论文部分内容阅读
摘要 以遗传物质本质的探究历程为明线索，以假说一演绎法的一般流程作为暗线索贯穿整个课堂，通过对科学家经典实验的深入学习与剖析，增强学生的科学探究能力和实验设计的技能。
关键词 遗传物质 科学探究 实验设计 教学设计
中图分类号 G633.91
文献标志码 B
文件编号：1003-7586（2018）11-0003-03
1教材分析
《必修2·遗传与进化》模块的中“生物遗传”内容可划分为“遗传规律”和“遗传本质”两个单元，其中“遗传本质”是在学习了“遗传规律”的基础之上，探索遗传物质的本质及其表达方式，为进一步学习“生物的变异”与“生物的进化”奠定基础。“DNA是主要的遗传物质”属于“遗传本质”单元，本节主要介绍遗传物质本质探索历程中肺炎双球菌的体内外转化和噬菌体侵染大腸杆菌的两个经典实验，通过对科学家经典实验的深入学习与剖析，增强学生的自主探究能力和实验设计的技能，有助于提高学生的生物学学科核心素养。学生学习了本节内容后，明确了DNA是主要的遗传物质，可为进一步探究遗传物质的结构、复制方式以及其本质等指明方向。
2学习者分析
学生已经学习了细胞的有丝分裂、减数分裂和受精作用等细胞学基础知识，了解了DNA的基本单位以及染色体、蛋白质等大分子物质的化学组成，为新知识的学习奠定了坚实基础。此外，学生通过之前“遗传规律”单元的学习，也具备了一定了实验设计能力。
学生已经知道“遗传因子”的概念，但不清楚“遗传因子”的本质是什么以及如何起作用。另外，部分学生的实验设计能力还不够完善。因此，教师在讲课时应适时布置任务，启发学生思考实验设计的思路，引导学生独立设计实验，培养其实验设计的能力。
3教学目标
（1）举例说明“转化”的概念;举例说明“DNA是主要的遗传物质”。
（2）分析格里菲斯的实验过程，训练提出假设的技能;分析艾弗里和蔡斯的实验过程，训练实验设计的技能。
（3）认同人类对遗传物质本质的探索是连续且不断深化的过程;认同科学技术和科学发展是相辅相成的关系，技术进步促进科学发展，科学发展反过来又会促进科学技术的进一步提升;分析艾弗里和蔡斯的实验过程，养成严谨、认真和实事求是的科学态度。
4教学过程
4.1问题探讨，导入新课
教师指导学生阅读教科书4项“问题探讨”的内容，并启发学生思考：遗传物质可能具有什么特点？教师随机提问几名学生，并在学生回答的过程中引导其完善答案：遗传物质应具有信息性、传递性、复制性和变异性等特点。
设计意图：教师引导学生明确遗传物质应该具有的特点，使学生能够理解为什么当时科学家会认为蛋白质是遗传物质。
4.2新课教学
4.2.1对遗传物质的早期推测
教师指导学生阅读教科书42页“对遗传物质的早期推测”相关内容，并展示“染色体、蛋白质和DNA”示意图，带领学生一起分析20世纪20年代对生物大分子蛋白质、DNA的研究现状：当时人们已经知道蛋白质分子结构特点使其具有信息性，而对DNA分子结构尚未清晰了解，从而提出假说——蛋白质是遗传物质。
设计意图：教师通过指导学生阅读相关信息，使其了解当时科学家所处的社会环境和掌握的信息，引导学生提出假说——蛋白质是遗传物质。
4.2.2肺炎双球菌的体内转化实验
教师向学生说明：第一个通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点发起挑战的是美国科学家艾弗里，而艾弗里的实验又是建立在格里菲斯的实验基础之上。这样从而引入格里菲斯的肺炎双球菌的体内转化实验。
