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“噬菌体侵染细菌的实验”探究性教学设计及简评

[日期:2014-06-17] 来源:中学生物学 2014年3期  作者:张树虎 [字体: ]

  摘 要 通过创设情境、问题预设、讨论解答等方面对“噬菌体侵染细菌的实验”一课探究性教学设计进行较为深入的探讨,并对课堂情境设置、制造“问题链”等教学设计作出简单评价。
  关键词 实验 教学 设计
  中图分类号 G633.91 文献标识码 B
  “噬菌体侵染细菌的实验”是验证DNA是遗传物质的经典实验,是引导学生进行探究性学习较好的素材。教材虽然采用了图文并举的编写方法,但是由于文字过于简练,给学生的学习带来了一定的困难。再加上很多教师将该实验理解为验证性实验,学生学完这部分内容后,常常是疑问重重。突破这个教学难点,关键在于课堂教学应当以探究为主线进行。
  1 教学设计
  1.1 课堂导入
  教师创设情境:DNA和蛋白质到底哪一个才是遗传物质?1944年,美国细菌学家艾弗里(1877-1955)等人在实验中发现:死去的S型菌并未复活,而是S型菌的DNA进入了R型菌,使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲思之谜”,并且在世界上第一次证明遗传基因就在DNA上。但是,当时遗传学界的主流观点是蛋白质承担着遗传信息载体的作用,艾弗里的研究不仅没有使科学界立即接受DNA是遗传物质的正确观念,反而引起了科学界许多人的极大惊讶和怀疑。
  请思考回答:(1) 通过什么现象第一次证明遗传基因就在DNA上?能否证明作为遗传物质必须具备的亲子代间的传递性?(2) 在人们的质疑中,最具有代表性的观点是什么?
  尽管格里菲斯和艾弗里已经证实了DNA是导致细菌转化的因子,但这仅仅是从一个侧面证明了DNA可以控制细菌荚膜的形成,并没有证明作为遗传物质必须具备的亲子代间的传递性。
  不论纯化的DNA从数据上看是如何纯净,它仍然可能藏留着一丝蛋白质残余,说不定这就是有活性的转化因子。那么有没有哪种生物材料能够将蛋白质和DNA分开?以此引出新课教学。
  1.2 “噬菌体侵染细菌的实验”的教学
  1.2.1 知道噬菌体的特点
  教师首先创设情境:艾弗里等人的实验受到质疑,那么,如何使实验更严谨、更有说服力呢?能否找到更好的实验材料来替代?这种材料必须具备什么特点呢?
  这样设计的目的是激发学生思维,并让他们知道选择的材料最好能自然将蛋白质和DNA彻底的分开,从而引出实验材料——噬菌体。
  师:1969年诺贝尔生理学和医学奖授予了三位遗传学家,他们是德尔布吕克、卢里亚和赫尔希,以表彰“他们利用噬菌体作为实验材料,发现了病毒的复制机制和基本结构”。营细胞内寄生的噬菌体,是一种结构异常简单的生物,只有蛋白质外壳包裹着DNA构成。如果能证明噬菌体传递给后代的只有DNA而没有蛋白质,就能强有力地证明DNA是遗传物质而蛋白质不是遗传物质。
  1.2.2 猜测噬菌体侵染细菌的形式
  在学生了解噬菌体的基础上,教师设计问题:如果你是赫尔希、蔡斯团队中的一员,你对“噬菌体侵染细菌时,进入细菌的是DNA分子,还是蛋白质”是如何推测的?
