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1、基于科学史资料和问题的探究教学 1 教材分析和教学设计思路 （1） 科学的本质可以概括为知识性、概念性、过程性、探究性、开放性、社会性、STS和文化性。自然科学具有4个维度：科学是一个知识体系；科学是一系列的思维方式；科学是一套探究的方法；科学要与技术和社会相互作用。科学史学科的创始人乔治?萨顿认为:科学史是自然科学与人文学科之间的桥梁，它能够帮助学生获得自然科学的整体形象、人性的形象，从而全面地理解科学，理解科学与人文的关系。牛顿说：“我之所以成功，是因为站在巨人的肩膀上”。“现代的人总是从先辈的经历中学习如何面对今天的问题，去开辟未来的道路”，课程标准要求“注重生物科学史的学习”，指出：“
2、科学是一个发展的过程。学习科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的方法，学习科学家献身科学的精神。这对提高学生的科学素养是很有意义的。” （2） 从“DNA是主要的遗传物质”一节开始，遗传理论的介绍进入到了分子水平，教科书以科学史形式重点介绍了肺炎双球菌转化实验的原理、过程以及噬菌体侵染细菌实验的原理、过程，并结合其他发现，证明DNA是主要的遗传物质。本节内容在整个遗传与变异的教学中起着承上启下的作用，与之前和之后的章节联系密切。通过本节科学史中经典实验的探究教学，能帮助学生从微观层面认识生命遗传的本质，认识生命的延续和发展，学会像科学家一样地进行科学探究，体会科
3、学探究过程的严谨，认识到科学和技术相互促进共同进步。 （3） 学生已对遗传因子（基因）的传递规律、基因型与表现型的关系具备初步认识，也具备染色体、核酸、蛋白质等相关知识，知道核酸是生物的遗传物质。通过细胞有丝分裂和减数分裂的学习知道染色体和DNA在控制遗传的过程中要复制并向子代细胞进行传递。通过之前对有关科学史如酶的发现、光合作用的发现、生长素的发现等处的研究方法、思路的学习，学生对于科学探究的流程已经熟悉，有一定的分析、处理对照实验，得出结果和结论的能力。 2 教学目标 （1） 总结“DNA是主要的遗传物质”的证据,能区分不同生物的遗传物质。 （2） 通过资料分析和问题引导，尝试模仿科学家的
4、探究历程，能在一定的情景中提出假说，设计（分析）对照实验，得出结果、结论，发展探究能力。 （3） 总结严谨治学、实事求是、刻苦专研的科学态度的重要性，认同科学和技术共同进步。 3 教学重难点 （1） 肺炎双球菌的转化实验的原理与过程。 （2） 噬菌体侵染细菌实验的原理与过程。 4 教学流程 4.1 课前预习 教师布置学生分组收集以下资料： （1）遗传物质应具备的基本特征，遗传学发展简史； （2）关于水稻转基因的新闻； （3）肺炎双球菌的结构及肺炎双球菌转化实验，噬菌体的结构及噬菌体侵染细菌的实验。 4.2 导入本章，激趣引入 教师展示学生收集到的“转基因”资料，激发学生兴趣（新闻1：主粮转基因
5、61名院士联名请求转基因水稻产业化；新闻2：崔永元与方舟子论战转基因，质疑其不懂科学）。设疑导入：什么是基因？难道基因就是位于染色体上的一个个“符号”吗？什么是“转基因”？由此进入“基因的本质”一章学习。 4.3 回顾遗传学理论的发展史，引入本节内容 孟德尔通过豌豆的杂交实验，提出了“遗传因子”假说，揭示了“遗传的两大基本定律”；摩尔根通过果蝇红眼和白眼性状的研究将相关基因定位在细胞的X染色体上；人们发现一条染色体上有很多基因成线性排列；科学家在对生殖发育过程中减数分裂、受精作用和有丝分裂等过程进行研究，认识到染色体在生物的遗传中起着重要作用。染色体主要是由蛋白质和DNA组成的，究竟哪一种是遗