教师再展示格里菲斯的个人信息和生平简介，介绍肺炎双球菌类型及其亚型，并结合教师中的一、二组实验过程介绍其不同的特点。根据构成荚膜的多糖存在差异，将S型菌分为S-I、S-Ⅱ、S-Ⅲ三种亚型，Ⅲ型毒性最强。R型菌的亚型与S型菌的相似。教师介绍格里菲斯实验的初衷：他观察到感染S-Ⅱ（有毒）型的病患在愈后过程中，血清中出现R-Ⅱ病菌（无毒），即发生了突变。他思考：R-Ⅱ菌是否会回复突变为S-Ⅱ菌？为此，他做了两个实验。
①通过肺炎双球菌体外细胞培养实验的结果，发现：在体外连续培养多代的S型菌和R型菌，各亚型S型菌均可突变为相应亚型R型菌（S-I突变为R-I;S-Ⅱ突变为R-Ⅱ）。综合观察现象和实验一结果，得出结论：R型菌是由S型菌突变产生的，且突变仅发生在同亚型间。
②通过肺炎双球菌小鼠体内培养实验的结果，发现：向小鼠体内注射大量的某亚型R型菌，有时候能获得相应亚型的S型菌，而有时R型菌能够在小鼠皮下组织存活2～3周也不会发生突变。
教师引导学生思考：为什么会出现不同的结果？学生推测，当R型菌携带大量S型菌荚膜多糖时，才可能发生回复突变。接着，针对如何验证该推测是否正确，教师引入书本上第三组实验：将加热杀死的s-Ⅲ型细菌注射入小鼠体内，小鼠不死亡。证明无R型菌存在下，单独的S型菌荚膜多糖无致死效应。因此格里菲斯做了第四组实验，将R-Ⅱ活菌 杀死S-Ⅲ菌混合物（荚膜多糖）注入小鼠体内。结果发现：小鼠死亡，在死亡的小鼠体内分离出S-Ⅲ活菌，并可稳定遗传。这说明格里菲斯的推测是正确的，由此引入“转化”的概念。教师引导学生提出解释实验结果的假说：加热杀死的s-Ⅲ型菌中含有“转化因子”，使R-Ⅱ型活菌转化为S-Ⅲ型活菌.
设计意图：教师介绍科学家实验的初衷，带领学生回顾科学家的“提出问题、设计实验、解决问题”的实验流程，训练学生提出假说的能力。
4.2.3肺炎双球菌的体外转化实验
教师进一步向学生说明：S型菌的结构复杂，主要包括DNA、蛋白质和荚膜多糖等物质。教师引导学生思考：如何设计实验证明转化因子究竟是S型菌的哪种成分呢？实验设计的关键在于什么？教师安排学生分组讨论，思考实验设计的方案，使学生在合作学习中，领悟该实验设计的关键思路：将S型菌的DNA、蛋白质和荚膜多糖等物质分离开，单独观察其作用。随后，教师带领学生回顾艾弗里的经典实验过程，进一步引导学生思考：艾弗里为何还用S型菌的DNA与DNA酶混合后，再与R型菌混合培养？学生各自表达自己的观点，教师引导学生修正结论。教师进一步向学生说明：艾弗里实验证明S型菌的DNA是“转化因子”，并且其DNA使R型菌转变为S型菌后这一性状可以稳定地遗传给后代，因此，艾弗里提出了新的假说DNA是遗传物质。 教师补充说明当时一些科学家所认为的该实验的不足：由于提纯和分离技术的限制，艾弗里实验中提取的DNA分子，即使纯度最高时还含有质量分数为0.02%的蛋白质。
设计意图：学生体会艾弗里体外转化实验的关键设计思路，进行实验设计的技能训练，培养严谨的科学态度和缜密的科学思维。
4.2.4噬菌体侵染细菌的实验
教师接着向学生介绍赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，有利地证明了艾弗里的假说是正确的。教师展示T2噬菌体的模式图，并介绍T2噬菌体的结构及其特点：结构简单，只由蛋白质外壳和内部的DNA构成，专一地寄生在大肠杆菌体内。教师播放动画，并介绍噬菌体侵染大肠杆菌并完成自我复制的生理过程，强调其生殖特点：蛋白质外壳与DNA可以完全分离，并且噬菌体一个完整的侵染周期约为20min。介绍完噬菌体的特点后，教师指导学生阅读教科书44～45页中相关内容，学生分组讨论，思考以下问题：
①为什么要在分别含有放射性同位素32P和35S的培养基中培养大肠杆菌，再用该大肠杆菌培养T2噬菌体？
②該实验所选择的实验材料是什么？
