例谈基于论证的遗传科学史复习教学

◎福建省晋江市养正中学　杜惠东

例谈基于论证的遗传科学史复习教学

◎福建省晋江市养正中学杜惠东

以“DNA是主要的遗传物质”这一重要概念为复习教学案例，依据遗传科学史发展顺序及论证式教学策略，通过问题设置使案例主题情境化，创设“质疑和辩驳”课堂活动环节，逐步深化学生对“DNA是主要的遗传物质”重要概念的理解和相关概念体系的建构。

论证式教学；论证；科学史

科学的本质是基于证据的思想、解释与辩解，是证实和证伪的过程。论证式教学是指将科学研究方式引入课堂教学，让学生经历类似科学家的评价资料、提出主张、为主张进行辩驳等过程，从而培养学生科学的思维方式。论证是指围绕某一论题利用科学的方法收集证据，运用一定的论证方式解释、评价自己及他人证据与观点之间的相关性，促进思维的共享与交锋，最终达成限定条件下可成立的结论的活动。科学教育中实施论证式教学有利于学生对重要概念的理解，促进学生对科学概念的建构、科学探究的深入开展以及学生论证能力与解决问题能力的培养。

人教版《高中生物·必修2·遗传与进化》中的“DNA是主要的遗传物质”一节，提供了人类对遗传物质的探索历程丰富的科学史，展示了科学家如何逐步通过实证的方法获得相应科学结论的过程，也体现了科学技术的发展对科学认识的影响过程。复习教学时，可以通过论证式教学，解决学生普遍存在的“小鼠对两种类型肺炎双球菌的免疫过程是什么样的？”“转化因子为什么是遗传物质？”“艾弗里的实验既然已经证明DNA是遗传物质，为什么赫尔希和蔡斯还要用噬菌体侵染细菌做实验得出相同的结论？”“赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌能不能证明蛋白质不是遗传物质？”等四个疑问。

二、论证式教学设计思路

针对学生的四个疑问，以“DNA是主要的遗传物质”为主题，展开基于论证式教学策略的复习教学。通过问题设置、补充资料、还原科学史实，使得论证主题情境化，沿着“转化因子→遗传物质→DNA是遗传物质→RNA是遗传物质→DNA是主要的遗传物质”论证框架，逐步深化学生对“DNA是主要的遗传物质”这一重要概念的理解，并通过设置“质疑和辩驳”课堂活动环节，激发学生的复习热情和兴趣。再把相关生物变异、免疫调节、DNA分子结构、DNA分子杂交等重要概念穿插于复习教学中，使得学生体验和领悟科学精神以及科学、技术之间的相互影响。

论证是从学生活动“质疑举证：蛋白质是生物体的遗传物质”导入，再以“肺炎双球菌的转化实验”“噬菌体侵染实验”和“重组烟草花叶病毒接种实验”为主体展开对“DNA是主要的遗传物质”论证，最后归纳总结作为遗传物质应具备的基本条件。论证过程力图使学生领悟到：一个正确的结论可以通过不同的方法获得，从而认同科学结论获得的最基方法是实证方法，人类对科学的认识是不断深化和不断完善的过程。其中补充“两种肺炎双球菌的遗传关系”“肺炎双球菌引发人患肺炎和鼠患败血症的生理机制”等资料，对格里菲斯、艾弗里的肺炎双球菌转化实验进行方案与思路的还原，穿插引导学生运用生物变异、DNA分子杂交技术等概念解决“转化的分子机制”问题、运用免疫调节的知识分析“R型活菌与加热处理的S型死菌混合条件下在小鼠体内的数量变化”等问题。最后引导学生归纳DNA作为遗传物质的结构特性和功能特性。

通过上述论证教学，还引导学生认识“从微生物培养技术到物质分离提纯技术，从同位素标记技术到病毒重组技术，从X射线衍射技术到化学物质含量测定技术”等科学技术的发展对科学发展的影响。

