以“知识断层”引发学生的科学思维——以“DNA是主要遗传物质”新授课为例

钟慧娟 （广州市南海中学 广东广州 510630）

在人教版高中生物学教材《必修2·遗传与进化》第三章第一节“DNA是主要的遗传物质”的新授课设计中，笔者让学生“重走探索之路”，以人类早期对遗传物质的推测为问题源头，通过对“肺炎双球菌转化实验”及“噬菌体侵染细菌实验”探索、讨论和分析，让学生亲身体验科学研究的思路和方法。然而，学生在分析这两个经典实验过程中遇到了知识的断层，提出了一系列很值得讨论与拓展的疑问。笔者通过相关情境资料，引导学生逻辑推理，以学生的“知识断层”为切入点，培养学生的理性思维，创新思维和批判思维。

1 加热后的S菌中“DNA”是转化因子的原因

联系蛋白质变性失活的内容，高温会导致蛋白质发生不可逆的变性失活。但该内容隐含着学生的知识断层——关于DNA的耐热性问题。

教学中，教师通过为学生提供相关阅读材料，引导学生进行逻辑推理，培养学生的创新思维。

拓展材料1：PCR是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制。PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。因此，无论是化石中的古生物、历史人物的残骸，还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液，只要能分离出一丁点的DNA，就能用PCR加以放大，进行比对。这也是“微量证据”的威力之所在。由1983年美国Mullis首先提出设想，1985年由其发明了聚合酶链反应，即简易DNA扩增法，意味着PCR技术的真正诞生。到如今2013年，PCR已发展到第三代技术。1973年，台湾科学家钱嘉韵发现了热稳定的DNA聚合酶（即Taq酶），为PCR技术发展也做出了基础性贡献。

PCR是利用DNA在95°C高温时变性会变成单链，低温（约60°C）时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至Taq酶最适反应温度（72°C左右），Taq酶沿着磷酸到五碳糖（5′-3′）的方向合成互补链。基于Taq酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制。就可以完成特定基因的体外复制。

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：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。资料拓展不是“鱼”，也不是“渔”，而更是一种“渔场”，教师在课堂上不再是简单的知识传递、技能的教授，而是通过一定的问题情境，让学生学会利用情境化知识，联系旧知，从问题探究中学会综合分析，进行问题解决，锻炼批判性思维和创造性思维。表1是在教师的引导下，学生进行的提炼与比较。

表1 S菌加热后DNA和蛋白质的变化

显然，学生踩准信息点，联系旧知，对格里菲思的实验能作一个充分的解释并表达：加热杀死的S型菌蛋白质失活，但DNA未失活。

2 格里菲思第四组实验中小鼠死亡的本质原因

学生如果获悉加热杀死的S型菌DNA并未失活，则会产生另一个理解误区：只要有S菌的DNA，小鼠就会死亡。

教师出示题目：某研究人员模拟肺炎双球菌转化实验，进行了以下4个实验：

①S型菌的DNA+DNA酶→加入R型菌→注射入小鼠

②R型菌的DNA+DNA酶→加入S型菌→注射入小鼠

③R型菌+DNA酶→高温加热后冷却→加入S型菌的DNA→注射入小鼠

④S型菌+DNA酶→高温加热后冷却→加入R型菌的DNA→注射入小鼠

以上4个实验中小鼠存活的情况依次是 （ ）

A.存活，存活，存活，死亡

B.存活，死亡，存活，死亡

C.死亡，死亡，存活，存活

D.存活，死亡，存活，存活

分析：正确答案为D选项。学生易误判上述的实验③与④的小鼠都会死亡，误判的原因是认为小鼠体内具有S菌的DNA就能导致小鼠死亡。

知识断层之一：肺炎双球菌是一种可以引起人类肺炎和小鼠败血症的病原微生物。已知的肺炎双球菌包括很多不同类型的菌株，但只有光滑型（S型）菌株能引起疾病。S型菌株的细胞外表面有一层胶状的多糖类物质——荚膜，它们通常不能被宿主的正常防护机构所破坏，因而导致宿主感染。粗糙型（R型）菌株的细胞没有荚膜包被，对宿主无毒性。光滑型菌株在培养基上形成明亮的光滑菌落，因而得名；粗糙型菌株无荚膜，菌落表面无光泽，显得粗糙。教材中有介绍，但未能详尽。

知识断层之二：格里菲思第四组实验中，小鼠死亡的本质原因是小鼠体内存在着的活的S型细菌。能够引起小鼠死亡的抗原不是S型菌DNA，而是S型菌的多糖与蛋白质。学生尚未学习高中必修三“免疫调节”内容，抗原的免疫反应是本实验内容学生认知链接的断层。

学习其实就是一个循环往复的过程，如果教师因为存在知识断层而不断地补充相关内容，势必会削弱本节课落实的重要概念：DNA是主要的遗传物质。在大概念的形成过程中，需要有相应的事实性知识和小概念作为支撑，但这些知识并不是越多越好，越深越好。教师可以通过引导学生进行类比推理，解决这一误区。格里菲思的第三组实验将加热后的S菌注入小鼠体内，S菌的DNA是有活性的，但最终小鼠存活。通过比较推理，学生分析问题，反思实验的条件，仅有DNA进入小鼠体内，是不会致死的。对于免疫的本质原因，教师可以在一轮复习时引导学生运用免疫原理对本块内容进行深度思考。

