引导学生体验科学探究的过程

【设计思路】

本节为苏教版高中《生物》必修二教材中第四章第一节的内容。主要通过三个经典实验，总结了“DNA是主要的遗传物质”的探索过程：格里菲思的肺炎双球菌体内转化实验、艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验和赫尔希、蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验。本节内容安排为两个课时，本案例为第一课时内容。

核酸的结构、科学探究的步骤都是学习过的内容，这为本节内容的学习提供了知识基础。这节课重点是让学生“重走探索之路”，以人类早期对遗传物质的推测为问题源头，通过对上述实验的介绍和分析，让学生亲自体验科学研究的思路和方法。

【教学目标】

1.分析肺炎双球菌转化实验的过程、原理和结论。

2.通过模拟发现遗传物质的实验过程，学习科学研究的方法，进行科学探究；通过分析图文资料，尝试信息的处理；模仿科学家通过分析、比较、推理、归纳等，去解决实际问题。

3.通过学习遗传物质的发现过程，养成实事求是的科学态度和不断探究的科学精神；在学习过程中，形成科学的认知论，掌握唯物辩证法。

【教学过程】

一、创设问题情境，激发学生兴趣

师（引入问题）：通过前面的学习，我们知道遗传是普遍存在的现象，而染色体在遗传上能保持连续性和稳定性。20世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。在这两种物质中，究竟哪一种是遗传物质呢？这个问题曾经引起生物界激烈的争论。你认为遗传物质应该具有什么特点？

生1：应该可以传给下一代。

生2：遗传物质本身要稳定。

师：很好！还有么？

生3：本身要能够携带大量遗传信息，还要能够精确复制。

师：大家考虑得很全面。那如果你要通过实验来验证某种物质是不是遗传物质，你会选择什么样的生物材料呢？

生：最好简单一点的。

师：比如什么生物？

生：单细胞的，细菌就可以。

师：同学们的想法跟科学家们的不谋而合，果然英雄所见略同！下面我们就来看看当时科学家们是如何用实验揭开遗传物质的真面目的。

【利用问题创设情境，既营造了良好的课堂氛围，又为接下来的分析实验埋下伏笔。】

二、引入实验，跟随科学先驱一起思考

师：20世纪初，人们对蛋白质的认识比较深入。当时已经知道蛋白质是由多种氨基酸连接而成的大分子，各种氨基酸可以按照不同的方式排列，形成不同的蛋白质。这样就使人很自然地想到，氨基酸多种多样的排列顺序可能蕴含遗传信息。首先通过确凿的实验证据向“遗传物质是蛋白质”的观点发出挑战的是美国科学家艾弗里，而艾弗里的实验又是在英国科学家格里菲思的实验基础上进行的。

探究活动1 1928年，格里菲思以小鼠为实验材料，研究肺炎双球菌是如何使人患肺炎的。他用两种不同类型的肺炎双球菌去感染小鼠。一种细菌的菌体有多糖类的荚膜，在培养基上形成的菌落光滑，叫做S型细菌；另一种细菌的菌体没有多糖类的荚膜，在培养基上形成的菌落表面粗糙，叫做R型细菌。在这两种细菌中，S型细菌可以使人患肺炎或使小鼠患败血症，R型细菌不会引起上述症状，是无毒性的。（PPT展示图片）

师：实验先进行第（1）（2）组的目的是什么？可否直接进行第（4）组实验？

生：第（1）（2）组是做对照的，不能直接进行第（4）组实验。

师：是的，科学探究实验要设置对照实验，（1）（2）组实验可以证明R型和S型细菌的作用，排除小鼠死亡的其他原因。分析对比（1）（2）组实验，说明什么？

生：（1）（2）组对比，说明R型活菌不致死，而S型活菌致死。

师：对比（1）（2）组说明什么？

生：说明加热死亡的S型细菌不致死。

师：对比（3）（4）组说明什么？

生：（3）（4）组的实验结果说明R型活细菌与S型死细菌混合培养后产生了S型活细菌。

师：对。格里菲思从第（4）组死亡的小鼠尸体中分离出了有毒性的S型活细菌，而这些S型细菌的后代也是S型活细菌，说明这种转化是可以遗传的。该实验能证明遗传物质是什么吗？

生：不能。

师：那这个实验的结论是什么呢？

生：这个实验能证明S型细菌中有一种转化因子，使R型活细菌转化为S型活细菌。

【以问题为向导形成问题串且循序渐进的探究过程体现了科学研究的思想和方法；在教学中突出了学生的主体地位，引导学生多角度、多方位思考问题；问题紧扣教材，引发学生讨论得出相应的结论。】

探究活动2 上述格里菲思的实验中，S型细菌中有某种转化因子使R型细菌发生转化，这个因子究竟是什么呢？格里菲思并没有能够证明，那我们来找找看吧！要找到细菌中究竟什么物质是转化因子，先要来看看细菌里有哪些物质。同学们还记得初中学习过的细菌的基本结构吗？（PPT出示细菌结构图）

