“DNA是主要的遗传物质”3D教学设计

常州市北郊高级中学  梁长余

摘要  本节以遗传物质的发现史即“肺炎双球菌的转化实验”和“噬菌体侵染细菌的实验”为教学明线，以学科思想和方法为暗线，利用图片素材，采用循序渐进的问题串形式，优化探究，引领学生体验遗传物质的探究历程，在互动教学中实现知识的生成，培养学生的探究意识、方法和能力，从而达成3D教学目标。

关键词  3D教学  发现（Discover）  领悟（Digest）  发展（Develop）

1   本节主要内容及分析

“DNA是主要的遗传物质”是人教版高中生物教材必修2第三章第一节内容，既是摩尔根提出的“基因在染色体上”理论的传承，也是基因的本质是什么的延续。由于本节课大多是以科学史为背景，让学生亲身体验科学家是怎样发现问题，设计实验，探究科学真理的科学思维和方法，学习科学家的严谨态度和合作精神，所以更能体现出3D教学模式，即发现（Discover）、领悟（Digest）、发展（Develop）。3D教学集六十年代初期美国心理学家布鲁纳提出的“发现教学”、美国心理学家苛勒的“领悟说”、原苏联教育家赞科夫的“发展性教学理论”于一体，3D教学模式的程序不是刻板地1、2、3，而是一种教学理念，其结构可以视学生、内容而灵活处理，如发现问题可以在先，领悟规律在后；技能发展先行，归纳思维发展随后。

2   教学目标与达成策略

2.1   知识目标   简述DNA是主要的遗传物质的原因；概述肺炎双球菌转化实验的探索过程和主要的原理、方法和结论；简述噬菌体的结构特点；概述噬菌体侵染细菌实验的探索过程和主要的原理、方法和结论；认同实验技术在证明DNA是遗传物质中的作用。

2.2   能力目标   通过分析图文资料，培养学生的识图和语言表达能力；领悟科学研究的过程和方法，培养学生的实验探究能力；用同位素标记法探究噬菌体侵染细菌的实验，培养学生由特殊到一般的归纳思维能力。

2.3   情感目标   体验科学探究的艰辛历程，认同人类对遗传物质的认识是不断深化、完善的过程，学习科学家的严谨态度和合作精神。

3   教学过程

3.1   创设情境，导入课题   在瑞典王室乐曲《国王之歌》中进入课堂，出示遗传学领域诺贝尔奖获得者图片及研究成果，第四张幻灯片出现在学生眼前时，放慢节奏，上面是艾弗里的照片和相关文字：诺贝尔奖评选委员会惋惜地承认“Avery于1944年关于DNA携带遗传信息的发现代表了遗传学领域中一个最重要的成就，他没能得到诺贝尔奖是很遗憾的”。学生不禁要问为什么没有获奖？在20世纪20年代，科学家发现，与遗传密切相关的染色体主要由蛋白质和DNA组成。但是大部分科学家认为蛋白质是生物的遗传物质，因为蛋白质具有多种多样的结构，在氨基酸多种多样的排列顺序中，可能蕴含着遗传信息。在50年代中后期当遗传学界普遍认可这个观点时，年迈的艾弗里溘然长逝。究竟艾弗里是如何得出“DNA是遗传物质”的结论的呢？在艾弗里实验的前前后后又发生了哪些大事件？接下来，就让我们循着他们的足迹，共同去发现、探索和研究。

3.2   格里菲斯的肺炎双球菌体内转化实验   简单介绍肺炎双球菌的两种类型，然后出示实验图片，设置问题：第1、2组实验能得出什么结论？第3组实验说明什么？第4组实验又说明什么？通过1、2、3、4组实验你能得出什么结论？基于问题串的引领，学生讨论后推测：加热杀死的S型菌体内，含有促成将无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌的活性物质——“转化因子”。

3.3   艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验   “S型菌体内有DNA、蛋白质和多糖等化学物质，哪种物质才是这个转化因子？请你站在当时科学家的角度，如果我们生活在那个年代，有没有同学也能够像当时的科学家那样，作出大胆而聪明的设想。”教师讲“滥竽充数”的故事，引导学生进行思维探究，间接模拟探究历程，通过一定的技术手段，将S型细菌的不同成分逐一分离，分别与R型菌混合培养，观察实验现象进而得出结论，然后出示资料与艾弗里的排除法实验流程进行比对。

艾弗里实验的核心思想是将DNA与蛋白质等其他物质分开，分别直接观察DNA与蛋白质等其他物质的作用。然而由于当时科学技术水平的制约，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。那我们能否找到更好地实验材料，不需要人为地提纯、分离就能将其中的物质分离开呢？这种材料必需具备什么特点？激发学生思考并达成共识。

3.4   噬菌体侵染细菌的实验   由于此实验是教学重点，更是教学上的一个难点，若直接采取讲授法，通过多媒体动画先告诉学生侵染过程，即吸附、注入、复制合成、组装和裂解释放五个步骤，学生短时可以理解但不符合学生的认知规律，更不利于学生的能力发展。因此，教学中，教师可以先简单介绍噬菌体的结构特点和生理功能，引导学生发现噬菌体的物质组成与染色体恰好类似。然后促使学生思考：当时科学家尚不清楚注入的究竟是蛋白质还是DNA，有没有同学能够想办法来辨识？

