科学论证进课堂 助力批判性思维培养——以“DNA是主要的遗传物质”的一轮复习为例

郑晓璇

(广东省揭阳市惠来慈云实验中学)

批判性思维是一种高阶的科学思维,是当代青年应该具备的基本素养,也是我国教育改革的核心。《普通高中生物课程标准(2017年版2020年修订)》提出:学生应该在学习的过程中逐步发展科学思维,如能够基于生物学事实和证据运用批判性思维、创造性思维等方法去探讨、阐释生命现象及规律,审视或论证生物学社会议题。科学论证是根据某一论题运用科学方法收集证据,在证据与主张间建立联系并说服他人接受该主张的过程。将科学论证引入生物课堂,能够使学生经历类似科学家的思考问题的过程,通过提出主张、寻找证据、质疑、辩驳等论证过程最终得出科学概念,有利于培养学生的批判性思维。

“DNA是主要的遗传物质”一节,教材以遗传物质的发现史呈现,包括“对遗传物质的早期推测” “肺炎链球菌的转化实验” “噬菌体侵染细菌的实验”。从“蛋白质是遗传物质”到“DNA是遗传物质”,再到“DNA是主要的遗传物质”,经历了提出主张、寻找证据、质疑、修正的过程,是培养学生批判性思维的好素材。新授课时学生知识的系统性较差,课堂关注点多数放在实验的分析和理解上,忽略了其整体的逻辑关系,在复习课上运用系统的论证模型能够使学生深入挖掘科学的本质,发展学生的核心素养。本节课的论证模型如图1。

图1 “DNA是主要的遗传物质”论证模型

1.设置情境,提出问题

呈现遗传物质的探究历程(图2),提出问题:遗传物质是DNA还是蛋白质?作为遗传物质需要具备什么特点?

图2 遗传物质的探究历程

引导学生回顾并填写“DNA是主要的遗传物质”的证据链(图3)。

图3 “DNA是主要的遗传物质”的证据链

设计意图：依托科学史,学生可以回顾遗传物质的探究历程,体会科学发展是科学家前仆后继的探索、质疑、修正的过程。问题设置具有层次性,第二个问题能够让学生深入思考遗传的本质,训练学生的科学思维,通过填写证据链可以让学生系统性回顾遗传物质的发展历程。

2.质疑“蛋白质是遗传物质”的主张

资料1:20世纪20年代,人们提出“蛋白质是遗传物质”的主张,其依据是蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子,氨基酸多种多样的排列顺序中蕴含着遗传信息。

问题:你同意这种说法吗?说说你的理由。

呈现DNA分子中4种脱氧核苷酸结构。

教师讲解:20世纪30年代,人们认识到DNA是由许多脱氧核苷酸聚合形成的大分子,也开始对蛋白质是遗传物质的观点提出质疑,由于对DNA结构的了解不是很清晰,蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。有很多科学家持质疑的态度并不断寻找证据,如格里菲思、艾弗里、赫尔希和蔡斯等。

设计意图：通过资料和问题让学生主动思考分析问题,参与遗传物质的探索历程,同时使学生感受到科学探究是需要大胆猜测和质疑的。

3.提出“DNA是遗传物质”的主张

教师展示格里菲思肺炎链球菌的转化实验,学生自主讨论、分析实验现象。

问题:实验的自变量是什么?不同对照组分别能得出什么结论?为什么S型菌会使小鼠死亡,而R型菌不会呢?

资料2:荚膜是某些细菌的细胞壁外面包围的一层胶状物质。无荚膜的肺炎链球菌,感染人体或动物体后,容易被吞噬细胞吞噬并杀灭。有荚膜的肺炎链球菌可抵抗吞噬细胞的吞噬,有利于细菌在宿主体内生活并繁殖。

问题:第四组中活的S型菌是怎么出现的?针对这一现象你能提出什么假说?

