基于科学史资料和问题的探究教学

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  1 教材分析和教学设计思路
  (1) 科学的本质可以概括为知识性、概念性、过程性、探究性、开放性、社会性、STS和文化性。自然科学具有4个维度:科学是一个知识体系;科学是一系列的思维方式;科学是一套探究的方法;科学要与技术和社会相互作用。科学史学科的创始人乔治·萨顿认为:科学史是自然科学与人文学科之间的桥梁,它能够帮助学生获得自然科学的整体形象、人性的形象,从而全面地理解科学,理解科学与人文的关系。牛顿说:“我之所以成功,是因为站在巨人的肩膀上”。“现代的人总是从先辈的经历中学习如何面对今天的问题,去开辟未来的道路”,课程标准要求“注重生物科学史的学习”,指出:“科学是一个发展的过程。学习科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路,理解科学的本质和科学研究的方法,学习科学家献身科学的精神。这对提高学生的科学素养是很有意义的。”
  (2) 从“DNA是主要的遗传物质”一节开始,遗传理论的介绍进入到了分子水平,教科书以科学史形式重点介绍了肺炎双球菌转化实验的原理、过程以及噬菌体侵染细菌实验的原理、过程,并结合其他发现,证明DNA是主要的遗传物质。本节内容在整个《遗传与变异》的教学中起着承上启下的作用,与之前和之后的章节联系密切。通过本节科学史中经典实验的探究教学,能帮助学生从微观层面认识生命遗传的本质,认识生命的延续和发展,学会像科学家一样地进行科学探究,体会科学探究过程的严谨,认识到科学和技术相互促进共同进步。
  (3) 学生已对遗传因子(基因)的传递规律、基因型与表现型的关系具备初步认识,也具备染色体、核酸、蛋白质等相关知识,知道核酸是生物的遗传物质。通过细胞有丝分裂和减数分裂的学习知道染色体和DNA在控制遗传的过程中要复制并向子代细胞进行传递。通过之前对有关科学史如酶的发现、光合作用的发现、生长素的发现等处的研究方法、思路的学习,学生对于科学探究的流程已经熟悉,有一定的分析、处理对照实验,得出结果和结论的能力。
  2 教学目标
  (1) 总结“DNA是主要的遗传物质”的证据,能区分不同生物的遗传物质。
  (2) 通过资料分析和问题引导,尝试模仿科学家的探究历程,能在一定的情景中提出假说,设计(分析)对照实验,得出结果、结论,发展探究能力。
  (3) 总结严谨治学、实事求是、刻苦专研的科学态度的重要性,认同科学和技术共同进步。
  3 教学重难点
  (1) 肺炎双球菌的转化实验的原理与过程。
  (2) 噬菌体侵染细菌实验的原理与过程。
  4 教学流程
  4.1 课前预习
  教师布置学生分组收集以下资料:
  (1)遗传物质应具备的基本特征,遗传学发展简史;
  (2)关于水稻转基因的新闻;
  (3)肺炎双球菌的结构及肺炎双球菌转化实验,噬菌体的结构及噬菌体侵染细菌的实验。
  4.2 导入本章,激趣引入
  教师展示学生收集到的“转基因”资料,激发学生兴趣(新闻1:主粮转基因——61名院士联名请求转基因水稻产业化;新闻2:崔永元与方舟子论战转基因,质疑其不懂科学)。设疑导入:什么是基因?难道基因就是位于染色体上的一个个“符号”吗?什么是“转基因”?由此进入“基因的本质”一章学习。
  4.3 回顾遗传学理论的发展史,引入本节内容
  孟德尔通过豌豆的杂交实验,提出了“遗传因子”假说,揭示了“遗传的两大基本定律”;摩尔根通过果蝇红眼和白眼性状的研究将相关基因定位在细胞的X染色体上;人们发现一条染色体上有很多基因成线性排列;科学家在对生殖发育过程中减数分裂、受精作用和有丝分裂等过程进行研究,认识到染色体在生物的遗传中起着重要作用。染色体主要是由蛋白质和DNA组成的,究竟哪一种是遗传物质呢?
