生物科学史指导下的探究式教学模式的应用案例22.doc

生物科学史指导下的探究式教学模式的应用案例摘要：在传统的课堂教学中，在学生正顺着科学史的历程对一个个实验进行探讨时，教师有时却使用结论性的语言来代替科学家实际做过的实验，这种急刹车式的内容编排抹杀了科学史的真实感，并会使学生认为所谓的探究不过是事先编好的套餐。这不仅挫伤了学生探究的热情，也违背了探究式学习开放性的原则，因为探究式学习的开放性一方面体现在学习资源的开放性上，另一方面表现在问题选择、研究与解决方式的开放性上。探究式教学应从立足结果向立足过程与方法的转变。以下四个案列力求做到过程的开放性与探究逻辑上的完整性。关键词：生命科学史；探究式教学模式；应用案例案例一：新陈代谢与酶的模式应用以前的教科书将酶定义为“由活细胞产生的具有催化作用的特殊蛋白质”。然而随着时代的发展，对酶的认识亦在不断深化，并突破了所有的酶都是蛋白质的认识。酶的发现过程有一段漫长的历史，包含了科学家们的一步步的探索，教师则需要整合不同年代的研究过程以及酶的最新发展，使学生体会到真理的相对性和发展性。阶段一：创设问题情境，启发学生提出问题特定的情境会激发人的特定思维。教师可以把现实生活中的现象与生命科学史上前人的认识结合起来，创设问题情境，从而启发学生提出相应的疑问。教师“:中国的酒文化历史悠久，远在夏朝之时，祖师爷杜康就掌握了高粱酿酒的技术，那么现在我们喝的酒是用什么材料酿成的呢，注意，我说的不是勾兑的酒?”学生踊跃回答，列举出各种粮食作物比如玉米、大麦、小麦等。教师：“酿酒首先是用米曲霉或者黑曲霉等将淀粉分解成糖类。那么糖类又是怎样一步步变成酒精的呢?十九世纪的大多数化学家认为这纯粹是一个化学过程，然而法国科学家路易斯巴斯德在显微镜下观察酿酒的发酵液样品时却发现了一个奇特的现象，即酵母菌在发酵正常时是圆的而在发酵不正常时却变长了。这说明了什么问题呢？同学们想一下。”学生:“酵母菌和发酵有种特殊的关联”。这时，教师也可以介绍一些巴斯德的一些生平事迹，使学生深受感染。阶段二：提出假设、设计实验验证。师:“当时巴斯德和你们一样也觉得:酿酒中只有酵母菌的活细胞才能进行发酵，於是巴斯德认为在酵母细胞中存在着一种活力物质，并将之命名为“酵素”。他假设发酵是这种活力物质催化的结果，并且还猜想活力物质只存在于生命体之中，一旦细胞破裂，发酵作用就不复存在了。那么巴斯德的分析到底合理吗？是否有其他的解释呢?”学生:“会不会是酵母菌中的与酵母菌是死是活无关的某种物质在起作用呢？”教师:“对极了!当时还有一位科学家李比希与巴斯德看法相左:酵母细胞中与发酵有关的物质起作用的前提就是酵母细胞的死亡裂解。孰是孰非，何以为证？”学生：“唯实验耳!”然而探究并不等于实验操作，本实验过於复杂、耗时费力而且中学实验室一般也无法提供足够的实验材料。因此，教师只能用生命科学史上科学家的思路和方法步骤来引导学生设计实验并预期实验过以程和结果。教师可以提示学生:“那应该用什么材料?”学生在讨论交流後得出:“葡萄糖溶液，酵母菌和酵母菌细胞提取液。”教师：“那么实验该如何设计呢?”至此，教师便可让学生设计实验方案。教师应发挥学生的自主性的同时培养其合作精神。可以把学生分为四人小组，每位学生先独立设计然後再小组讨论，得到一个最终方案，然后根据该方案进行实验探究然後，教师演示毕希纳的实验方案以及实验的结果，让学生对照分析。阶段三：执行实验设计、反复探究。在此阶段，教师引导学生讨论生命科学史第一个案例的实验结果，对比分析从而引导学生不断发现新问题，延续探究过程，俾学生之认识不断升华。教师:“毕希纳通过实验发现，一种从破碎后的酵母细胞提取出来的物质可以将葡萄糖溶液转化成酒精。这能说明什么问题”学生:“即使酵母细胞死了，其中的某种物质仍有发酵作用。”教师:“毕希纳称这种物质为酿酶，其化学本质又为何物?想想我们前面学过哪几种重要的物质”学生：“难道是蛋白质？”教师:“何以验证?”学生:“把这种物质从酵母细胞的提取液中分离出来，後用双缩脉试剂鉴定之。”阶段四：得出结论、扩展运用。此阶段教师应引导学生水到渠成地得出结论，并加以扩展，并对探究过程加以反思。