探究科學(xué)史經(jīng)典實驗培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

探究科學(xué)史經(jīng)典實驗,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識 江蘇省無錫洛社高級中學(xué) 谷輝 214187摘要： 探究是學(xué)生認識生命世界、學(xué)習(xí)生物課程的有效方法之一，通過實驗進行探究性學(xué)習(xí)應(yīng)看作是一條重要的途徑。教師要尊重學(xué)生的不同見解,要傾聽學(xué)生合理的創(chuàng)新假設(shè)、新實驗方案的設(shè)計，新實驗技術(shù)的運用，新實驗材料的選擇。關(guān)鍵詞： 探究；實驗；科學(xué)史；創(chuàng)新意識新一輪的課程改革鋒芒畢露地指向了學(xué)生學(xué)習(xí)方式這個觸及到教學(xué)靈魂的問題上。以往課程實施過程中教師過分依賴教材，過于強調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機械訓(xùn)練。改革旨在倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、探究發(fā)現(xiàn)、交流合作的學(xué)習(xí)方式，注重學(xué)生的經(jīng)驗與學(xué)習(xí)興趣，推動、開展探究性學(xué)習(xí)已成為新一輪課程改革的主旋律。 就生物學(xué)科教育而言，從內(nèi)容到方法都提供了豐富的、基于實驗的探究性學(xué)習(xí)材料，通過實驗進行探究性學(xué)習(xí)應(yīng)看作是一條重要的途徑。教學(xué)時我們?nèi)绻芮‘?dāng)引入科學(xué)史經(jīng)典實驗，既增加了學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)的趣味性，又加深了對所學(xué)的生物學(xué)基本概念和基本規(guī)律的理解，而且能培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新意識。如何將生物實驗教學(xué)與探究性學(xué)習(xí)結(jié)合在一起，通過探究科學(xué)史經(jīng)典實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識呢？培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，首先教師應(yīng)提供科學(xué)探究過程中的背景資料，授課時不妨把已解決的問題和未解決的環(huán)節(jié)交給學(xué)生，讓他們想辦法解決，引導(dǎo)學(xué)生從何種角度入手來解決。是創(chuàng)新提出合理假設(shè)，設(shè)計新的實驗方案，選擇新的實驗技術(shù)，還是尋找新的實驗材料？這樣促使學(xué)生必須自己重新組織所學(xué)知識，就好象這些知識全然是新發(fā)現(xiàn)的一樣。為此筆者在進行“探究遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程”課堂教學(xué)時，引用了“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗”和“噬菌體侵染大腸桿菌”經(jīng)典實驗，其中設(shè)置了幾個可讓學(xué)生探究的“創(chuàng)新”點。1 創(chuàng)新提出假設(shè)探究內(nèi)容是始于1928年格里菲斯所做的用肺炎雙球菌感染小家鼠的實驗：1.1 教師展示背景資料 他發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的兩種菌株，一種為R型，外面沒有莢膜，注入小鼠后小鼠正常；另一種是 S型，外面有一層多糖類莢膜，光滑，注入小鼠后很快導(dǎo)致小鼠死亡，加熱殺死后注入小鼠，小鼠正常。 將S型肺炎球菌在特殊條件下進行離體培養(yǎng)，從中分離出R型。當(dāng)他把這種R型的少量活細菌和大量已被殺死的S型肺炎球菌混合注射到小家鼠體內(nèi)以后，出乎意外，小家鼠致死。剖檢發(fā)現(xiàn)，小家鼠的心血中有S型細菌。1.2 教師評價 在第三組實驗中，究竟小家鼠為何死亡？