③该实验所采用的实验方法是？技术手段是什么？
④该实验的自变量和因变量分别是什么？
⑤保温的时间最长不得超过多少时间？
教师深入介绍赫尔希和蔡斯的实验过程。之后，学生代表汇报问题答案，教师对其进行修正，并提出新的问题：为什么35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌的实验结果中在沉淀物也能检测到较低的放射性？教师引导学生提出两个解决问题的假说：①物理因素，实验过程中的搅拌和离心不够充分;②也有可能是0.02%的蛋白质进入大肠杆菌并起了主要的作用。教师进一步向学生说明：为了验证假说的正确性，赫尔希进一步检测了子代噬菌体的放射性，不能检测到35S标记的蛋白质。由此证明了DNA才是真正的遗传物质。
设计意图：在问题串的引导下，学生自主阅读生物学经典实验，分析实验过程并从中提取相关信息，了解该实验的实验材料、实验方法和各种变量等，并在掌握这些信息后进行一定的推理，对不符合预期的实验现象提出解释的假说，训练进行科学探究和实验设计的能力。
4.3巩固新知，总结概念
教师展示烟草花叶病毒、流感病毒和HIV等病毒的结构示意图，并告知学生这些病毒不含DNA，只含蛋白质和RNA，启发学生思考这些病毒只能以RNA为遗传物质。接着，师生共同对遗传物质本质探索的历程进行归纳，可以表格的形式呈现最后的结果。师生共同总结细胞结构生物（原核、真核）的遗传物质为DNA，部分非细胞结构生物（病毒）遗传物质为RNA，因此DNA是主要的遗传物质。
设计意图：教师抛出科学家们新的发现与现有实验结果间的矛盾，引发学生进一步深入思考。教师带领学生一起对科学家实验过程进行归纳，提升学生总结归纳的能力。
4.4教学反思
本节的教学设计明面上以遗传物质本质的探究历程为线索，实际上以假说一演绎法的一般流程作为暗线索贯穿整个课堂，使学生不断经历“提出假说一验证假说一提出新的假说”过程，领悟科学结论的得出必须经过严密的科学实验。教师适时让学生思考相关实验的关键设计思路和实验材料与变量的控制等，训练学生提出假说和实验设计的能力，提高学生的科学探究能力。这也是生物学科中核心素养所要求的。在实际的教学中，教师要根据实际需要查询相关资料，对科学史的内容进行相应补充，有利于学生对科学家实验过程的理解。本节体现最明显的是格里菲斯的实验设计过程，否则学生不明白格里菲斯设置三、四组实验的目的，也就没办法深入理解该实验。
关键词 遗传物质 科学探究 实验设计 教学设计
中图分类号 G633.91
文献标志码 B
文件编号：1003-7586（2018）11-0003-03
1教材分析
《必修2·遗传与进化》模块的中“生物遗传”内容可划分为“遗传规律”和“遗传本质”两个单元，其中“遗传本质”是在学习了“遗传规律”的基础之上，探索遗传物质的本质及其表达方式，为进一步学习“生物的变异”与“生物的进化”奠定基础。“DNA是主要的遗传物质”属于“遗传本质”单元，本节主要介绍遗传物质本质探索历程中肺炎双球菌的体内外转化和噬菌体侵染大腸杆菌的两个经典实验，通过对科学家经典实验的深入学习与剖析，增强学生的自主探究能力和实验设计的技能，有助于提高学生的生物学学科核心素养。学生学习了本节内容后，明确了DNA是主要的遗传物质，可为进一步探究遗传物质的结构、复制方式以及其本质等指明方向。
2学习者分析
学生已经学习了细胞的有丝分裂、减数分裂和受精作用等细胞学基础知识，了解了DNA的基本单位以及染色体、蛋白质等大分子物质的化学组成，为新知识的学习奠定了坚实基础。此外，学生通过之前“遗传规律”单元的学习，也具备了一定了实验设计能力。