图3

生：细菌的基本结构有细胞壁、细胞膜、细胞质和DNA。

师：有成型的细胞核吗？

生：没有。

师：是的，除了上述结构之外，有些细菌还有荚膜、鞭毛等结构。荚膜起保护作用，S型肺炎双球菌就是有荚膜的，但没有鞭毛。那么这些结构的主要成分是什么呢？

生1：细胞壁的主要成分是多糖，细胞膜是由蛋白质和脂质组成的。

生2：DNA就是脱氧核糖核酸。

生3：荚膜的主要成分应该是多糖吧？

师：对！所以加热杀死的S型细菌中有蛋白质、脂质、多糖和DNA等物质。要证明这些物质中哪一个才是转化因子，首先应该如何操作呢？大家讨论一下。

（学生分组讨论）

生：最好将它们分开。

师：对，必须将蛋白质、糖类、脂质和DNA分开，才能一一确定它们是不是转化因子。假如你是当时的科学家，你会如何设计实验来证明转化因子是哪一个呢？

（学生纷纷讨论）

师：我们先来回想一下，科学探究的五个步骤是？

生（齐）：提出问题、作出假设、实验、得出结论、表达交流。

师：很好！那各位科学家现在要探究的问题是……？

生：DNA、蛋白质和其他物质究竟谁是转化因子？

师：你们的假设是……？

生：DNA是转化因子。

师：那各位科学家的实验方案是什么呢？

生：首先从S型细菌中分别提取出DNA、蛋白质、多糖、脂质等物质。然后分别将它们加入到已经培养了R型细菌的培养基中，观察结果。

师：你们预测会有什么结果？

生：应该是只有加入DNA的才能使R型细菌转化成S型细菌。

师：如何鉴别R型细菌和S型细菌呢？

生：可以用显微镜观察，S型是有荚膜的，R型没有。

师：很好，有别的办法吗？

生：可以看菌落，S型菌落光滑，R型菌落粗糙。

师：很好！同学们考虑得很周全。其实，1944年，科学家艾弗里就是这么做的。看来我们的同学已经可以像科学家一样去解决问题了，非常棒！我们一起来看一看他们的实验结果。（演示课件）

图4

师：你们观察到了什么现象？

生：只有加入DNA，R型细菌才能够转化为S型细菌。

师：为何要设计加入DNA和DNA酶的那组实验？

生：应该是和只加入DNA的那组实验形成对照。

师：非常好！科学探究实验中，要设置对照实验，注意控制实验变量。你们刚才的假设成立了么？

生：成立了！

师：看来同学们都有当科学家的潜质，好好努力！艾弗里和他的同事进行的肺炎双球菌的体外转化实验，结论是：只有加入DNA，R型细菌才能够转化为S型细菌，并且DNA的纯度越高，转化就越有效；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。实验结果甚至出乎艾弗里自己的预料，于是艾弗里提出了不同于当时大多数科学家观点的结论：DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。艾弗里的实验引起了人们的注意，但是，由于艾弗里实验中提取出的DNA纯度最高时也还有0.02%的蛋白质，因此，仍有人对实验结论表示怀疑。接下来，科学家们依然在努力揭开遗传物质的面纱，下节课我们将继续沿着科学家的探索之路往下走。

【这是本节课的第二个探究活动――艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验，当年这个实验是在格里菲思实验的基础之上完成的，所以我引导学生主动去思考：如果你是当年的科学家，要接着去探究转化因子到底是什么，你会怎么做？为了降低学生思考的难度，先和学生一起讨论出，如果要揭示转化因子是什么物质，最关键的步骤是必须将蛋白质、糖类、脂质和DNA分开，才能一一确定它们是不是转化因子。然后，和学生一起复习科学探究实验的五个步骤，最后再让学生去讨论设计实验方案。当学生讨论出实验方案以后，告知他们，这与当年科学家的做法是一致的，学生非常有成就感，学习积极性高涨。这样的安排，既使学生的思维得到锻炼，又让他们主动地获取了知识，效果甚佳。】

【教学思考】

本节课在实施过程当中，依照学生的认知规律，通过有步骤、分层次地创设问题情境，让学生主动探究、发现问题，并且得出结论，从而让学生学到了科学探究的基本方法，达到了掌握知识、培养能力的目标。

1.引导学生体验科学探索过程，领悟科学研究方法。

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，通过对艾弗里的肺炎双球菌体内转化实验的介绍和分析，让学生亲自体验科学研究的思路和方法，学习科学家的研究态度和合作精神。对学生在分析过程中提出的疑问，及时给予解答。教学过程中，引导学生分析“谁在转化实验中起作用”，“转化因子究竟是什么物质”，“如果你是科学家，你会如何设计实验”等问题，为探索艾弗里等人进行的实验做好铺垫。在探索艾弗里的转化实验时，结合课件和教材的图文，引导学生分析实验结果，得出结论：只有DNA具有转化作用。最后，指出艾弗里实验的不足之处，即DNA纯度不够，不能排除蛋白质的作用，进而引出噬菌体侵染细菌的实验，为下一课时埋下伏笔。

2.直观形象地呈现实验过程，化解教学难点。

由于DNA的转化等实验是在特定的实验室条件下才能进行的，学生无法亲自动手操作，缺少感性认识，因此，需要教师形象直观地介绍实验操作步骤。在教学中，笔者利用图片、动画及多媒体课件，分步演示实验过程，让学生置身于探究的全过程，有效地化解了教学难点。（作者单位：南京外国语学校）