6、传物质呢？ 4.4 教师引导学生总结对遗传物质的早期预测 教师布置学生阅读,思考：为什么早期人们认为蛋白质是遗传物质？学生总结，得出结论：早期人们认为蛋白质是遗传物质的原因是特定时代认识的局限性（与之后的认识有差异，可见科学的发展性）。 4.5 学生自主探究证明DNA是遗传物质的科学史 （1） 探究肺炎双球菌做为遗传实验材料的原因。 教师引导学生能说出：细菌结构简单，遗传物质DNA单独存在，没有构成染色体，成分不多，便于开展研究等特点。教师补充细菌的营养、人工培养、繁殖（二分裂）、菌落等其他知识，为后续探究活动做准备。 （2） 探究肺炎双球菌转化实验1（注射小鼠转化实验）提出“转化因子假说”。
7、 通过这个实验，学生体味科学家的研究方法、思路、态度和精神。教师引导学生阅读教材，讨论如下问题：为什么加热杀死的S型细菌不会导致小鼠死亡？为什么活的R型细菌和死的S型细菌混合注射，导致小鼠的死亡？你可能提出什么样的假设？转化成的S型细菌的后代也是S型细菌，说明了什么？本实验体现了哪些科学实验原则和方法？关于实验结果，你能提出什么假说？为何S型细菌已经加热被杀死了，“转化因子”还存在吗？你能对“转化因子”导致R型细菌转化为S型细菌的过程给予现代解释吗？ 教师针对学生的回答加以点拨，对学生的闪光点加以鼓励，对学生的失误要包容和纠正，最后总结拓展：格里菲斯的观点：S型死菌中含有一种“转化因子”，能使
8、R型菌转化为S型菌。本实验只提出“转化因子”学说，不能证明DNA是遗传物质，也不能证明DNA是主要的遗传物质，可见科学研究的严谨性。实验中的高温处理导致荚膜结构破坏后不可恢复，而DNA分子在此高温处理变性后，随温度恢复结构亦可恢复（DNA可变性和复性）。对这个实验进行现代解释：S型细菌的DNA进入到了R型细菌细胞中，发生了DNA重组（转基因），R型细菌转化为S型细菌。 （3） 探究肺炎双球菌转化实验2实验验证“转化因子”是DNA，DNA是遗传物质。 这个实验继承上一个实验，形成了一个完整的科学发现流程：观察、实验提出问题作出假说验证假说得出结论。提出问题：“转化因子”到底是什么？作出假设：S型
9、细菌中含有某种促成肺炎双球菌转化的活性物质。教师尝试让学生设计实验，与科学家设计的实验进行比较，引导学生对该实验进行分析，最后总结结论：DNA是转化因子，是使R型细菌产生稳定的遗传变化的物质，即DNA是遗传物质。 （4） 探究噬菌体侵染细菌实验让已有的科学发现趋近更加严谨和完美。 培养学生的科学探究能力包括：学会分析实验，并能学会用准确的术语、图表、模型介绍研究方法和结果预测，阐明观点，认识到科学结论必须是严谨的。教师指出以艾弗里等科学家提取到的DNA纯度最高时也仍含有0.02%的蛋白质，有人对实验结论仍有怀疑。能不能设计更好的实验将DNA和蛋白质区分开，更准确地说明哪种物质是遗传物质呢？ 教
10、师讲解噬菌体的结构和化学成分、元素组成，补充噬菌体病毒的增殖过程。教师先利用媒体播放动画，然后和学生共同构建侵染模型：吸附、注入DNA、噬菌体DNA在细菌细胞中复制和控制蛋白质合成（强调只注入了噬菌体DNA,以细菌提供各种原料和场所，合成子代病毒的全部成分）、组装、释放子代病毒。教师提示：一般来说，所有的病毒不具备独立的代谢能力，产生后代的时候，必须寄生在活细胞中，运用细胞中的原料来合成核酸和蛋白质，产生后代。 教师引导学生阅读教材后，思考回答问题串： 怎样实现将噬菌体的DNA和蛋白质区分开，单独观察它们的作用？ 用到了什么方法？标记了什么元素？能否对其他元素做标记？ 怎样标记噬菌体？为何不直