  教师引导学生分组讨论,并猜测可能的形式。学生通过讨论得出三种可能:① 注入DNA,蛋白质衣壳留在外面;② 注入蛋白质衣壳,DNA留在外面;③ 同时注入DNA、蛋白质衣壳。
  以上猜测存在一个演绎推理,是实验的前提条件,教师必须让学生明白这个推理过程。所谓演绎推理就是由普通性的前提推出特殊性结论的推理。演绎推理有三段论,有假言推理和选言推理等形式,该实验的推理属于假言推理。
  假言推理的基本原则是:小前提肯定大前提的后件,结论就要肯定大前提的前件;小前提否定大前提的前件,结论就要否定大前提的后件。推理的过程如表1所示。

  这个问题旨在引导学生学会运用已经学过的演绎推理法来解决实际问题。
  师:以上仅仅是猜测,这样一个微观过程如何才能观察到?这就是赫尔希和蔡斯遇到的难题。
  1.2.3 探究噬菌体侵入细菌体内的物质
  师:噬菌体侵染细菌的究竟是噬菌体DNA还是蛋白质?如果你是赫尔希、蔡斯团队中的一员,你将采取什么方法来区别蛋白质、DNA?请同学们分组讨论,小组提出可行性方案。
  生:用同位素标记法。
  学生从教材中能够发现答案,因此教师不需要过多解释这个内容,防止分散学生的注意力。
  分组讨论,让学生体会探究实验的“一般流程”:
  实验原理:生长在含有放射性物质的培养基中的细菌及其体内的噬菌体也将带有放射性,并可被专门仪器所测定。
  在T2噬菌体的化学组成中,60%是蛋白质,40%是DNA;S仅存在于蛋白质分子中,99%的P存在于DNA分子中。
  器材用具:选用实验材料和有关的仪器、试剂(略)。
  方法步骤:采取分组标记,第一组标记蛋白质,第二组标记DNA。
  用35S、32P分别标记噬菌体:把宿主细菌分别培养在含有35S、32P的培养基中,细菌在生长过程中分别被35S和32P所标记。再用噬菌体分别侵染被标记的细菌,噬菌体在细菌细胞内增殖,裂解后释放出很多子代噬菌体。用仪器测定这些子代的噬菌体:噬菌体侵染35S标记的细菌被35S所标记;噬菌体侵染32P标记的细菌被32P所标记。
  测定同位素标记的细菌:用35S标记的噬菌体侵染未标记的细菌,然后测定该细菌的同位素标记。用32P标记的噬菌体仪染未标记的细菌,然后测定该细菌的同位素标记。
  预期结果:从理论上讲,第一组仅用35S标记噬菌体外壳,侵染细菌后搅拌离心,实验结果应该是只有上清液(含有噬菌体外壳)具有放射性,而沉淀物不应该有放射性,这样才能说明噬菌体的蛋白质外壳没有进入细菌体内。第二组仅用32P标记噬菌体的DNA,侵染细菌后搅拌离心,实验结果应该是只有沉淀物(细菌)具有放射性,而上清液不应该有放射性,这样才能说明噬菌体的DNA进入细菌体内了。
  实验结论:经同位素35S和32P的标记实验所证实,噬菌体注入细菌的物质是DNA。
  分析结论:子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传给后代的,因此,DNA才是真正的遗传物质。
  在小组讨论后,各小组展示成果,教师要注意引导学生分析实验设计的基本环节。
  这个问题是教学的重点、难点,教学时教师先让学生观察实验操作的视频,实验结果快要出现时,将视频停下来,让学生思考、推测可能出现的结果。学生讨论。当学生看到实验现象:用35S标记的噬菌体的放射性在上清液中,而32P标记的噬菌体的放射性在沉淀物中。学生议论纷纷,兴趣马上被调动起来。此时必然有学生认为教材结论有问题。教师要针对学生的思考以及教材的缺陷,适时抓住情境,让学生真正理解知识。
  接着教师设计以下问题进行追问:
  (1) 从实验结果看,现象并不符合预期结果,第一组沉淀物中也有较弱放射性,应该如何解释?第二组上清液中也有较弱的放射性,应该如何解释?
  答案:只有把握好噬菌体侵染持续时间的长短,才不至于导致某些噬菌体因没来得及侵入而留在上清液,或者某些细菌因时间过长已经裂解,从而存在于上清液中。
  第一组实验:硫元素仅存在于蛋白质中,所以,最可能的原因是搅拌不彻底,会导致部分吸附的噬菌体外壳没有脱落下来就离心了,所以这少量的外壳会存在于沉淀物中。
  第二组实验:有3个可能的原因:① 噬菌体侵染细菌需要一个过程,有些噬菌体还没有来得及侵入就已经搅拌离心了,这些没有来得及侵入的噬菌体存在于上清液中;② 噬菌体侵入细菌后使细菌解体,释放出来的子代噬菌体会存在于上清液中;③ T2噬菌体的化学成分中,99%的磷元素存在于DNA分子中,可能是另外1%的磷使上清液显示出很弱的放射性。
  该题设计意图是训练学生的思维深度,进一步对实验进行深入分析,使学生对实验的认识得以升华。要解决上述问题,学生必须深入思考实验的每个步骤的目的(如搅拌、离心)与原因以及该步骤的注意事项,必须从一个操作者的角度去思考才能有所收获,从而解决问题。教师可以引导学生发现问题,然后组织学生通过“小组讨论→代表回答→评价修正→总结归纳”的方式进行。
  (2) 噬菌体侵染细菌的实验能否证明蛋白质不是遗传物质?艾弗里的实验可以证明吗?
  答案:T2噬菌体的遗传物质是DNA。这两组实验并不能说明蛋白质不是遗传物质,因为蛋白质没有进入细菌,所以无法知道蛋白质对遗传是否有作用,但艾弗里的实验可以说明蛋白质不是遗传物质。
  (3) 科学家选用噬菌体侵染细菌的实验来证明DNA是遗传物质,你认为有什么巧妙之处?这一实验与肺炎双球菌转化实验在实验设计的思想与方法上有什么共同之处?
