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从实验设计思路和原则角度领悟生物学核心概念

2016-11-11王玉霞

考试周刊 2016年84期
关键词:遗传物质噬菌体实验设计

王玉霞

教学的依据不是教材,而是课程标准。《普通高中生物课程标准(实验)》的四条基本理念是提高生物科学素养、面向全体学生、倡导探究性学习和注重与现实生活的联系,并倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念。可见“提高生物科学素养”的核心是教师要进行生物学概念的教学,尤其是核心概念的教学。美国的布鲁纳曾说:概念学习是人类学习的核心。因此,在生物学课堂教学中应采取多种策略,如以学生储备的知识构建核心概念、以学生活动构建核心概念、以实验构建核心概念等,帮助学生深入理解生物学核心概念,促进学生生物科学素养的形成。

1.考纲要求及教学策略

在高三一轮复习中,学生对知识已有一定的认识,失去新鲜感,因而教师不能对知识进行简单的重现,而应引导学生立足教材,夯实基础知识和基本技能,提高理性思维能力。考纲中对“人类对遗传物质的探索过程”为Ⅱ类要求,“DNA是主要的遗传物质”一节中“遗传物质”是生物学概念,“DNA是遗传物质,遗传信息的传递是通过DNA复制实现的”是核心概念,核心概念的教学实际上是建立在一般概念、原理和规律之上的对生物学核心问题认识和理解的构建[1],前者是构建后者的重要基石。“遗传物质”是亲代与子代之间传递遗传信息的物质,如何理解“DNA是遗传物质,遗传信息的传递是通过DNA复制实现的”这一核心概念?布鲁纳认为“人是通过认知表征的过程来获得知识、实现学习的”。因此,教师不能不遵循认知结构学习的规律,更不能用教师思维替代学生思维的发生、发展、延伸。教师可以科学家的研究历程为背景资料,引导学生思考实验设计思路,分析实验现象,使学生从形象表征走向抽象表针,进而理解核心概念。本节复习思路:遗传现象→探究遗传物质→遗传物质必备条件→经典实验分析→正确理解“DNA是遗传物质,遗传信息的传递是通过DNA复制实现的”和“DNA是主要的遗传物质”。

2.复习过程

2.1导入

生命之所以能够一代一代地延续,主要是因为遗传物质绵延不断地向后代传递,从而使后代具有与前代相同的性状。遗传给后代的究竟是什么?通过对细胞结构、细胞分裂、受精作用的学习可知,遗传给后代的细胞是精子和卵细胞,遗传给后代的结构是染色体,染色体在生物的传宗接代过程中,保持一定的稳定性和连续性。染色体的主要成分是DNA和蛋白质,谁才是遗传给后代的物质呢?引导学生思考“作为遗传物质,必须具备哪些条件”,使学生对遗传物质有正确的认识。遗传物质需满足以下四个条件:(1)能够精确地自我复制,使前后代具有一定的连续性。(2)能够指导蛋白质的合成,从而控制生物的性状和新陈代谢的过程。(3)具有贮存大量遗传信息的潜在能力。(4)具有相对的稳定性,可产生可遗传的变异。

2.2设计实验探究“遗传物质究竟是什么”

田奇林老师在《做一位“发展学生高阶思维能力”的积极践行者》中指出[2]:前天——授人以鱼,“灌知识”“灌方法”,用自己的理解代替学生的理解;昨天——授人以渔,学会阅读学习,变革接受学习,;今天——授人以渔场,给学生提供信息场、创设问题场、留足探索场、提供创造场、建构情感场,让学生摸索着捕,如有不会,再有针对性地指导;明天——“做科学”,生物是一门实验学科。因此,在高中生物学教学中,教师应发展学生理性思维,动脑动手,加强学生实验设计能力尤其是实验设计思路的培养和训练。

根据导入中染色体的主要成分是DNA和蛋白质及遗传物质的满足条件可知,遗传物质是DNA或蛋白质,依据实验设计的单一变量原则和对照原则,实验应设法将DNA和蛋白质分开,可通过分离提纯法或同位素标记法实现,然后单独看其作用。若是探究未知病毒遗传物质是DNA还是RNA,可利用酶的专一性,通过酶解法,破坏一种物质,看另一种物质,也可以使用病毒重组法。