学生已经知道“遗传因子”的概念，但不清楚“遗传因子”的本质是什么以及如何起作用。另外，部分学生的实验设计能力还不够完善。因此，教师在讲课时应适时布置任务，启发学生思考实验设计的思路，引导学生独立设计实验，培养其实验设计的能力。
3教学目标
（1）举例说明“转化”的概念;举例说明“DNA是主要的遗传物质”。
（2）分析格里菲斯的实验过程，训练提出假设的技能;分析艾弗里和蔡斯的实验过程，训练实验设计的技能。
（3）认同人类对遗传物质本质的探索是连续且不断深化的过程;认同科学技术和科学发展是相辅相成的关系，技术进步促进科学发展，科学发展反过来又会促进科学技术的进一步提升;分析艾弗里和蔡斯的实验过程，养成严谨、认真和实事求是的科学态度。
4教学过程
4.1问题探讨，导入新课
教师指导学生阅读教科书4项“问题探讨”的内容，并启发学生思考：遗传物质可能具有什么特点？教师随机提问几名学生，并在学生回答的过程中引导其完善答案：遗传物质应具有信息性、传递性、复制性和变异性等特点。
设计意图：教师引导学生明确遗传物质应该具有的特点，使学生能够理解为什么当时科学家会认为蛋白质是遗传物质。
4.2新课教学
4.2.1对遗传物质的早期推测
教师指导学生阅读教科书42页“对遗传物质的早期推测”相关内容，并展示“染色体、蛋白质和DNA”示意图，带领学生一起分析20世纪20年代对生物大分子蛋白质、DNA的研究现状：当时人们已经知道蛋白质分子结构特点使其具有信息性，而对DNA分子结构尚未清晰了解，从而提出假说——蛋白质是遗传物质。
设计意图：教师通过指导学生阅读相关信息，使其了解当时科学家所处的社会环境和掌握的信息，引导学生提出假说——蛋白质是遗传物质。
4.2.2肺炎双球菌的体内转化实验
教师向学生说明：第一个通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点发起挑战的是美国科学家艾弗里，而艾弗里的实验又是建立在格里菲斯的实验基础之上。这样从而引入格里菲斯的肺炎双球菌的体内转化实验。
教师再展示格里菲斯的个人信息和生平简介，介绍肺炎双球菌类型及其亚型，并结合教师中的一、二组实验过程介绍其不同的特点。根据构成荚膜的多糖存在差异，将S型菌分为S-I、S-Ⅱ、S-Ⅲ三种亚型，Ⅲ型毒性最强。R型菌的亚型与S型菌的相似。教师介绍格里菲斯实验的初衷：他观察到感染S-Ⅱ（有毒）型的病患在愈后过程中，血清中出现R-Ⅱ病菌（无毒），即发生了突变。他思考：R-Ⅱ菌是否会回复突变为S-Ⅱ菌？为此，他做了两个实验。
①通过肺炎双球菌体外细胞培养实验的结果，发现：在体外连续培养多代的S型菌和R型菌，各亚型S型菌均可突变为相应亚型R型菌（S-I突变为R-I;S-Ⅱ突变为R-Ⅱ）。综合观察现象和实验一结果，得出结论：R型菌是由S型菌突变产生的，且突变仅发生在同亚型间。
②通过肺炎双球菌小鼠体内培养实验的结果，发现：向小鼠体内注射大量的某亚型R型菌，有时候能获得相应亚型的S型菌，而有时R型菌能够在小鼠皮下组织存活2～3周也不会发生突变。
教师引导学生思考：为什么会出现不同的结果？学生推测，当R型菌携带大量S型菌荚膜多糖时，才可能发生回复突变。接着，针对如何验证该推测是否正确，教师引入书本上第三组实验：将加热杀死的s-Ⅲ型细菌注射入小鼠体内，小鼠不死亡。证明无R型菌存在下，单独的S型菌荚膜多糖无致死效应。因此格里菲斯做了第四组实验，将R-Ⅱ活菌 杀死S-Ⅲ菌混合物（荚膜多糖）注入小鼠体内。结果发现：小鼠死亡，在死亡的小鼠体内分离出S-Ⅲ活菌，并可稳定遗传。这说明格里菲斯的推测是正确的，由此引入“转化”的概念。教师引导学生提出解释实验结果的假说：加热杀死的s-Ⅲ型菌中含有“转化因子”，使R-Ⅱ型活菌转化为S-Ⅲ型活菌.
