)用。經(jīng)導入環(huán)節(jié)后,教師展示教材實例1——菜豆實驗(圖3)。
圖3 菜豆實驗分析
教師設(shè)問:頂芽的存在為什么會抑制側(cè)芽生長?根據(jù)已有知識,學生能很快答出“頂芽產(chǎn)生的生長素抑制側(cè)芽生長”。教師僅展示A、B 組實驗,提問這2 組實驗?zāi)芊褡C明這一結(jié)論?該問題能引導學生將實驗處理和結(jié)果的差異對應(yīng)分析:“A 有頂芽,側(cè)芽受抑制,B 去掉頂芽,側(cè)芽生長”,確定A、B 2 組對比僅能說明頂芽的存在抑制了側(cè)芽的生長,并不能確定是頂芽產(chǎn)生的生長素抑制了側(cè)芽生長。教師讓學生完善實驗方案。學生經(jīng)思考后能答出:頂芽中含有很多物質(zhì),并不知道是頂芽產(chǎn)生的生長素影響到了側(cè)芽生長,需要補充一組實驗,在去頂切面上涂抹生長素,如果側(cè)芽生長也受抑制,則說明生長素替代頂芽抑制了側(cè)芽生長,可得出“頂芽能產(chǎn)生生長素抑制側(cè)芽生長”的結(jié)論。
復(fù)習完教材實驗后,教師結(jié)合實驗,帶學生總結(jié)植物激素調(diào)節(jié)的研究方法(圖1)。
實驗設(shè)計的思路:1)假說-演繹:在解決問題的過程中,先提出假說(頂芽產(chǎn)生生長素抑制側(cè)芽生長),再根據(jù)假說設(shè)計實驗并預(yù)測結(jié)果(A、B、C 3 組),如果實驗結(jié)果與預(yù)期相符,則證明假說正確。2)受控對比實驗:設(shè)計實驗時,以常態(tài)為對照組,實驗組外加一個因素(加法實驗),或去掉一個因素(減法實驗),對比各組結(jié)果,可知此因素與檢測指標之間的關(guān)系。
實驗技術(shù)應(yīng)用:切除結(jié)構(gòu)(去除頂芽)或阻斷運輸(例如,生長素發(fā)現(xiàn)過程中的詹森波森實驗)的操作可用作減法實驗,施加外源激素的操作可用作加法實驗。與常態(tài)對照組相比可知頂芽及生長素的作用。
3.2 實例2:bud1突變體實驗研究 以挑戰(zhàn)性科研素材讓學生親歷科學探究、發(fā)展科學思維。教師以2 個問題過渡到第3 個環(huán)節(jié):頂端優(yōu)勢的產(chǎn)生機理是什么?即如何從細胞水平和分子水平解釋頂端優(yōu)勢產(chǎn)生的原因?
3.2.1 介紹分子遺傳學的模式生物——擬南芥
教師提供擬南芥的圖片及文字介紹(圖4)[2],讓學生閱讀并回答:為什么擬南芥被稱為植物界中的果蠅?學生能分析得出擬南芥和果蠅類似的特點:“易于栽培、實驗周期短、易于觀察、易于做統(tǒng)計學分析”等,也能關(guān)注到“大多數(shù)基因與其他植物具有很高的同源性”,這使得研究成果具有代表性,但不太理解“基因組測序結(jié)果”意味著什么。教師再進一步點明,基因組測序工作使得人們了解了基因的數(shù)目、基因在染色體上的位置、基因的堿基對排序,但不知道基因的功能。利用T-DNA 插入基因內(nèi)部等方法獲得插入突變體、再比較突變體與野生型的差異,是研究被插入基因功能的重要方法。
圖4 擬南芥簡介
3.2.2bud1突變體實驗研究 在充分了解擬南芥后,教師介紹本節(jié)課的擴展素材:來自本校戴亞老師及其實驗室在十幾年前的科研論文——對擬南芥矮小叢生突變體的研究。
對于bud1突變體的研究包括2 個方面:突變體分子鑒定和BUD1 功能分析。分子水平和細胞水平的研究微觀且抽象難懂,在呈現(xiàn)過程中,教師以圖片展示研究重點,配以必要的講解和啟發(fā)性的提問,讓學生理解基本的研究思路。