  答案:噬菌体仅有蛋白质和DNA两种化学成分,它的头部和尾部的外壳都由蛋白质构成的,头部内含有DNA。共同之处是均设法把DNA与蛋白质分开,从而单独地、直接地去观察DNA的作用。只是两个实验中使DNA与蛋白质分开的方式不同,另外都遵循了对照实验的设计思想。
  如果课堂时间充足,教师还可以设计以下问题或者由学生提问:
  (1) 目前有多种同位素如14C、15N、3H、32P、35S等,选择哪种元素进行标记?为什么?能不能直接标记?可以用含有同位素的培养基培养得到标记的病毒吗?如何才能做到?
  (2) 如果同时用不同的同位素分别标记噬菌体的DNA和蛋白质可以吗?为什么?
  (3) 怎样使噬菌体外壳从细菌表面脱落下来?
  2 简评
  2.1 情境设置,诱发学生强烈探究欲望
  情境的创设要符合学生的知识水平、生活经验、个性特征和情感体验;要紧扣教学内容,凸现学习重点,尤其要能引发学生提出问题。在设计提问时,教师要依据素材设计出与本节课重点知识有关的问题,目的是帮助学生准确理解学科知识的内涵,激发他们学习的动力和热情。例如,本课导入材料的教学情境是通过回顾上节课核心知识引出本节新知识,对于激发学生的学习兴趣,引导学生从中发现问题并形成与原认知结构间的思维冲突大有帮助。再如“噬菌体侵染细菌的实验”的情境设计:通过质疑,激发和培养学生科学探究精神,引导学生重视科学探究的历程,按照生命科学史的发展去思考问题、发现问题。这样,既延伸了旧课,导出新课,同时又激发学生的求知欲,为新课的教学创造有利的氛围。另外,教师利用生物科学史、生物学家的故事导入时,一定要还原事实真相,这样能收到较好的教育教学效果,而且可以教育学生刻苦学习、学会创新,有助于培养他们实事求是的科学态度。
  2.2 “问题串”帮助学生突破探究难点
  新课改要求课堂教学在教师的引领下,针对教学目标和教学内容提出教学问题,培养学生学会学习。学生带着问题学习并解决问题,进而探索出更多问题。噬菌体侵染细菌实验对于高中生来说是比较难的,为了突破这个难点,本节课教师设计了系列“问题串”,解决这些问题分三步:① 学习噬菌体侵染细菌实验之前要学习病毒的结构及其繁殖过程。② 认真分析实验中的细节。如果对实验过程中的细节教师处理不够得当,那么,学生的思维可能会跟不上,导致理解不透彻。例如,这个实验成功的关键之一是科学家想到了用搅拌器搅拌,那么搅拌的目的是什么?为什么会想到搅拌?这正是和本实验的目的相联系的步骤。再如,离心后对于沉淀物和上清液的成分的分析,也是必要的。为什么要控制被标记噬菌体和未标记的细菌混合的时间长短?如何得知是否有子代噬菌体干扰了实验结果?除了教师预设问题外,教师还要不断激发学生提出问题。如教学本课时有学生问:该实验是对照实验吗?其中自变量是什么?因变量是什么?哪些是无关变量?为什么要让被标记的噬菌体分别与大肠杆菌混合?……③ 教师通过课件直观呈现教材中关于标记的噬菌体侵染细菌实验的两个对照试验,以此帮助学生进一步突破难点。教师教学时要注意:教材中的插图比较直观,但是切忌死记硬背教材结果,事实上,这种结果是理论现象,与事实不符,所以要注意培养学生“想象实验”的能力。
  2.3 体验学习,像科学家一样进行科学探究
  新课程实施的难点之一是如何在课堂教学中真实、有效地开展探究活动。本课的教学中,教师将实践体验(像科学家一样去经历)与情境体验(教学过程中有目的预设场景,如视频活化情境)相结合,引导学生体验“假说——演绎法”,让学生像科学家那样去思考,体会科学研究的思维过程。同时引导学生设计实验证明噬菌体侵染细菌时,注入细菌的是DNA而不是蛋白质,学生在讨论、自主探究过程中,运用理性思维体验科学探究的一般过程,对于提高学生的科学素养大有裨益。
  2.4 质疑启思,养成“先学后教”、“以学导教”的习惯
  新课改要求教学形式或教学方式要发生变化。教师应该“跟着学情走”,鼓励学生自主学习。前已述及,“问题串”的预设将教学活动牢牢定位于学,让学生的学习活动启动教师的教学活动。每一个教学过程都是从学生的自学为起点,教师则在自学的基础上施教。教学中问题的预设与生成相辅相成,教师没有完全按照教案教学,而是“以人为本”,并没有“以知识为本”。另外,没有出现对学生指导“过度”的现象,而是赋予学生时间、空间,让学生“说”不懂之处、疑问之处。
  参考文献
  [1] 刘本举.“噬菌体侵染细菌的实验”的分析与教学建议[J].生物学通报,2010,(9):29-31.
  [2] 周荣华,高虎.“让学”理念下的“问题链式”教学策略[J].上海教育科研,2012,(2):76-77.

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