设计意图：教师介绍科学家实验的初衷，带领学生回顾科学家的“提出问题、设计实验、解决问题”的实验流程，训练学生提出假说的能力。
4.2.3肺炎双球菌的体外转化实验
教师进一步向学生说明：S型菌的结构复杂，主要包括DNA、蛋白质和荚膜多糖等物质。教师引导学生思考：如何设计实验证明转化因子究竟是S型菌的哪种成分呢？实验设计的关键在于什么？教师安排学生分组讨论，思考实验设计的方案，使学生在合作学习中，领悟该实验设计的关键思路：将S型菌的DNA、蛋白质和荚膜多糖等物质分离开，单独观察其作用。随后，教师带领学生回顾艾弗里的经典实验过程，进一步引导学生思考：艾弗里为何还用S型菌的DNA与DNA酶混合后，再与R型菌混合培养？学生各自表达自己的观点，教师引导学生修正结论。教师进一步向学生说明：艾弗里实验证明S型菌的DNA是“转化因子”，并且其DNA使R型菌转变为S型菌后这一性状可以稳定地遗传给后代，因此，艾弗里提出了新的假说DNA是遗传物质。 教师补充说明当时一些科学家所认为的该实验的不足：由于提纯和分离技术的限制，艾弗里实验中提取的DNA分子，即使纯度最高时还含有质量分数为0.02%的蛋白质。
设计意图：学生体会艾弗里体外转化实验的关键设计思路，进行实验设计的技能训练，培养严谨的科学态度和缜密的科学思维。
4.2.4噬菌体侵染细菌的实验
教师接着向学生介绍赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，有利地证明了艾弗里的假说是正确的。教师展示T2噬菌体的模式图，并介绍T2噬菌体的结构及其特点：结构简单，只由蛋白质外壳和内部的DNA构成，专一地寄生在大肠杆菌体内。教师播放动画，并介绍噬菌体侵染大肠杆菌并完成自我复制的生理过程，强调其生殖特点：蛋白质外壳与DNA可以完全分离，并且噬菌体一个完整的侵染周期约为20min。介绍完噬菌体的特点后，教师指导学生阅读教科书44～45页中相关内容，学生分组讨论，思考以下问题：
①为什么要在分别含有放射性同位素32P和35S的培养基中培养大肠杆菌，再用该大肠杆菌培养T2噬菌体？
②該实验所选择的实验材料是什么？
③该实验所采用的实验方法是？技术手段是什么？
④该实验的自变量和因变量分别是什么？
⑤保温的时间最长不得超过多少时间？
教师深入介绍赫尔希和蔡斯的实验过程。之后，学生代表汇报问题答案，教师对其进行修正，并提出新的问题：为什么35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌的实验结果中在沉淀物也能检测到较低的放射性？教师引导学生提出两个解决问题的假说：①物理因素，实验过程中的搅拌和离心不够充分;②也有可能是0.02%的蛋白质进入大肠杆菌并起了主要的作用。教师进一步向学生说明：为了验证假说的正确性，赫尔希进一步检测了子代噬菌体的放射性，不能检测到35S标记的蛋白质。由此证明了DNA才是真正的遗传物质。
设计意图：在问题串的引导下，学生自主阅读生物学经典实验，分析实验过程并从中提取相关信息，了解该实验的实验材料、实验方法和各种变量等，并在掌握这些信息后进行一定的推理，对不符合预期的实验现象提出解释的假说，训练进行科学探究和实验设计的能力。
4.3巩固新知，总结概念
教师展示烟草花叶病毒、流感病毒和HIV等病毒的结构示意图，并告知学生这些病毒不含DNA，只含蛋白质和RNA，启发学生思考这些病毒只能以RNA为遗传物质。接着，师生共同对遗传物质本质探索的历程进行归纳，可以表格的形式呈现最后的结果。师生共同总结细胞结构生物（原核、真核）的遗传物质为DNA，部分非细胞结构生物（病毒）遗传物质为RNA，因此DNA是主要的遗传物质。
设计意图：教师抛出科学家们新的发现与现有实验结果间的矛盾，引发学生进一步深入思考。教师带领学生一起对科学家实验过程进行归纳，提升学生总结归纳的能力。
4.4教学反思
本节的教学设计明面上以遗传物质本质的探究历程为线索，实际上以假说一演绎法的一般流程作为暗线索贯穿整个课堂，使学生不断经历“提出假说一验证假说一提出新的假说”过程，领悟科学结论的得出必须经过严密的科学实验。教师适时让学生思考相关实验的关键设计思路和实验材料与变量的控制等，训练学生提出假说和实验设计的能力，提高学生的科学探究能力。这也是生物学科中核心素养所要求的。在实际的教学中，教师要根据实际需要查询相关资料，对科学史的内容进行相应补充，有利于学生对科学家实验过程的理解。本节体现最明显的是格里菲斯的实验设计过程，否则学生不明白格里菲斯设置三、四组实验的目的，也就没办法深入理解该实验。