1)突變體分子鑒定。突變體出現(xiàn)矮小叢生的性狀,是由什么原因引起的?首先是突變體分子鑒定。本項研究中,使用的T-DNA 上帶有增強轉(zhuǎn)錄的序列,該T-DNA 若插入到編碼區(qū),會引起被插入基因失活,突變體表現(xiàn)出基因功能缺失的表型;若插入到了非編碼區(qū),則會使基因的表達量增加,突變體表現(xiàn)出基因功能增強的表型。即在研究被插入基因的功能時,對過表達突變體和失活突變體進行研究得出的結(jié)論是相反的,因此,首先需要通過確定基因插入的位置鑒定突變體類型。突變體鑒定用到的分子生物學技術(shù)包括基因表達量測定和基因測序[3-4]。本項研究中,bud1突變體發(fā)生的是過表達突變。
如何讓學生理解突變體類型的鑒定方法?筆者以圖片引導學生分析,T-DNA 隨機插入到基因時,有可能是哪些位置?對表型有什么影響?學生思考、討論后認識到,如果T-DNA 插入到編碼區(qū),得到失活突變體,基因的功能喪失;如果插入到啟動子附近,得到過表達突變體,基因的功能增強(圖5)。
圖5 突變體的分子鑒定
如何確定bud1突變體是失活突變還是過表達突變?此問題涉及分子水平變化的檢測方法,有一定難度。學生的第一反應(yīng)是比較突變體和野生型的表型差異,但這無法反映二者的分子水平差異。經(jīng)思考,學生能分析得出,通過檢測突變體細胞中bud1基因mRNA 的量可了解基因表達情況,如此,技術(shù)手段與要解決的問題相匹配了。教師再呈現(xiàn)實際的RNA 量檢測結(jié)果[3],突變體的RNA 量顯著高于野生型,說明突變體發(fā)生了過表達突變。測序結(jié)果也支持這一認識。在該環(huán)節(jié)的教學組織中,重在技術(shù)如何解決問題,弱化技術(shù)操作細節(jié)。讓學生體會到技術(shù)為解決問題服務(wù)。
2)bud1基因功能研究。從實驗設(shè)計分析,bud1過表達突變體相當于加法實驗,通過對比野生型和bud1突變體的差異,可認識到bud1基因表達產(chǎn)物的功能。教師引導學生觀察、思考、設(shè)計實驗、分析結(jié)果,層層遞進地分析每一個實驗。
首先是形態(tài)差異分析。以圖片呈現(xiàn)過表達突變體的表型:矮小、分枝多,頂端優(yōu)勢明顯喪失[3-4],說明BUD1 能抑制頂端優(yōu)勢的出現(xiàn),這是結(jié)論1,學生可較輕松地得出此結(jié)論(圖6)。
圖6 比較突變體與野生型的表型差異
該抑制作用是如何實現(xiàn)的?教師啟發(fā)學生思考。學生已知頂端優(yōu)勢由生長素的極性運輸引起,能提出“BUD1 抑制了生長素的極性運輸”這一假設(shè)。教師展示擬南芥下胚軸的圖,讓學生考慮用什么方法可檢測生長素的極性運輸。經(jīng)討論,學生能提出“測定突變體和野生型的下胚軸下部生長素量差異”的思路,有的學生還能想到使用同位素標記法。此時,教師再展示科研人員的方案:在下胚軸頂端施加放射性的IAA,4 h 后檢測基部的放射性[5]。數(shù)據(jù)顯示,突變體的相對運輸速率顯著低于野生型[5],說明BUD1 能抑制生長素的極性運輸,實驗證據(jù)為假設(shè)提供了支持,順利得出結(jié)論2(圖7)。
圖7 測定突變體的極性運輸能力
教師再次設(shè)問:BUD1 怎樣抑制生長素的極性運輸?這需要補充相關(guān)知識[6],教師以圖片(圖8)展示IAA 極性運輸機理:IAA 輸入載體和輸出載體PIN 在細胞膜兩端的分布,PIN 的合成、囊泡運輸和嵌入膜上的過程。提問:你可提出哪些假設(shè)?