师:“妙，科学家也是这么想的。1926年，詹姆斯.B.萨姆纳制备出了脉酶结晶。後用双缩脉试剂检验，发现其呈蓝色，则脉酶的化学本质究竟为何物?”学生:“是蛋白质无疑。”教师:“美国的诺思罗普在1935年将胃蛋白酶分离出来，经鉴定，其亦是一种蛋白质。然後又得到了一些酶，其化学本质也无一例外全是蛋白质。那么所有的酶都是蛋白质吗?”学生：“可能会有例外吧”师:“是的，切赫和奥特曼在1983年发现一种酶，该酶由80%的RNA和20%的蛋白质组成，他们除去这种酶中的蛋白质，却发现剩下的RNA仍然拥有该种酶的催化活性。这又能说明什么呀?”学生:“这种酶的化学本质是RNA吧。”教师:“结合上述材料，酶的化学本质究竟为何物?”学生:“绝大多数酶的化学本质是蛋白质，少数酶是RNA。”教师：“那么，酶在我们的生活中有什么实用价值呢?现在的酶工程又取得了怎样的成就呢？随着学生认识的逐步深入，教师便可引导学生探讨酶的研究前景，让学生感觉到任重道远学无止境。案例二：孟德尔的豌豆杂交实验的模式应用基因的分离定律这一节是科学方法应用的范例，因为孟德尔经过8年的豌豆杂交实验才发现了基因的分离定律，而他所用的基本的研究方法就是本节课的重点学习的科学方法假说演绎法。其基本思路为:“先在观察和分析的基础上提出问题，然後通过推理和想像来提出问题的假说，根据这个假说再进行演绎和推理，然後借助实验来检验前面靠演绎推理得到的结论。如果实验结果符合预期的结论，则证明假说是正确的，反之证明该假说是错误的。”1因此，孟德尔分离定律的发现，并非只是一个3:1的表型分离比和一系列的推理，更包含着孟德尔严密的逻辑思维和巧妙的数理统计的研究方法因此，研究这种科学方法可以使学生加深对分离定律之理解，同时让学生体验孟德尔当时进行科学研究的艰辛。步骤一：教师创设历史情境，揭示认知矛盾。教师首先可以给学生介绍早期的植物杂交实验的进展，然後谈谈当时流行的融合遗传理论。该理论认为，两种不同的性状在杂交之後即融合到一起无法分开，如此说来，植物就不会有显隐性性状之分，更谈不上分离现象了。但是，一部分早期的植物学家已经注意到植物有显隐性性状并存在着分离现象。可遍观整个植物学界，唯有孟德尔一人认清了融合理论与分离现象的尖锐对立，於是他开始进行豌豆杂交实验，并力图揭示真正的遗传法则。步骤二：提出假说，设计解决问题的方案对於本节课的内容，因为思维难度较大，因此不宜让学生独立设计实验，而应让学生通过追溯孟德尔的实验过程来学习如何利用假说演绎法来分析问题。孟德尔研究了豌豆765对相对性状的传递规律，得出的结果是，F2代发生了分离现象并表现出3:1的表型分离比。於是，孟德尔便提出了遗传因子的“分离假说”来解释这种现象。然而，假说不等於真理假说有待于实验之检验。但是孟德尔的假说限於当时的实验水平，无法用实验进行直接证明，於是孟德尔将假说进行演绎推理，导出可检验的结论，然後再设计实验证明之。孟德尔是这么推理的:若F1代为杂合体，则它肯定能够产生比例相同的两种生殖细胞，若与Fl代杂交的是隐性纯合体，则应产生两种性状比例相同的后代，这便是测交实验。5步骤三：反复实验，不断探究教师应引导学生体会孟德尔采集、计算数以万计的豌豆种子，先区分亲代和子代的性状情况，从连续各代的一对相对性状到多对相对性状的的表现中观察对比统计分析，寻找规律。由简单到复杂。然後进行量化计算。步骤四：得出结论，反思过程孟德尔通过不懈复杂的的实验，发现实验结果竟然与演绎推理的每一步预期完全一致。这就从理论上基本证实了基因分离的定律。孟德尔定律重发现後，许多科学家对不同的植物和动物进行了类似的实验，也得到了相同的结果。案例三：噬菌体侵染细菌实验的模式应用阶段一：介绍问题的背景，引出问题20世纪中叶，科学家们经过研究发现染色体的主要成分是和蛋白质。艾弗里通过巧妙的肺炎双球菌的转化实验，初步得出结论：DNA是遗传物质。但限於当时的实验技术。艾弗里实验提取出的DNA纯度最高时依然有0.02的蛋白质，故而依然有人怀疑实验的结论。教师提问:蛋白质和DNA到底谁是遗传物质的，何以验证?”同学做答：“一定要将蛋白质和DNA区分开，分别观察其作用。”