论文部分内容阅读
摘要：科学发现在高中生物教材中占有很大比重，如何在对科学发现的教学过程中提升学生的生物学素养是我们所要研究的。本文以T2噬菌体侵染细菌实验为例，说明如何训练学生的科学思维和科学探究能力，提升学生的生物学素养。
关键词：科学发现；生物学素养；学生
中图分类号：G633.91文献标识码：A文章编号：1992-7711（2021）06-0003
科学发现实验在高中生物教材中占有很大比重，比如桑格和尼克森建立细胞膜流动镶嵌模型的过程、光合作用的发现过程、温特发现生长素的过程、脱氧核糖核酸是遗传物质的证据等，通过对科学发现的教学，笔者发现，与学生一起分析科学家为什么会有这样那样的问题，怎样设计实验回答自己的问题，为什么那样设计实验，有助于训练学生缜密的思维能力和探究能力，培养学生的生物学素养。
下面，笔者以T2噬菌体侵染细菌实验为例，说说如何培养学生的生物学素养。
1952年，赫尔希和蔡斯利用同位素标记法，证明了T2噬菌体的遗传物质是DNA，也就是脱氧核糖核酸，由特殊推广到一般，说明DNA是遗传物质。
1.明确实验目的、理清实验思路。艾弗里及其学生通过减法原理得出脱氧核糖核酸是遗传物质，但不能使人绝对信服。赫尔希和蔡斯利用病毒的侵染属性证明脱氧核糖核酸是遗传物质、蛋白质不是遗传物质。
2.了解研究方法——同位素示踪法，同位素示踪法严格来说是同位素标记技术的一个实际应用。用32P标记T2噬菌体的脱氧核糖核酸和用35S标记T2噬菌体的蛋白质，32P标记的一组只反映脱氧核糖核酸的情况，35S标记的一组只反映蛋白质的情况，最后通过放射性出现的位置来反映脱氧核糖核酸和蛋白质究竟是哪种物质进入了细菌细胞。如何标记？标记的实质就是利用含放射性的物质培养要标记的对象，在培养对象吸收利用营养物质进行生长增殖时完成标记。标记噬菌体的过程实际上就是先用含32P的培养基来培养细菌，使细菌先带有32P，再用含32P的细菌培养病毒，病毒在细菌细胞内增殖的时候就完成了用32P标记，用相同的过程完成用35S标记。
3.明确科学发现实验的过程。赫尔希和蔡斯进行了两组实验，一组用35S标记的噬菌体与细菌混合并保温一段时间，搅拌完成后进行离心，观察放射性；取出沉淀物培养一段时间，细菌裂解，将子代噬菌体释放出来，然后再检测子代噬菌体的放射性，另一组换成用32P标记的噬菌体，其余相同。通过对实验过程的把握，培养学生对比实验意识、分组实验意识，理解科学与技术的关系。
4.理解每一环节的意图。用35S标记的噬菌体与细菌混合一段时间的意图：让噬菌体侵染细菌；搅拌的意图：分开连接在一起的T2噬菌体与细菌；离心的意图：让细菌（含被噬菌体侵染的）处于离心管的下层，让噬菌体（含蛋白质外壳）处于上清液中。通过放射性出现的位置，判断是脱氧核糖核酸还是蛋白质进入细菌，这有助于把握事情的本质，培养严谨的科学态度。
5.理清实验现象、该现象说明了什么、实验结论是什么三者之间的逻辑关系。实验现象：用35S标记的一组，绝大多数的放射性出现在上清液中，沉淀物中有极低的放射性；用32P标记的一组，大多数的放射性主要出现在沉淀物中，上清液中也有少数的放射性；说明T2噬菌体的脱氧核糖核酸随细菌出现在沉淀物中，T2噬菌体的蛋白质不随细菌出现在沉淀物中，进而说明是脱氧核糖核酸侵入到细菌细胞，细菌裂解死亡释放出的子代噬菌体是在侵入的DNA的基础上繁殖出来的；实验结论：T2噬菌体的DNA是遗传物质。繁殖的子代噬菌体也都由脱氧核糖核酸和蛋白质构成，于是还能说明：DNA可以复制，DNA能指导蛋白质合成。在此基础上，我们还可推导出T2噬菌体增殖的过程：首先是噬菌体识别并吸附在细菌上，然后将其DNA注入细菌，在细菌细胞内噬菌体的DNA进行复制并指导蛋白质合成，接下来复制合成出的DNA和蛋白质装配成子代噬菌体，最后子代噬菌体被细菌释放。这样，我们就能培养学生透过现象看本质的能力。