2.3教材中的三个经典实验如何体现单一变量原则和对照原则

从实验设计的两大原则角度,重新审视经典实验,加深对实验的理解。将教材中的基础和主干知识以问题的形式呈现给学生,既能夯实基础,又能提高实验设计和分析能力。

2.3.1肺炎双球菌体内转化实验

(1)R型活细菌 小鼠→健康

(2)S型活细菌 小鼠→死亡

(3)加热后杀死的S型细菌 小鼠→健康

(4)R型活细菌+加热后杀死的S型细菌 小鼠→死亡

(1)(2)两组通过控制细菌的类型进行对照,可知R型活细菌是无毒的,而S型活细菌是有毒的。(2)(3)两组通过控制S型细菌的存活状态进行对照,可知加热后杀死的S型细菌是无毒的。在此基础上进行的第(4)组实验,实验现象是小鼠死亡,从小鼠体内分离出S型活细菌,但是注射到小鼠体内的是活的R型细菌和加热杀死的S型细菌,小鼠体内无毒的R型活细菌转化有毒的S型活细菌的实质是什么?第(4)组死亡的小鼠体内都是S型活细菌吗?为什么?

由该实验可知:S型菌中有转化因子,那么究竟S型菌中的什么物质是转化因子呢?怎么从S型菌的组成成分中判断哪种物质是转化因子,实验怎么设计,为什么这样设计?引导学生运用单一变量原则和对照原则积极思考。要判断S型菌中哪种物质是转化因子,要设法将S型菌的各种组成成分分开,单独观察其作用。

2.3.2肺炎双球菌体外转化实验

(1)S型菌的DNA+R型菌→R型菌和S型菌

(2)S型菌的蛋白质+R型菌→R型菌

(3)S型菌的多糖+R型菌→R型菌

(4)S型菌的DNA+DNA酶+R型菌→R型菌

(1)(2)(3)三组通过控制S型菌的组成成分进行对照,可知S型菌的DNA使R型菌转化为S型菌,S型菌的蛋白质和多糖不可以。(1)(4)两组通过控制是否加入DNA酶进行对照,可知转化因子是DNA,而不是DNA的分解产物。进一步抛出问题,既然实验遵循了单一变量原则和对照原则,设计合理,那么为什么仍有人对该实验的结论提出质疑?从而训练学生的批判思维能力。

分离提纯得到的物质纯度不能达到100%,有没有更好的方法将DNA和蛋白质区分开来?选择什么实验材料最合适?

2.3.3T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验

选择合适的实验材料是十分重要的。从实验操作程度和可控制性等方面看,最好选择只有DNA和蛋白质这两种物质作为组成成分的生物为实验材料。既然无法通过提纯得到100%的相关物质,我们就要追踪DNA和蛋白质的作用,可以用什么方法?引导学生对分泌蛋白形成的复习,得出采用放射性同位素标记法。放射性强度是实验观察指标,我们不能判断具体是哪种物质哪种元素产生的放射性,因而只能对DNA和蛋白质分别进行标记,且标记DNA的特有元素和蛋白质的特有元素。实验通过控制噬菌体中被标记的物质进行对照,可知噬菌体侵染细菌时,噬菌体的DNA进入到细菌细胞中,而噬菌体的蛋白质仍留在细菌细胞外,且两组都产生了子代噬菌体,子代噬菌体中只检测到 P,没有检测到 S。因此 P标记的DNA是亲代噬菌体与子代噬菌体之间传递遗传信息的物质,即DNA是遗传物质。引导学生进一步思考:既然DNA进入细菌体内,蛋白质未进入,为什么 P标记的噬菌体侵染大肠杆菌时,上清液中含有很低放射性?为什么 S标记的噬菌体侵染大肠杆菌时,沉淀物中含有很低放射性?由此,对今后的实验操作和实验设计有什么启发?

自然界中并不是所有的生物都有DNA,如烟草花叶病毒、艾滋病病毒只有RNA和蛋白质两种成分,可通过病毒重组法或酶解法探究其遗传物质。通过对遗传物质的探究发现自然界中大多数生物都是以DNA为遗传物质,所以“DNA是主要的遗传物质”。

3.反思

生物学核心概念的理解不是一节课或一个自然章节就可以完成的,通常需要花费较长时间,从多角度学习才能形成。虽然遗传物质不是核心概念,但它是构建核心概念的基石,在“遗传物质”概念的基础上,教师通过引导学生从实验设计思路和原则角度,抽丝剥茧,分析科学家的经典实验,揭开遗传物质的面纱,理解“DNA是遗传物质”,而对“遗传信息的传递是通过DNA复制实现的”只能通过后续章节来建立。

参考文献:

[1]朱晓林.高中生物学教材中核心概念的界定和基本划分.生物学教学,2010,35(12):20-22.

[2]田奇林.做一位“发展学生高阶思维能力”的积极践行者.中学生物教学,2014(7):6-9.

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