為何會出現(xiàn)S型活細菌在體內(nèi)繁殖? S型活細菌從何而來?1.3 學(xué)生創(chuàng)新提出假設(shè) S型細菌在小家鼠體內(nèi)繁殖導(dǎo)致死亡。創(chuàng)新提出假設(shè)：有學(xué)生認為R型細菌中有某種“活性物質(zhì)”，能使S型細菌復(fù)活，然后在小家鼠體內(nèi)繁殖；還有學(xué)生認為已經(jīng)死亡的S型細菌中有某種“轉(zhuǎn)化物質(zhì)”，能使R型細菌轉(zhuǎn)變?yōu)镾型。2 創(chuàng)新設(shè)計實驗2.1 教師評價、質(zhì)疑 針對學(xué)生提出的可能性，教師放下教案，對這兩種假設(shè)作出評價：“兩者假設(shè)均合理，無對錯之分，關(guān)鍵是能否自己設(shè)計實驗來驗證自己的假設(shè)？”引發(fā)學(xué)生進一步探究如何設(shè)計實驗。2.2 學(xué)生討論 剛才加熱殺死的S型細菌，仍然保留了細胞的結(jié)構(gòu)，所以R型細菌中可能存在的“活性物質(zhì)”使其復(fù)活，那么可否破壞它的細胞結(jié)構(gòu)呢？使其失去復(fù)活的先決條件呢？2.3 學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計實驗 認為破壞加熱殺死的S型細菌的細胞結(jié)構(gòu)，與R型細菌混合，注射小家鼠體內(nèi)，觀察是否小白鼠死亡。2.4 教師展示背景資料 格里菲斯此后不到兩年，又發(fā)現(xiàn)S型細菌的無細胞抽提物加到生長著的R型培養(yǎng)物上，也能產(chǎn)生R向S的轉(zhuǎn)化（RS）。于是，研究者們提出，加熱殺死的S型細菌培養(yǎng)物或其無細胞抽提物中，一定存在著某種導(dǎo)致細菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟是什么，人們尚不知道，為便于研究，暫時叫做“轉(zhuǎn)化因子”在上述的探究過程中學(xué)生創(chuàng)新提出合理假設(shè)，創(chuàng)新設(shè)計可行性的實驗來驗證自己的假設(shè)，在研究的思路上與格里菲斯不謀而合，訓(xùn)練了自己生物科學(xué)研究的思維方式和方法，初步體現(xiàn)了學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。3 創(chuàng)新運用實驗技術(shù)探究內(nèi)容是艾弗里和他的同事麥克勞德和麥卡蒂為了弄清轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)而進行的“肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗”：3.1 教師質(zhì)疑 細胞內(nèi)的主要物質(zhì)有：多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)。那么我們能不能再通過實驗來確定究竟具體是什么物質(zhì)在起到遺傳作用呢？3.2 學(xué)生創(chuàng)新運用實驗技術(shù) 學(xué)生提出，能否利用化學(xué)的技術(shù)將S型細菌中的各種物質(zhì)分開，然后分別去和R型細菌混合，觀察是否會使R型細菌轉(zhuǎn)化為S型細菌。3.3 教師展示背景資料 1944年，在紐約洛克菲勒研究所，他們開始對含有RS轉(zhuǎn)化因子的S型細菌的無細胞抽提物進行分餾、純化工作。他們根據(jù)染色體物質(zhì)的絕大部分是蛋白質(zhì)的事實，曾一度推斷蛋白質(zhì)很可能是“轉(zhuǎn)化因子”。然而，當(dāng)他們使用一系列的化學(xué)法和酶催化法，把各種蛋白質(zhì)、類脂、多糖和核糖核酸從抽提物中去掉之后，卻發(fā)現(xiàn)抽提物的剩余物質(zhì)仍然保持把R型轉(zhuǎn)化為S型的能力。于是，他們對自己的推斷動搖了。最后，在對抽提物進一步純化之后，他們發(fā)現(xiàn)，把取自S型細菌細胞抽提物的純化DNA，以低達六億分之一的劑量加在一個R型細胞的培養(yǎng)物中，仍然具有使RS的轉(zhuǎn)化能力。于是，他們得出結(jié)論說，“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。并在實驗醫(yī)學(xué)雜志第79卷第137期發(fā)表了這一研究成果。