6.误差分析及实验评价。结合T2噬菌体增殖的过程分析，35S标记的那一组，放射性在上清液，沉淀物无放射性；32P标记的那一组，放射性在沉淀物中，上清液中无放射性。注意笔者对实验现象的描述：35S一组的放射性绝大多数在上清液，沉淀物中有极低的放射性，与理论分析接近；32P标记的一组，放射性多数出现在沉淀物中，上清液中也有少数的放射性，而不是有放射性和无放射性的区别。笔者分析可能的原因有三，一是时间过短，部分噬菌体尚未侵染；二是噬菌体尚未将脱氧核糖核酸注入就被搅拌，与细菌分开；三是时间长，细菌由于DNA被降解、氨基酸被利用等原因而失去活性，释放了子代噬菌体。离心，部分32P标记的噬菌体到了离心管的上方，表现出较低的放射性。学会误差分析或评价，学生可尝试解释实验过程中可能出现的现象，并对实验进行评价。
读者可以搜索2006年南京质检题，“用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，在理论上，”这是作者见到对噬菌体侵染细菌实验过程、误差分析和实验评价这一考点考查较早、较细的题目；2017年全国Ⅰ卷29题，通过探究新发现病毒是DNA病毒还是RNA病毒，许多高考研究专家和教师认为该高考题是对T2噬菌体侵染细菌实验的考查，还考查了考生的科学思维和科学探究能力。那赫尔希和蔡斯可能受谁的影响和启发？
在1941年，鲁宾与卡门合作，采用同位素示踪法，证明了光合作用过程中，产生的O2是H2O分解造成的，而不是CO2造成的。他们的实验目的是探究O2的來源，是H2O产生还是CO2产生，采用的也是同位素示踪法，也是将实验分成了两组形成对比实验。他们两人的成果要比赫尔希和蔡斯两人的成果早11年。
命制高考试题的，绝大多数是大学教授，他们对学科发展史非常了解、对科学发现实验理解得更加透彻，通过命制与科学发现实验相关的题目，更能有效考查学生的科学思维和科学探究能力，也更符合高中《生物课程标准》的精神，实现高考的教育功能，还有利于大学对人才的选拔。笔者预计今后的高考对科学发现实验的考查将会流行起来。
（作者单位：山东省邹城市第一中学273500）
关键词：科学发现；生物学素养；学生
中图分类号：G633.91文献标识码：A文章编号：1992-7711（2021）06-0003
科学发现实验在高中生物教材中占有很大比重，比如桑格和尼克森建立细胞膜流动镶嵌模型的过程、光合作用的发现过程、温特发现生长素的过程、脱氧核糖核酸是遗传物质的证据等，通过对科学发现的教学，笔者发现，与学生一起分析科学家为什么会有这样那样的问题，怎样设计实验回答自己的问题，为什么那样设计实验，有助于训练学生缜密的思维能力和探究能力，培养学生的生物学素养。
下面，笔者以T2噬菌体侵染细菌实验为例，说说如何培养学生的生物学素养。
1952年，赫尔希和蔡斯利用同位素标记法，证明了T2噬菌体的遗传物质是DNA，也就是脱氧核糖核酸，由特殊推广到一般，说明DNA是遗传物质。
1.明确实验目的、理清实验思路。艾弗里及其学生通过减法原理得出脱氧核糖核酸是遗传物质，但不能使人绝对信服。赫尔希和蔡斯利用病毒的侵染属性证明脱氧核糖核酸是遗传物质、蛋白质不是遗传物质。
2.了解研究方法——同位素示踪法，同位素示踪法严格来说是同位素标记技术的一个实际应用。用32P标记T2噬菌体的脱氧核糖核酸和用35S标记T2噬菌体的蛋白质，32P标记的一组只反映脱氧核糖核酸的情况，35S标记的一组只反映蛋白质的情况，最后通过放射性出现的位置来反映脱氧核糖核酸和蛋白质究竟是哪种物质进入了细菌细胞。如何标记？标记的实质就是利用含放射性的物质培养要标记的对象，在培养对象吸收利用营养物质进行生长增殖时完成标记。标记噬菌体的过程实际上就是先用含32P的培养基来培养细菌，使细菌先带有32P，再用含32P的细菌培养病毒，病毒在细菌细胞内增殖的时候就完成了用32P标记，用相同的过程完成用35S标记。