  4.4 教师引导学生总结对遗传物质的早期预测
  教师布置学生阅读,思考:为什么早期人们认为蛋白质是遗传物质?学生总结,得出结论:早期人们认为蛋白质是遗传物质的原因是特定时代认识的局限性(与之后的认识有差异,可见科学的发展性)。
  4.5 学生自主探究证明DNA是遗传物质的科学史
  (1) 探究肺炎双球菌做为遗传实验材料的原因。
  教师引导学生能说出:细菌结构简单,遗传物质DNA单独存在,没有构成染色体,成分不多,便于开展研究等特点。教师补充细菌的营养、人工培养、繁殖(二分裂)、菌落等其他知识,为后续探究活动做准备。
  (2) 探究肺炎双球菌转化实验1(注射小鼠转化实验)——提出“转化因子假说”。
  通过这个实验,学生体味科学家的研究方法、思路、态度和精神。教师引导学生阅读教材,讨论如下问题:①为什么加热杀死的S型细菌不会导致小鼠死亡?②为什么活的R型细菌和死的S型细菌混合注射,导致小鼠的死亡?你可能提出什么样的假设?③转化成的S型细菌的后代也是S型细菌,说明了什么?④本实验体现了哪些科学实验原则和方法?关于实验结果,你能提出什么假说?⑤为何S型细菌已经加热被杀死了,“转化因子”还存在吗?⑥你能对“转化因子”导致R型细菌转化为S型细菌的过程给予现代解释吗?
  教师针对学生的回答加以点拨,对学生的闪光点加以鼓励,对学生的失误要包容和纠正,最后总结拓展:①格里菲斯的观点:S型死菌中含有一种“转化因子”,能使R型菌转化为S型菌。②本实验只提出“转化因子”学说,不能证明DNA是遗传物质,也不能证明DNA是主要的遗传物质,可见科学研究的严谨性。③实验中的高温处理导致荚膜结构破坏后不可恢复,而DNA分子在此高温处理变性后,随温度恢复结构亦可恢复(DNA可变性和复性)。④对这个实验进行现代解释:S型细菌的DNA进入到了R型细菌细胞中,发生了DNA重组(转基因),R型细菌转化为S型细菌。
  (3) 探究肺炎双球菌转化实验2——实验验证“转化因子”是DNA,DNA是遗传物质。
  这个实验继承上一个实验,形成了一个完整的科学发现流程:观察、实验——提出问题——作出假说——验证假说——得出结论。提出问题:“转化因子”到底是什么?作出假设:S型细菌中含有某种促成肺炎双球菌转化的活性物质。教师尝试让学生设计实验,与科学家设计的实验进行比较,引导学生对该实验进行分析,最后总结结论:DNA是转化因子,是使R型细菌产生稳定的遗传变化的物质,即DNA是遗传物质。
  (4) 探究噬菌体侵染细菌实验——让已有的科学发现趋近更加严谨和完美。
  培养学生的科学探究能力包括:学会分析实验,并能学会用准确的术语、图表、模型介绍研究方法和结果预测,阐明观点,认识到科学结论必须是严谨的。教师指出以艾弗里等科学家提取到的DNA纯度最高时也仍含有0.02%的蛋白质,有人对实验结论仍有怀疑。能不能设计更好的实验将DNA和蛋白质区分开,更准确地说明哪种物质是遗传物质呢?
  教师讲解噬菌体的结构和化学成分、元素组成,补充噬菌体病毒的增殖过程。教师先利用媒体播放动画,然后和学生共同构建侵染模型:吸附、注入DNA、噬菌体DNA在细菌细胞中复制和控制蛋白质合成(强调只注入了噬菌体DNA,以细菌提供各种原料和场所,合成子代病毒的全部成分)、组装、释放子代病毒。教师提示:一般来说,所有的病毒不具备独立的代谢能力,产生后代的时候,必须寄生在活细胞中,运用细胞中的原料来合成核酸和蛋白质,产生后代。
  教师引导学生阅读教材后,思考回答问题串:
  ①怎样实现将噬菌体的DNA和蛋白质区分开,单独观察它们的作用?
  ②用到了什么方法?标记了什么元素?能否对其他元素做标记?
  ③怎样标记噬菌体?为何不直接用放射性物质培养噬菌体?
  ④做了几组噬菌体侵染细菌的实验?为什么?
  ⑤实验步骤如何?
  ⑥混合过程中会发生什么?为何保温?为何搅拌?为何离心?
  ⑦两组实验中上清液、沉淀物和子代噬菌体中的放射性有何不同?如何做出解释?
  ⑧实验中需要用到哪些方法技术?你如何评价技术和科学进步的关系?