二、论证式教学与反思

1.“蛋白质是生物的遗传物质”的论证式教学

学生通过回顾蛋白质相关知识，围绕主张“蛋白质是生物的遗传物质”从正、反两个方面提出相应的质疑和支持的证据。

证据①：组成蛋白质的氨基酸种类有20种，由于氨基酸的种类和数量不同、排列顺序不同，空间结构具有多样性，具有贮存大量信息的潜能。

证据②：蛋白质的功能具有多样性，其作为酶能够控制代谢，进而影响生物的性状表现。这与遗传物质能控制生物新陈代谢和生物性状相同。

证据③：蛋白质具有种属的特异性，遗传物质也具有种属的特性。

质疑①：蛋白质不能进行自我复制。这与遗传物质能够传递给子代不符。

质疑②：蛋白质的结构和含量不稳定。这与遗传物质具有结构和含量的相对稳定不符。

质疑③：蛋白质的结构和活性易受外界条件影响而改变。

2.“格里菲斯的肺炎双球菌体内转化实验”的论证式教学

围绕“死亡小鼠体内的S型活菌从何而来？”和“R型活菌如何转化S型活菌？转化机制属于基因突变还是基因重组？”这两个问题展开论证式教学。首先，教师在课前将补充资料和还原后的格里菲斯实验过程、结果整合成主题案例资料，以便学生课堂阅读，并布置学生根据上述两个问题提出主张和搜集证据。其次，展示学生依据资料提出个人的主张。再次，通过质疑与辩驳，学生基于证据，对自己的主张提供解释和补充证据，对他人的主张进行质疑。最后，对主张进行修正和限定，达成共识。

资料1：S型细菌有荚膜，其荚膜多糖称为内毒素，是一种抗原物质，对动物体有危害作用。当S型细菌被吞噬细胞吞噬后，由于荚膜的保护，能抵抗吞噬细胞的吞噬和消化，从而在细胞内迅速增殖、扩散，引起人患肺炎或鼠患败血症。而R型细菌无荚膜，则能被吞噬细胞吞噬、消化，所以不能使机体患病。

资料2：R型和S型是同一物种不同品系。R型是S型自身合成荚膜的基因突变形成，即R型是由于S型发生突变而丧失了合成荚膜能力而形成。R型和S两型可以相互转化。S型分为许多种亚型，分别被称为SⅠ、SⅡ、SⅢ等，其物质基础是构成荚膜的多糖存在差异。不同亚型的S型肺炎双球菌都能突变形成相应的R型，它们又都能发生回复突变形成相应的SⅠ、SⅡ、SⅢ，但只能发生同型突变（SI←→R I、SⅡ←→RⅡ、SⅢ←→RⅢ）。

资料3：还原后的格里菲斯实验

①问题1：死亡小鼠体内的S型活菌从何而来？

初步主张：观点①加热处理不完全，残余的S型活菌伤后复原繁殖产生；观点②S型死菌死而复生；观点③R型活菌自发突变形成，与加热杀死的S型死菌无关；观点④R型活菌在加热处理的S型死菌的作用下转化产生；

基于证据的辩驳：针对观点①②，学生提出质疑的间接和直接两种证据。如证据①：蛋白质高温变性失活，是不可逆过程（间接证据）；证据②：第三组实验结果小鼠健康存活表明，加热处理已致S型活菌完全死亡。针对复活观点，学生补充提供了其通过网络搜集的证据，格里菲斯在1933年，在体外用S型细菌的无细胞提取物与R型活菌混合培养实验，仍然发现S型活菌的出现。证据③：第一组实验结果表明，实验过程中，R型活菌没有自发突变形成S型活菌（直接证据）。

归纳解释：R型活菌发生性状的转化，且这种转化可传递给子代。这表明R型活菌的遗传物质发生了稳定性的变化，这种可遗传变异与S型死菌有关。

完善主张：在加热杀死的S型菌中存在某种促成这种转化的活性物质（转化因子），这种转化因子将无毒性的R型活菌转化为有毒性的S型活菌。

②问题2：“R型活菌如何转化S型活菌？转化机制属于基因突变还是基因重组？”