3 R菌转化为S菌的条件与本质

明确以上两点后，学生仍对R型菌转化为S型菌的条件与本质充满疑问。实质上，学生面临的知识断层为天然的基因重组。学生在学习孟德尔遗传规律时，初步接触了基因重组（包括非同源染色体上非等位基因的自由组合及同源染色体非姐妹单体的交叉互换），然而真正的基因重组概念要在必修二第五章中明确。

在肺炎双球菌中，加热灭活的S型细菌遗留下了完整的细菌DNA的各个片段，其中包括控制荚膜形成的基因，即S基因。这一片段从S细菌中释放出来，并且在后继的培养中被一些感受态的R型细菌所摄取，S基因的DNA以双链的形式在R型细菌细胞的几个位点上结合并被切割。核酸内切酶首先切断DNA双链中的一条链，被切割的链在核酸酶的作用下降解，成为寡核苷酸释放到培养基中，另一条链与R感受态细菌的特异蛋白质结合，以这种形式进入细胞，并通过同源的重组以置换的方式整合进入R细菌的基因组中，使R型细菌转化为S型细菌。实际上，转化被整合了S菌DNA的R菌并不是纯粹的S型细菌，而是S与R的二合一菌，但对小鼠有致死性。然而教材只强调格里菲思第四组实验，在死亡的小鼠体内检测到S活菌。

图1 学生活动一

以“基因重组”知识断层为切入点，教师可以顺利引出艾弗里实验——S菌体外转化实验。该实验表明R型菌转化为S型菌的条件不仅需要S菌的DNA，且需要R活菌（且部分能处于感受态）。教师可以进一步引导学生进行批判性思维，明确艾弗里实验目的及条件对照的目的后，可以批判地提出问题：格里菲思实验第四组死亡的小鼠体内，只有S活菌吗？显然不是的，学生通过逆向思维，进一步明确了S菌转化的条件，且这种转化的本质从分子水平的解释可以为以后的基因重组学习作一个知识铺垫。

4 “噬菌体侵染细菌实验”标记与检测问题

“噬菌体侵染细菌的实验”是验证DNA是遗传物质的经典实验。该实验的研究背景、设计思路、科学方法都是较好的科学教育素材，运用得当，可以较好地让学生体验科学知识的发生过程，并提升学生的分析、思维、探究等方面的能力。由于这是学生无法亲自操作的实验，缺乏感性认识。在新授课中，笔者通过图片，多媒体课件创设了学生活动环节在图中标记32P的位置并画出指示线（图1），发现学生对该实验的理解仍有误区。

误区一：学生会在③与④上写上32P，但会将32P的指示线画向大肠杆菌体内的所有噬菌体的DNA。

噬菌体内DNA虽然注入进大肠杆菌体内，但在大肠杆菌体内新合成的DNA并不全部含有32P，这一点的知识断层为：DNA的半保留复制。

误区二：学生对图B的解释是上清液是蛋白质外壳无放射性，沉淀是大肠杆菌有放射性。事实上书本上对该实验的结果显示是上清液放射性很低，沉淀物的放射性很高。

学生缺乏问题意识，习惯机械思维。DNA的半保留复制虽未学到，但在新授课中，教师应鼓励并引导学生积极小组讨论：噬菌体侵染大肠杆菌时，注入本身的DNA，而DNA在大肠杆菌体内发生什么活动。教师要鼓励学生用自己的规范语言表达出来。通过思考、交流、分享、质疑等学生思维活动，部分学生表达自己观点。噬菌体侵入的DNA仅是一份模板，这份模板在大肠杆功内复制大量的同种DNA，并制造出大量的噬菌体外壳，原料全部来自大肠杆菌，而大肠杆菌并未标记32P，所以最后释放出来的子代噬菌体并不是全部含有32P，仅有当初注入的模板有32P。

真正的实验数据与理论数据之间存在差异。教材中噬菌体侵染细菌的图片表明噬菌体侵染细菌不是个别行为，而是集体行为。在整个侵染过程中，实验需要短时间的保温，然后搅拌与离心，噬菌体侵染持续时间的长短，不可避免导致实验误差。如图1实验中上清液放射性很低的原因可能是保温时间过短，某些噬菌体因没来得及侵入而留在上清液；或者保温时间过长而导致某些细菌因时间过长已经裂解，从而存在于上清液。解决上述问题，必须深入思考实验的每个步骤的目的与原因，以及该步骤的注意事项，要从一个操作者的角度去思考才能有所收获，从而解决问题。

生物学是一门以实验为基础的自然科学。该节内容以科学家思路进行探究性实验是激发学生学习兴趣、培养学生多种学习能力和严谨科学态度的最佳方法和途径。然而，教师应注意该节内容中学生的各种知识断层，包括免疫反应、PCR技术、DNA的半保留复制、噬菌体侵染细菌的过程、天然的基因重组及放射性同位素标记的原理等。在新授课教学中，如果教师能化断层知识为情境分析材料，逆向引导学生进行批判思维，创新思维，积极回归课本，化“知识断层”为学生科学思维的切入点，会使学生对核心概念的理解更深刻，将知识线变为思维线并转化为自身的能力，真正落实生物学科核心素养的培养。