学生讨论后总结出三种假说:

假说一:S型菌复活。

假说二:R型菌突变为S型菌。

假说三:加热杀死的S型菌有某种物质进入了R型菌导致其转化。

资料3:在80～100℃的温度范围内,蛋白质失活,DNA双链解开;当温度恢复至室温后,DNA双链能够重新恢复,但蛋白质的活性无法恢复。

资料4:格里菲思做该实验时已经对肺炎链球菌有充分了解,他发现S菌有Ⅰ-S、Ⅱ-S、Ⅲ-S,R菌有Ⅰ-R、Ⅱ-R、Ⅲ-R,且自然状态下会有S型菌突变为同型R型菌,如Ⅰ-S可突变为Ⅰ-R,但不会突变为Ⅲ-R。该转化实验中用到的材料是 Ⅱ-R菌与Ⅲ-S菌,第四组实验小鼠体内提取出来的活S菌为Ⅲ-S型,且其后代也是Ⅲ-S型。

学生分析资料可推翻假说一和假说二,总结出加热杀死的S型菌中含有某种转化因子能够使活的R型菌转化为活的S型菌,并且这种转化是能够遗传的。

问题:能够使R型菌转化为S型菌的转化因子到底是什么?

学生提出主张:转化因子是DNA。

设计意图：呈现实验过程,通过问题引导学生深入思考实验现象产生的原因并提出假说,再补充呈现证据得出结论,培养学生的证据意识,学生通过实践掌握演绎推理、归纳概括等科学方法,体验科学探究的过程。

4.寻找证据,支持主张

4.1 证据1:艾弗里的肺炎链球菌的转化实验

学生设计实验证明主张,以小组为单位设计实验并进行互评优化方案。

学生会提出把加热杀死的S型菌各种物质分离、提纯然后单独观察它们的作用,有的小组只是设计了S型菌各成分分别与R型菌混合,教师可以提示提纯无法达到百分之百,进一步引导学生以单一变量原则用酶解法优化实验。

资料5:艾弗里及其同事将加热杀死的S型菌破碎后,设法除去大部分蛋白质、糖类和脂质,制成细胞提取物。将细胞提取物加入含有R型活菌的培养基中,结果培养基中出现了S型活菌,然后在细胞提取物中分别加入蛋白酶、RNA酶、酯酶、DNA酶处理后再进行转化实验,发现加入DNA酶组的细胞提取物失去了转化活性。

教师让学生根据资料用表格或者图解呈现出以上实验过程和实验结果,并分析实验,可用问题引导,如该实验设置遵循哪些原则?是如何控制自变量的?该实验实施最大的困难是什么?从实验结果我们可以得出什么结论?

学生通过分析该实验并与自己设计的实验对比,能够看出控制变量的方法有所不同,理解了科学方法中的加法原理和减法原理,并能根据实验得出结论:DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。根据对提纯技术的了解,能说明该实验最大的困难就是彻底去除细胞中的某一成分。

问题:艾弗里的实验结果支持了转化因子是DNA的主张,那么S型菌的DNA是如何使R型菌转化的呢?是S型菌全部的DNA还是部分DNA起转化作用?该转化过程的本质是什么?

资料6:科学研究发现许多细菌有自然转化能力。自然转化指受体细胞首先处于感受态(能从周围环境中吸取DNA的一种生理状态),然后吸收周围环境中的某种外源DNA,最后表达出外源DNA的某种遗传特性。

资料7:R型细菌在生长到一定阶段时,就会分泌一种感受态因子(小分子的蛋白质),这种因子会引发一系列变化最终使R型菌具有与DNA结合的活性。

资料8:加热灭活的S型细菌遗留下完整的DNA的各个片段,其中包括控制荚膜形成的基因。

学生分析资料理解转化的本质是基因重组,并能够理解其转化并不是百分之百,只有少数R型菌被转化为S型菌。

4.2 证据2:噬菌体侵染细菌的实验

教师讲解:尽管艾弗里的实验能够证明DNA是遗传物质,蛋白质等不是遗传物质,但是由于人们深受蛋白质是遗传物质的影响,并没有接受艾弗里的实验结论,那么如何去寻找更有效更直接的证据来证明呢?