3.明确科学发现实验的过程。赫尔希和蔡斯进行了两组实验，一组用35S标记的噬菌体与细菌混合并保温一段时间，搅拌完成后进行离心，观察放射性；取出沉淀物培养一段时间，细菌裂解，将子代噬菌体释放出来，然后再检测子代噬菌体的放射性，另一组换成用32P标记的噬菌体，其余相同。通过对实验过程的把握，培养学生对比实验意识、分组实验意识，理解科学与技术的关系。
4.理解每一环节的意图。用35S标记的噬菌体与细菌混合一段时间的意图：让噬菌体侵染细菌；搅拌的意图：分开连接在一起的T2噬菌体与细菌；离心的意图：让细菌（含被噬菌体侵染的）处于离心管的下层，让噬菌体（含蛋白质外壳）处于上清液中。通过放射性出现的位置，判断是脱氧核糖核酸还是蛋白质进入细菌，这有助于把握事情的本质，培养严谨的科学态度。
5.理清实验现象、该现象说明了什么、实验结论是什么三者之间的逻辑关系。实验现象：用35S标记的一组，绝大多数的放射性出现在上清液中，沉淀物中有极低的放射性；用32P标记的一组，大多数的放射性主要出现在沉淀物中，上清液中也有少数的放射性；说明T2噬菌体的脱氧核糖核酸随细菌出现在沉淀物中，T2噬菌体的蛋白质不随细菌出现在沉淀物中，进而说明是脱氧核糖核酸侵入到细菌细胞，细菌裂解死亡释放出的子代噬菌体是在侵入的DNA的基础上繁殖出来的；实验结论：T2噬菌体的DNA是遗传物质。繁殖的子代噬菌体也都由脱氧核糖核酸和蛋白质构成，于是还能说明：DNA可以复制，DNA能指导蛋白质合成。在此基础上，我们还可推导出T2噬菌体增殖的过程：首先是噬菌体识别并吸附在细菌上，然后将其DNA注入细菌，在细菌细胞内噬菌体的DNA进行复制并指导蛋白质合成，接下来复制合成出的DNA和蛋白质装配成子代噬菌体，最后子代噬菌体被细菌释放。这样，我们就能培养学生透过现象看本质的能力。
6.误差分析及实验评价。结合T2噬菌体增殖的过程分析，35S标记的那一组，放射性在上清液，沉淀物无放射性；32P标记的那一组，放射性在沉淀物中，上清液中无放射性。注意笔者对实验现象的描述：35S一组的放射性绝大多数在上清液，沉淀物中有极低的放射性，与理论分析接近；32P标记的一组，放射性多数出现在沉淀物中，上清液中也有少数的放射性，而不是有放射性和无放射性的区别。笔者分析可能的原因有三，一是时间过短，部分噬菌体尚未侵染；二是噬菌体尚未将脱氧核糖核酸注入就被搅拌，与细菌分开；三是时间长，细菌由于DNA被降解、氨基酸被利用等原因而失去活性，释放了子代噬菌体。离心，部分32P标记的噬菌体到了离心管的上方，表现出较低的放射性。学会误差分析或评价，学生可尝试解释实验过程中可能出现的现象，并对实验进行评价。
读者可以搜索2006年南京质检题，“用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，在理论上，”这是作者见到对噬菌体侵染细菌实验过程、误差分析和实验评价这一考点考查较早、较细的题目；2017年全国Ⅰ卷29题，通过探究新发现病毒是DNA病毒还是RNA病毒，许多高考研究专家和教师认为该高考题是对T2噬菌体侵染细菌实验的考查，还考查了考生的科学思维和科学探究能力。那赫尔希和蔡斯可能受谁的影响和启发？
在1941年，鲁宾与卡门合作，采用同位素示踪法，证明了光合作用过程中，产生的O2是H2O分解造成的，而不是CO2造成的。他们的实验目的是探究O2的來源，是H2O产生还是CO2产生，采用的也是同位素示踪法，也是将实验分成了两组形成对比实验。他们两人的成果要比赫尔希和蔡斯两人的成果早11年。
命制高考试题的，绝大多数是大学教授，他们对学科发展史非常了解、对科学发现实验理解得更加透彻，通过命制与科学发现实验相关的题目，更能有效考查学生的科学思维和科学探究能力，也更符合高中《生物课程标准》的精神，实现高考的教育功能，还有利于大学对人才的选拔。笔者预计今后的高考对科学发现实验的考查将会流行起来。
（作者单位：山东省邹城市第一中学273500）