  ⑨关于以上实验你还想知道哪些问题?
  师生共同归纳总结:
  ①研究思路——科学发现的关键:采用放射性同位素标记法,将DNA、蛋白质区分开,研究DNA和蛋白质到底谁是噬菌体的遗传物质;
  ②研究方法技术——科学发现的保障:放射性同位素标记法、细菌培养、病毒培养、物质(结构)离心分离技术、放射性同位素检测技术;
  ③实验流程——科学必须严谨:标记细菌、标记噬菌体、用已标记的噬菌体侵染细菌、搅拌、离心、检测放射性;
  ④分组合作建构标记噬菌体侵染细菌的流程模型:组1、2绘制32P标记DNA的图解;学习小组3、4绘制35S标记蛋白质的图解。进行评价和总结之后,各学习小组相互借鉴,绘制既有32P标记DNA也有35S标记蛋白质的图解(提示:实验中没有两种化合物同时标记,原因是要起到区分作用)。
  教师拓展:
  ①以上实验和分析表明,噬菌体蛋白质外壳未进入细菌内部,真正在亲代和子代噬菌体中具有延续性的物质是DNA,DNA才是噬菌体的遗传物质。
  ②后来证实,除了噬菌体之外,其他具有DNA的生物也是以DNA作为遗传物质。
  ③第一组:上清液放射性很高,说明蛋白质外壳没有注入到细菌细胞中;沉淀物放射性很低而不是没有放射性,可能是搅拌不充分所致;第二组:沉淀物放射性很高,说明DNA注入到细菌细胞中,随细菌沉淀到底部;上清液放射性很低而不是没有放射性,可能有部分被噬菌体入侵的细菌发生裂解,上清液中含有释放出的含放射性的噬菌体。④证明了DNA是遗传物质,不能证明蛋白质不是遗传物质,也不能证明DNA是主要的遗传物质。
  (5) 教师引导学生尝试自己设计实验,证明RNA也是遗传物质。
  教师补充相关材料,让学生尝试设计证明车前草病毒(HRV)与烟草花叶病毒(TMV)遗传物质是RNA的实验。学生由此知道遗传物质除了DNA还有RNA,提出有的病毒所含核酸为RNA,RNA是这些病毒的遗传物质。
  (6) 总结DNA是主要的遗传物质。
  ① 生物的遗传物质是核酸;② 无论是原核细胞还是真核细胞,细胞中同时具有两种核酸,但DNA才是细胞的遗传物质;③ 病毒具有哪种核酸,该种核酸就是它的遗传物质;④ 由于绝大多数生物的遗传物质是DNA,所以DNA是主要的遗传物质。最后,完善本节的概念图(图1)。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  (7) 总结科学探究的特点:科学研究是要在实验和观察的基础上,通过严谨的推理和大胆的想象,提出假说,再通过实验进一步地验证假说;科学研究依赖于技术的进步,技术进步了,可以得到更多新的实验数据;科学发现的过程是一个长期的、严谨的过程,涉及到许多科学家的辛勤工作;科学家的观点并不全是真理,还必须通过实践验证;科学学说不是一成不变的,需要不断完善。
  5 教学后记
  教材中的科学史本身集知识、思维、探究方法、实验技术、科学精神等要素于一体,教师加强对科学史素材的探究,发挥其育人功能,是落实新课程“提高生物科学素养”、“倡导探究性学习”的教学理念,促进学生认识科学的本质和科学方法的重要途径。在科学史教学的探究过程中,教师要预设学生已有的认知,对于一些前体知识要做适当介绍,对于该适当拓展的地方要拓展。教师要善于激发和引导教学行为,突出学生的主体活动,激发学生兴趣,让学生的观察、分析、判断、表达能力以及探索精神得到有效培养;在引导学生探究过程中,要有预设,更要关注生成。如:本节课教学中出现了一个小插曲,学生问到:“加入了死的S型细菌后,R型中产生了S型细菌,这是不是因为S型细菌起死回生?”可见,学生是具有创新想法的。这时教师不能抹杀学生的这种创造性的问题,而应对该学生的质疑精神进行表扬,用“所有化合物要有序组织才能构建细胞”的观点对“S”型细菌“起死回生”的说法进行了评价,并鼓励学生课后查找人工构建细胞、生命的资料,进行更加深入的探究。
  参考文献:
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