学生从实验材料和实验方法的角度考虑,理解科学实验最关键的就是材料和方法的选择。并在艾弗里的实验基础上进行讨论,发现人们质疑的原因主要是细菌成分相对较多,提纯技术无法将其完全分离。故而想到更简单的材料——病毒,并转而寻找不用提纯技术就能区分的方法。

教师展示噬菌体的结构及其化学成分,播放噬菌体侵染大肠杆菌的视频。

问题:根据视频简要总结噬菌体侵染大肠杆菌的步骤。从噬菌体成分的角度分析,如何区分噬菌体注入大肠杆菌的物质是什么?你能提出哪些假说?请设计实验证明。

学生能提出假说一,噬菌体只有DNA进入大肠杆菌;假说二,只有蛋白质进入大肠杆菌;假说三,DNA和蛋白质都进入大肠杆菌,并提出用放射性同位素标记法分别标记噬菌体的DNA和蛋白质,然后让其分别侵染大肠杆菌,通过搅拌离心后观察其放射性的位置去证明假说。

假说一对应的实验结果:沉淀物有放射性而上清液没有。

假说二对应的实验结果:上清液有放射性而沉淀物没有。

假说三对应的实验结果:沉淀物和上清液都有放射性。

问题:选用哪种元素标记DNA和蛋白质?能否用培养基直接培养并标记噬菌体?

学生根据DNA和蛋白质元素的区别能够说出分别标记P和S,根据病毒的生活方式提出先用含35S/32P的培养基分别培养大肠杆菌,使大肠杆菌带上标记后再让噬菌体去侵染,从而使噬菌体带上标记。

教师呈现噬菌体侵染细菌的实验图解。

问题:保温、搅拌和离心的目的分别是什么?保温时间的长短和搅拌程度是否会影响实验结果?从实验结果你能得出什么结论?是否与你提出的假说和实验结果相符?

学生充分理解保温搅拌和离心的目的,从实验操作目的的角度去考虑其影响,对比假说的实验结果能够说明假说一是正确的,即只有DNA进入大肠杆菌。但是假说一对应的实验结果与实际的实验结果并不完全一致,进而思考实际实验结果出现的原因。

资料9:赫尔希和蔡斯证明了噬菌体注入宿主细胞内的物质是DNA,所释放子代噬菌体的蛋白质外壳的形状、大小和留在宿主细胞外面的外壳一模一样。

学生总结:DNA能够控制蛋白质的合成,子代噬菌体的性状是通过亲代DNA遗传的。DNA是噬菌体的遗传物质。

5.提出质疑,补充证据

提出质疑:所有生物的遗传物质都是DNA吗?

资料10:有些病毒不含有DNA,如烟草花叶病毒、2019-nCoV、HIV、SARS病毒、流感病毒等。其成分只含有蛋白质和RNA。

小组任务:请你设计实验验证烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。要求:写出实验思路并预期实验结果。

资料11:1956年Fraenkel Conrat将烟草花叶病毒(TMV)的RNA和蛋白质分开分别去感染烟草,发现单用病毒的蛋白质不能使烟草感染,而单用病毒的RNA可使烟草感染并能产生正常的病毒后代。

接着Fraenkel Conrat又用TMV的S株系和HR株系进行分离和重建实验,发现提供S株系的RNA组后代病毒为S株系,提供HR株系RNA组后代病毒为HR株系。

学生讨论设计实验,并将资料转化为简要的实验过程,进一步得出结论:烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。

设计意图：本环节让学生设计实验方案,加强学生的科学探究能力,利用资料让学生转化为实验表格或者实验图解,培养学生的文字图形转化能力以及提取信息的能力。

6.完善主张,构建论证模型

学生理清思路,区分概念“DNA是遗传物质”和“DNA是主要的遗传物质”,并构建论证模型(图1),教师布置小组任务。

任务一:总结探究遗传物质的方法。

任务二:综合本节内容尝试找到证明DNA具备作为遗传物质的证据(图4)。

图4 DNA具备作为遗传物质的证据

设计意图：通过构建论证模型使学生形成系统的知识框架,并掌握论证的过程,通过布置小组任务,让学生通过合作整理掌握科学方法的应用,加强自身的证据意识。

7.反思

本节课通过运用科学论证的方法让学生经历类似科学家的思维过程,教学过程通过问题引导学生质疑、寻找证据培养学生的批判性思维和证据意识,引导学生通过团队合作利用科学方法设计实验、推出实验现象及结论,培养了学生的科学思维和科学探究能力,提高学生的团队合作意识和基于事实、证据的求知意识。同时基于科学论证的教学模式要注意问题的引导,问题需要有层次性、有效性,并具有一定的深度,才能挖掘学生的思维。呈现资料要有科学性和选择性,也要符合学生的逻辑思维,资料不是越多越好,既要对学生有引导作用,也要辅助提高学生提取、整合信息的能力。