圖8 生長素的極性運輸需要載體
學生思考后回答,可能是生長素輸出載體的合成受阻、運輸受阻或囊泡嵌入細胞膜受阻。也有學生補充到,可能是輸入載體的數(shù)量減少。教師充分肯定學生的想法,讓學生認識到,只要合乎邏輯,對于待解決問題可提出多個合理假設(shè),大膽假設(shè)后才可能設(shè)計有針對性的實驗,無論證實還是證偽,有了讓人信服的實驗證據(jù),才能形成新的認識。
之后,教師通過圖片展示實驗結(jié)果。研究人員用熒光染料對細胞內(nèi)的輸出載體PIN 進行染色,用熒光顯微鏡等時間間隔觀察囊泡在細胞內(nèi)的位置[5]。為了很好地呈現(xiàn)結(jié)果,教師在圖片上圈出了目標囊泡、以線條標出囊泡起始位置,鮮明地呈現(xiàn)野生型和突變體的結(jié)果對比(圖9)。如此,學生能較輕松地得出結(jié)論3:BUD1 能降低細胞內(nèi)PIN 囊泡運輸?shù)乃俣取?/p>
圖9 測定突變體的囊泡運輸速度
最后,教師引導學生用規(guī)范的語言對bud1的功能進行科學表述。BUD1 通過降低細胞內(nèi)PIN載體囊泡的運輸速率抑制生長素的極性運輸、進而抑制頂端優(yōu)勢的出現(xiàn)。
這樣,通過由宏觀到微觀、由表及里的深入分析,揭示了bud1和頂端優(yōu)勢的關(guān)系,教師再板書總結(jié)(圖1),轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用使得人們能對生命現(xiàn)象進行分子水平的揭秘,但從實驗設(shè)計分析,其自變量控制的加、減法思路是不變的,即:T-DNA 插入突變通過基因的過表達創(chuàng)設(shè)加法實驗,通過插入失活創(chuàng)設(shè)減法實驗,比較實驗組和常態(tài)對照組的差異可明確這一基因的功能。同位素示蹤技術(shù)和熒光技術(shù)呈現(xiàn)了物質(zhì)運輸?shù)倪^程,這些技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)實驗技術(shù)都實現(xiàn)了同樣的效果,即將不可見的過程轉(zhuǎn)化為可觀察檢測的現(xiàn)象。
最后的總結(jié)讓學生對植物激素調(diào)節(jié)的研究方法有全面認識,通過實驗設(shè)計,找出解決問題的思路,技術(shù)的應(yīng)用讓想法轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆?,為大膽假設(shè)提供各種實證,科學在思考和實踐中不斷創(chuàng)新。
1)以教材實驗和科研文獻為素材,向?qū)W生提出與頂端優(yōu)勢相關(guān)的真實生物學問題,用解決問題的研究過程串起整節(jié)課的主線。引導學生作出假設(shè)、設(shè)計實驗、分析實驗結(jié)果、得出實驗結(jié)論,體現(xiàn)“教學過程重實踐”的課程理念,落實“科學探究”的核心素養(yǎng)。
2)以邏輯清晰的板書對植物激素調(diào)節(jié)的研究方法進行總結(jié)凝練,讓學生領(lǐng)會假說-演繹、受控對比實驗設(shè)計的實驗設(shè)計思想,并認識到傳統(tǒng)和現(xiàn)代生物技術(shù)都是在實驗設(shè)計思想的統(tǒng)領(lǐng)下得到應(yīng)用,將看不見的過程轉(zhuǎn)化為可觀察檢測的現(xiàn)象,為解決問題提供實驗證據(jù)。高度的概括讓學生獲得思維水平的提升,落實“科學思維”的核心素養(yǎng)。
3)以層層遞進、精心設(shè)計的問題串調(diào)動學生思維,為學生提供充足的思考時間和展示機會,在分析解決問題的過程中,發(fā)展科學思維。
4)科研素材選自本校教師的科研實踐,拉近了學生與科學研究的距離,培養(yǎng)學生對科研的興趣。