预设主张：观点①R型细菌自身的基因发生突变转化形成；观点②R型细菌获得S型死菌的有关特异性荚膜合成部分遗传物质，通过基因重组实现转化。

支持辩护：先引导学生比较两种观点，使其明白两种观点的主要区别是对转化因子作用的界定上，观点①认为转化因子的作用是诱变剂，而观点②认为转化因子的作用则是遗传信息的载体，即转化因子是遗传物质。再启发学生进行反向推理，最后利用提供材料进行判断。如若是基因突变，则RII型细菌只能发生同型突变形成SII型细菌，而实验分离得到是SIII型细菌，从而否定观点①，而支持观点②。

完善主张：R型活菌发生性状的转化的本质由于其接收了加热杀死的S型细菌的部分遗传物质，并实现重组整合形成的。

教学过程中，学生往往提出有关“为什么加热没有使遗传物质失活？”问题，此时教师可直接补充“加热所使用的温度”与“遗传物质的热稳定性”等资料加以说明，也可“留白”，让学生课后自己搜集材料思考。

本环节教学中，教师还设计两个问题来观察学生对这一主题是否真正理解，以及学生能否运用实证的方法获取相关经验。问题①：请用现代生物学相关方法区分RII活菌是转化为SII型，还是SIII型？问题②：请分析格里菲斯第四组实验小鼠体内两种类型细菌的数量变化？值得欣慰的是，关于第一个问题学生在教师引导下能够提出三种解决方案：①微生物形态结构显微观察；②DNA分子杂交技术；③免疫反应抗体分析。关于第二问题学生也能做出正确判断：R型先降后升，S型从无到有。

3.“艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验”的论证式教学

先抛出“艾弗里的实验结论不被当时大多数科学家接受”的史实引发学生疑问，接着展示还原后的真实的艾弗里实验方案，再让学生对比教材编者处理过的实验方案，使得学生认识到虽然物质分离方法不同，一个采用现代提取分离提纯技术，一个采用酶解逐个成分去除技术，但实验设计思路是一致的。从中提示学生注意艾弗里采取上述方法是受限于提取分离技术，使其初步认识到技术与科学之间的关系。最后，引导学生分析实验现象，肯定艾弗里实验结论的正确性。并简要补充介绍当时社会背景和一些导致艾弗里成为诺贝尔奖遗漏之珠的科学事件，让学生领悟科学发展的曲折以及科学精神。

4.“噬菌体侵染细菌实验”与“重组烟草花叶病毒接种实验”的论证式教学

关于噬菌体侵染细菌实验的复习，先通过问题引导学生思考实验材料选择的依据，并从材料选择引出实验设计思路。然后引导学生思考该实验如何实现DNA与蛋白质分离的观测，得出同位素标记方法。接着引导学生将实验现象和实验结论有机联系起来。再运用反证法说明蛋白质不是遗传物质。重组烟草花叶病毒接种实验方案则作为补充资料，用来修正“DNA是生物的遗传物质”这一主张。并通过细胞生物和非细胞生物的遗传物质比较表，进一步完善、达成共识“DNA是主要的遗传物质”。

最后，从上述相关实验，归纳总结作为遗传物质的四个基本条件。肺炎双球菌转化实验说明：①遗传物质能控制生物的性状；②遗传物质既保持相对稳定，又可产生变异。噬菌体侵染细菌实验说明：③遗传物质能够自我复制；④遗传物质能够控制蛋白质合成，贮存遗传信息。并让学生回顾DNA的分子结构特点和三大功能，突出DNA作为遗传物质的结构特点和功能特点。

虽然本节教学内容多、难度大，但通过论证式教学，能有效调动学生学习兴趣与参与度；以教材中丰富的科学史资料，采用问题串的形式逐步引导学生推理、质疑与论证，既锻炼学生逻辑论证的思维能力和语言表达能力，又能够及时帮助学生解决新课教学遗留的问题，建构正确的概念体系，提高学生的生物科学素养。

（责任编辑：陈欣）