3.4 教師評價鼓勵 同學(xué)們能創(chuàng)造性地把化學(xué)技術(shù)運用在生物學(xué)的研究中，很好！當(dāng)年艾弗里和他的同事麥克勞德就是利用了化學(xué)中的分離物質(zhì)的手段才使得尋找遺傳物質(zhì)的研究取得突破性的進展，看來同學(xué)們創(chuàng)新運用的意識又有很大的提升?。纳厦婵梢钥闯?，在深入探究遺傳物質(zhì)時，學(xué)生能想到恰當(dāng)?shù)馗淖儗嶒灧椒▉韺で髮嶒炑芯康倪M展，并且是科學(xué)合理的，切實可行的，這難道不是學(xué)生創(chuàng)新能力的表現(xiàn)，不正是探究性學(xué)習(xí)方式引入課堂所帶來的成功之處嗎？4 創(chuàng)新思考 探究內(nèi)容是1952年赫爾希和蔡斯證明了噬菌體DNA能攜帶母體病毒的遺傳信息到子代病毒中去的經(jīng)典實驗：4.1 教師展示背景資料 艾弗里等人在1944年所作的試驗和結(jié)論，不僅沒有使科學(xué)界立即接受DNA是遺傳物質(zhì)的正確觀念，反而引起了科學(xué)界許多人的極大驚訝和懷疑。否定意見則根本不承認DNA是遺傳物質(zhì)，認為不論純化的 DNA從數(shù)據(jù)上看是如何的純凈，它仍然可能藏留著一絲有沾污性的蛋白質(zhì)殘余，說不定這就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。4.2 教師質(zhì)疑 雖然但是化學(xué)提取分離細胞內(nèi)各種物質(zhì)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)爻墒?，但是其所能達到的純度也只能使得提取出的DNA達到99.98%，對于一些固執(zhí)和吹毛求疵的科學(xué)家來說，如何才能說服他們呢？4.3 學(xué)生創(chuàng)新思考 學(xué)生認為：事實勝于雄辯。只有拿出更有說服力的實驗證據(jù)才能使這些懷疑者信服。但是化學(xué)提純技術(shù)已經(jīng)無法再達到更高的程度，那么怎么辦呢？課堂一度陷入了沉靜5 創(chuàng)新選用新的實驗材料科學(xué)研究也一度陷入了困境，毫無進展5.1 教師引導(dǎo)思考 研究的思路肯定是正確的，蛋白質(zhì)和DNA提純的技術(shù)手段上暫時也無法達到要求的純度，難道純凈的DNA就這么難以得到嗎？能不能從其他方面入手，比如：實驗的材料5.2 創(chuàng)新選用實驗材料 話音未落，一位同學(xué)失聲到：“病毒！”起立后陳述理由：“真核生物細胞中染色體主要是DNA蛋白質(zhì)很難分開，所以用細菌可能更加容易一些，但是還是不能很好地把它們分開，在初中時我學(xué)過病毒，它的結(jié)構(gòu)很簡單，只有蛋白質(zhì)和DNA，最重要的是它們是完全分開的!”5.3 教師展示背景資料 1951年，赫爾希和蔡斯提出一個十分富有魅力和啟發(fā)性的假說：“病毒的作用可能像一個充滿著轉(zhuǎn)化因子的注射針。這樣的病毒本身不會進入細胞，但它不僅用尾部接觸寄生細胞，并可能通過酶的作用在細胞外膜上鉆一小孔，然后病毒頭部的DNA就鉆入細胞?！?赫爾希在病毒感染寄生細胞過程的細節(jié)上都敘述得如此準確，真是令人驚異！5.4 教師評價 很好！同學(xué)們能在生物界中尋找簡單的特殊的生物作為實驗材料，再一次在尋找遺傳物質(zhì)的征途上跨越了障礙，有了這種創(chuàng)新的思維你們在今后一定大有所為！但是真正完成還要用到物理上的新技術(shù)：同位素標記技術(shù)，下面我們繼續(xù)進行學(xué)習(xí)和探究精選生物學(xué)史上的典型實驗, 結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生仿照科學(xué)家的研究方式,學(xué)習(xí)和嘗試完整的實驗探索過程,讓他們親身體驗到探索生物界的快樂,逐步學(xué)會科學(xué)研究的方法。學(xué)生在積極探究思考的過程中確實閃現(xiàn)出了思維的火花,使得老師不得不放下教案,放下教材跟著學(xué)生走。培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識，一方面要尊重學(xué)生的不同見解,要傾聽學(xué)生合理的創(chuàng)新假設(shè)、新實驗方案的設(shè)計，新實驗技術(shù)的運用，新實驗材料的