11、接用放射性物质培养噬菌体？ 做了几组噬菌体侵染细菌的实验？为什么？ 实验步骤如何？ 混合过程中会发生什么？为何保温？为何搅拌？为何离心？ 两组实验中上清液、沉淀物和子代噬菌体中的放射性有何不同？如何做出解释？ 实验中需要用到哪些方法技术？你如何评价技术和科学进步的关系？ 关于以上实验你还想知道哪些问题？ 师生共同归纳总结： 研究思路科学发现的关键：采用放射性同位素标记法，将DNA、蛋白质区分开，研究DNA和蛋白质到底谁是噬菌体的遗传物质； 研究方法技术科学发现的保障：放射性同位素标记法、细菌培养、病毒培养、物质（结构）离心分离技术、放射性同位素检测技术； 实验流程科学必须严谨：标记细菌、标记噬
12、菌体、用已标记的噬菌体侵染细菌、搅拌、离心、检测放射性； 分组合作建构标记噬菌体侵染细菌的流程模型：组1、2绘制32P标记DNA的图解；学习小组3、4绘制35S标记蛋白质的图解。进行评价和总结之后，各学习小组相互借鉴，绘制既有32P标记DNA也有35S标记蛋白质的图解（提示:实验中没有两种化合物同时标记，原因是要起到区分作用）。 教师拓展： 以上实验和分析表明，噬菌体蛋白质外壳未进入细菌内部，真正在亲代和子代噬菌体中具有延续性的物质是DNA,DNA才是噬菌体的遗传物质。 后来证实，除了噬菌体之外，其他具有DNA的生物也是以DNA作为遗传物质。 第一组：上清液放射性很高，说明蛋白质外壳没有注入到
13、细菌细胞中；沉淀物放射性很低而不是没有放射性，可能是搅拌不充分所致；第二组：沉淀物放射性很高，说明DNA注入到细菌细胞中，随细菌沉淀到底部；上清液放射性很低而不是没有放射性，可能有部分被噬菌体入侵的细菌发生裂解，上清液中含有释放出的含放射性的噬菌体。证明了DNA是遗传物质，不能证明蛋白质不是遗传物质，也不能证明DNA是主要的遗传物质。 （5） 教师引导学生尝试自己设计实验，证明RNA也是遗传物质。 教师补充相关材料，让学生尝试设计证明车前草病毒（HRV）与烟草花叶病毒(TMV)遗传物质是RNA的实验。学生由此知道遗传物质除了DNA还有RNA，提出有的病毒所含核酸为RNA，RNA是这些病毒的遗传
14、物质。 （6） 总结DNA是主要的遗传物质。 生物的遗传物质是核酸； 无论是原核细胞还是真核细胞，细胞中同时具有两种核酸,但DNA才是细胞的遗传物质； 病毒具有哪种核酸，该种核酸就是它的遗传物质； 由于绝大多数生物的遗传物质是DNA,所以DNA是主要的遗传物质。最后，完善本节的概念图（图1）。 （7） 总结科学探究的特点：科学研究是要在实验和观察的基础上，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说；科学研究依赖于技术的进步，技术进步了，可以得到更多新的实验数据；科学发现的过程是一个长期的、严谨的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作；科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证
15、；科学学说不是一成不变的，需要不断完善。 5 教学后记 教材中的科学史本身集知识、思维、探究方法、实验技术、科学精神等要素于一体，教师加强对科学史素材的探究，发挥其育人功能，是落实新课程“提高生物科学素养”、“倡导探究性学习”的教学理念，促进学生认识科学的本质和科学方法的重要途径。在科学史教学的探究过程中，教师要预设学生已有的认知，对于一些前体知识要做适当介绍，对于该适当拓展的地方要拓展。教师要善于激发和引导教学行为，突出学生的主体活动，激发学生兴趣，让学生的观察、分析、判断、表达能力以及探索精神得到有效培养；在引导学生探究过程中，要有预设，更要关注生成。如：本节课教学中出现了一个小插曲，学生问到：“加入了死的S型细菌后，R型中产生了S型细菌，这是不是因为S型细菌起死回生？”可见，学生是具有创新想法的。这时教师不能抹杀学生的这种创造性的问题，而应对该学生的质疑精神进行表扬，用“所有化合物要有序组织才能构建细胞”的观点对“S”型细菌“起死回生”的说法进行了评价，并鼓励学生课后查找人工构建细胞、生命的资料，进行更加深入的探究。