高中生已经具有一定的认知能力，思维的目的性、连续性和逻辑性也已初步建立，但很不完善，涉及科学方法和技术应用方面的知识也非常少，所以在教学中，教师可以创设情境，激发学生的兴趣，例如，通过老鼠为猫系铃铛的童话故事，必修1分泌蛋白的合成和运输是用什么方法追踪亮氨酸的？光合作用产生O₂来自参加反应的CO₂还是H₂O？启发学生思考并领悟达成共识：采用放射性同位素标记技术。

对侵染过程的处理，教师同样可以将知识的传授过程优化为科学的探究过程，将课本上的实验图片进行分解处理，采用循序渐进的问题串形式，让学生进行分组讨论。

（1）³⁵S标记的噬菌体侵染细菌发现上清液的放射性很高，说明什么？

发现：学生观察幻灯片，如图1所示，说明噬菌体的蛋白质外壳没有侵入，还是因为噬菌体没有侵入？

图1  ³⁵S标记的噬菌体侵染大肠杆菌实验

（2）³²P标记的噬菌体侵染细菌发现沉淀物的放射性很高，说明什么？

发现：学生观察幻灯片，如图2所示，结合图1不难发现噬菌体的确侵入了大肠杆菌体内，只不过侵入的是噬菌体的DNA非蛋白质。

图2   ³²P标记的噬菌体侵染大肠杆菌实验

（3）细菌裂解释放出的子代噬菌体中，可以检测到³²P标记的噬菌体，却不能检测到³⁵S标记的噬菌体，说明什么？

发现：子代噬菌体的各种性状，是通过亲代噬菌体的DNA遗传来的，DNA才是真正的遗传物质。

（4）为什么³⁵S标记的噬菌体侵染细菌发现沉淀物也有少量放射性？³²P标记的噬菌体侵染细菌发现上清液也有少量放射性？（如图3、4所示）。

启发：三个关键词（搅拌、离心、培养时间）

图3   ³⁵S标记的噬菌体侵染大肠杆菌实验

图4   ³²P标记的噬菌体侵染大肠杆菌实验

（5）对相关标记细节的讨论   在学生自行归纳总结得出DNA是遗传物质的基础上，教师再回到对相关细节的讨论上来：①为什么选择³⁵S和³²P这两种元素分别对蛋白质和DNA标记？用¹⁴C和¹⁸O同位素标记可行吗？②怎样让噬菌体蛋白质中的S元素和DNA中的P元素被标记？

3.5   提炼规律，重温两大实验的思想方法   这两个实验虽然实验对象不同，方法不同，所处的时代背景不同，但都证明了DNA是遗传物质，从而让学生认同科学结论的获得，最基本的方法是实证。虽然艾弗里与赫尔希等人的实验方法不同，但是实验设计思路却有共同之处即①对照原则，②直接或间接地将DNA与蛋白质分开，分别观察其作用。

3.6   内化知识、延伸探究   发展：DNA是唯一的遗传物质吗？出示烟草花叶病毒和被感染的烟草花叶图片，烟草花叶病毒的遗传物质是什么，你能依据前面所学习的方法来设计实验证明你的推论吗？

3.7   得出结论  DNA是主要的遗传物质。

4   教学反思

4.1   课题的导入   本节重点在于对科学史的优化探究，若引用课本上的“问题探讨”来创设情境，会显得略为单薄。教师通过图片导入相关遗传学领域诺贝尔奖获得者的成就，与艾弗里“遗传学领域中一个最重要的成就”，却没能得到诺贝尔奖，形成鲜明对照，再引领对本节课内容的发现、探索和研究。这样，抓住了学生的心，激发了学生的求知欲，效果自然良好。

4.2   领悟（Digest）   生物学教学中处处有发现(Discover)，包括问题的提出、结论的获取，而领悟是了解、觉醒，是感性与理性的融合，是解决问题的关键所在。例如在讲艾弗里的肺炎双球菌转化实验时，若直接通过直观讲授法，学生同样能够接受，但是效果一般；课堂上，教师尝试着通过“滥竽充数”的故事启发学生思考，效果果然良好，学生们茅塞顿开。再如，噬菌体侵染细菌的实验，侵染大肠杆菌的究竟是噬菌体的DNA还是蛋白质？我通过老鼠为猫系铃铛的童话故事和必修1追踪分泌蛋白的合成和运输知识引领学生思考，进而达成采用放射性同位素标记技术这个共识。对课本上噬菌体侵染细菌过程的图片的分解处理更是别具匠心，我想采用这样的教学方式，不仅符合学生的认知规律，而且可以潜移默化地改变学生的学习方式，对学生也是印象深刻、影响深远。

4.3   发展(Develop)   小到课堂始末，大到学生的终身。教学完两大实验后，教师让学生自行提炼其中的实验思想、科学方法以及对规律的认知，最后上升到发展的高度，尝试设计实验探究烟草花叶病毒的遗传物质，很好地落实了教学目标。翻开上海、江苏等地区每年的高考试卷，尤其是08年至今连续五年的高考试卷，不难发现，对学生的要求已不再是过去简单地对知识的记忆和题海战术，强调对学生能力的考查已成为主旋律。我想每一节课，对教师来说，重在培养学生的观察能力、分析能力和创造性思维能力；对学生来说，获取的不仅仅是知识，更为重要的是学科的思想和对方法的变通运用。