运用论证式教学策略培养学生的科学思维

2019-08-01张飞

生物学教学 2019年7期

张飞

(重庆市渝中区教师进修学院重庆 400015)

1 科学思维与论证式教学策略

论证式教学实质上是将科学领域论证工作方式引入课堂，使学生经历类似科学家的论证过程，以促进学生理解科学概念和科学本质，并发展学生科学思维的教学模式。本文主要参考自Toulmin的论证模式(图略)，该模式包含5个环节：从“资料1”分析得出“主张1”；提供“论据1”解释支持主张1；提供“论据2”经“质疑和辩驳”后，修正或认可主张1[1]。

“DNA是主要的遗传物质”这一重要概念的得出，正是经历了“特定阶段得出科学结论，后又受到质疑，再次论证修改结论的循环论证过程”，与Toulmin论证模式非常契合。因此，本文围绕以下“主张”采用论证式教学策略展开教学：蛋白质是遗传物质→DNA可能为遗传物质→DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质→DNA是主要遗传物质。

2 教学过程

2.1 导入新课，提出质疑具体如下：

资料1： 1926年，摩尔根在《基因论》中提出遗传物质“基因”位于染色体上。虽然当时人们已知染色体是由DNA和蛋白质组成，但人们普遍认为蛋白质是遗传物质。资料1提出主张，教师引导学生寻找支持该主张的论据。(论据：蛋白质是多种多样的大分子物质，可由不同的氨基酸组成，各种不同的氨基酸就是遗传信息的贮存单位。)

资料2： 1929年，美国华裔化学家列文在生物体中发现了DNA，并推测DNA是由内部顺序固定的4种脱氧核苷酸缩合成的“四核苷酸”构成的生物大分子[2]。通过资料2提供的新论据，学生用类比推理的科学思维归纳总结遗传物质的共性。同时，对“蛋白质是遗传物质”的主张提出质疑，进行辩驳，提出新的主张“DNA也可能为遗传物质”，该部分论证式教学流程归纳为图1。

图1 DNA是否是遗传物质论证式教学流程

过渡：通过确凿证据向遗传物质是蛋白质的观点发起挑战的人是美国科学家艾弗里。而艾弗里的实验又是在格里菲斯的实验基础上进行的。

2.2 DNA是主要遗传物质的探索具体探索过程如下：

2.2.1 肺炎双球菌转化实验论证式教学过程如下：

论据：自然界中，有两种类型的肺炎双球菌，一种为无荚膜的R型细菌，菌落小而粗糙；另一种为有荚膜的S型细菌，菌落大而光滑。1928年，格里菲斯发现了一个很奇怪的肺炎双球菌转化现象，通过PPT展示高中生物学教材(必修2)中图3-2。

科学分析：图3-2所展示的实验是否为对照实验？(是。)你能从中分析得出的结论是什么？(根据一、二对照可以得出S型细菌有毒性，R型细菌无毒性；一、三分组分析可以得出，加热杀死的S型细菌中有一种特殊的物质，能使R型细菌转化为活的S型细菌，且转化后可以遗传。)

设计意图：使学生能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括，用科学的思维方式认识事物。

提出主张：加热杀死的S型细菌中有一种“转化因子”，能促使R型细菌转化为S型细菌，而且转化后可以遗传。

学生提出质疑：“转化因子”的化学本质是什么？

论据：随着分离提纯技术的发展，1944年，美国细菌学家艾弗里和同事对S型细菌中DNA、蛋白质、多糖和脂质等物质进行提纯和鉴定。然后，进行肺炎双球菌体外转化实验，结果发现只有DNA能使R型细菌转化为S型细菌。且DNA纯度越高，转化效率就越高。如果用DNA酶分解从S型细菌中提取的DNA，就不能使R型细菌发生转化。

结论： DNA是肺炎双球菌转化因子。

科学分析：该实验的设计思路是什么？(把DNA与其他物质分开，单独研究各自遗传功能。)为什么上述实验中还要设置用DNA酶处理DNA？(验证某种物质的功能思路是：有因有果即加入该物质产生效果；无因无果即不加该物质没有产生效果，才能说明该物质的功能。需要“一加”和“一减”验证，建立验证物质功能的模型。)如何使支持“DNA是遗传物质”的实验更加严谨？学生进行了实验的设计(图2)。

图2 学生增加DNA是遗传物质的实验

设计意图：使学生能够基于生物学事实和证据运用批判性思维、创造性思维，通过建模来探讨生命现象。

提出主张：“转化因子”的化学本质是DNA， DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质。

学生提出质疑：“转化因子”可能不是DNA，而是由吸附在DNA上或与DNA密切结合在一起微量的其他物质所造成的，检测不出来。

2.2.2 噬菌体侵染细菌实验论证式教学过程如下：

论据： 1953年，赫尔希和蔡斯用32P或35S标记的T2噬菌体分别感染未被同位素标记的大肠杆菌后，经过短时间的温育再用搅拌器搅拌(使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离)、离心(让上清液中析出重量较轻的T2噬菌体颗粒，沉淀物中留下被感染的大肠杆菌)。离心后，检查上清液和沉淀物中的放射性物质发现：用35S标记的一组感染实验，放射性同位素主要分布在上清液中，用32P标记的一组实验，放射性的同位素主要分布在试管的沉淀物中[2]。

科学分析：选用噬菌体作为实验材料的优点是什么？(T2噬菌体只有蛋白质外壳和内部的DNA组成，方便研究DNA和蛋白质的功能。同时，噬菌体的增殖速度较快，容易研究亲代和子代之间的关系。)该实验的设计思路是什么？(S是蛋白质的特有元素，DNA分子中含有P而蛋白质中几乎不含有，用放射性同位素32P和35S分别标记DNA和蛋白质，单独去观察它们的作用。)为什么不用放射性同位素32P和35S同时标记噬菌体的DNA和蛋白质？(因为放射性强度的检测是通过盖勒计数器检测，它可以检测和测量射线的强度，不能检测是哪种元素发出的射线，要追踪不同元素的路径，必须分别标记。)实验误差是什么？试分析其原因？(误差是离心后放射性同位素的分布情况，原因可能是温育时间、搅拌和离心等因素造成的。)

设计意图：使学生能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、创造性思维、演绎与推理和批判性思维，探讨、阐述生命现象。

提出主张：噬菌体在细菌内的增殖是在噬菌体DNA的作用下完成的。

学生提出质疑： DNA是遗传物质吗？如何才能充分证明DNA是遗传物质？

论据：用35S标记的一组感染实验，子代噬菌体几乎都不含35S；用32P标记的一组感染实验，约有30%的32P出现在子代噬菌体中。

科学分析：在噬菌体中，亲代和子代间具有连续性的物质是DNA，子代噬菌体的各种性状是通过亲代DNA传给后代的。

提出主张： DNA是遗传物质。

设计意图：学生尊重事实和证据，有严谨的求知态度，并运用批判性思维解决问题。

学生提出质疑：所有生物的遗传物质都是DNA吗？

2.2.3 烟草花叶病毒感染烟草实验论证式教学过程如下：

论据：烟草花叶病毒(TMV)是由RNA和蛋白质组成，科学家分别用TMV的RNA和蛋白质去感染烟草，发现RNA感染可使烟草出现病斑，而蛋白质感染不能使烟草叶片出现病斑。

科学分析：用艾弗里的实验设计思路，证明RNA是遗传物质。

设计意图：使学生能运用演绎推理、创造性思维等思维方法，认识新事物、解决新问题。