阶段二：提出假设，设计方案教师首先要肯定学生的设想，并展示生命科学史的素材，然後引出一种被生物学家经常用的2噬菌体，这是一种寄生在大肠杆菌体内的病毒。噬菌体侵染大肠杆菌以後，头部和尾部的蛋白质外壳留在大肠杆菌的外面，而噬菌体自身遗传物质则注入到大肠杆菌的体内，然後在自身遗传物质的作用之下，利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分，当噬菌体增殖到一定的数量後，大肠杆菌就会裂解，释放出子代噬菌体。这时教师可以安排学生四人一组进行小组讨论，鼓励学生按照各自的思路来进行实验设计。有同学提出:“遗传物质的作用是保持亲代与子代之间的连续性，那我们不妨找找子代到底从亲代遗传了什么物质。”还有的同学提出的方案：把亲代噬菌体的蛋白质染成一种颜色，DNA染成另外一种颜色。待大肠杆菌裂解后，区分子代噬菌体的蛋白质和DNA的颜色即可。教师充分肯定学生的方案，并继续引导:“如何染色?”这时教师可以提供背景知识：T2噬菌体的化学组分中60%是蛋白质，40%是DNA，并且蛋白质分子中含有硫，只在分子中才含有磷。於是有的学生提出可以用上学期学过的“同位素标记法”，即分别用P和S的同位素作示踪元素，来对DNA和蛋白质分别标记，并利用其放射性追踪其去向。然後学生改进实验设计方案：“用磷的同位素标记过DNA的T2噬菌体侵染大肠杆菌，等到大肠杆菌裂解後，对子代的噬菌体施以放射性同位素检测。若在子代噬菌体中检测到磷的同位素，则表明DNA在亲代和子代之间是具有连续性的，DNA是遗传物质。若检测不到，则说明DNA不是遗传物质。同理，再用硫的同位素标记T2噬菌体的蛋白质，做同样的侵染实验，来判断蛋白质是不是遗传物质。”2“善哉!”教师继续提问:“同位素原本不在噬菌体上，何以标记?”同学：“先制备含有磷的同位素的培养基，在里面培养大肠杆菌。再用普通噬菌体侵染之，所获的子代噬菌体就被磷的同位素标记上了。同理，我们亦可获得被硫的同位素标记的噬菌体。”阶段三：进行模拟实验，并与科学家的历史上的真实实验做对照。本实验涉及放射性物质的使用，很明显不适宜由学生亲手操作，而应与生命科学史结合来进行模拟实验。教师应组织讨论，并告诉大家，科学家也是这么做的，这样就可以引起学生的好奇，使学生非常想知道科学家的经典实验是如何进行的。当他们听老师介绍完1952年赫尔希和蔡斯完成的噬菌体侵染细菌的实验过程的时候，学生会为自己能有与科学家相同的思路而感到自豪。阶段四：得到实验结果，进行反思接着第三阶段，学生会对科学家的实验结果相当感兴趣。这时教师可以介绍科学家的实验结果：32P标记的一组侵染实验，可以在被感染的大肠杆菌的沉淀物中检测到放射性同位素。而用35S标记的实验，在细菌外的噬菌体颗粒中能检测到，而在子代噬菌体中没有检测到。而两组实验在细菌裂解后释放出的子代噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA而不能检出35S标记的蛋白质。由些同学们也得出了结论：DNA是遗传物质!然後，教师引导同学们总结这个经典实验的成功原因。比如，选取合适的实验材料噬菌体，实验方案的巧妙，离心分离法和同位素标记的技术应用为实验提供了强大的支撑。换言之，学生的探究是站在巨人的肩膀上完成的。这个经典实验有利於学生理解“遗传物质基础”这个概念的来龙去脉。案例四：摩尔根果蝇实验的模式应用阶段一：创设问题情境，引发学生质疑摩尔根果蝇实验中有这么一句话:摩尔根及其同事设想，如果控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因，上述现象就可以得到合理的解释。有的学生提出质疑，为什么摩尔根要设想Y染色体上没有红白眼等位基因？还有的学生提出质疑，基因在染色体上的证据到底是什么？阶段二：提出假设，设计方案如果老师引用事实性的结论来解释学生的疑问，虽然可以快速解释疑问，却忽视了学生的兴趣和探究式学习的意义，探究式学习的意义在于探究过程的完整性和探究方法本身，并非结果的直接呈现，更不应由施教者根据难易与喜好删减科学史材料。有的教师会呈现事实性结论，即X与Y形态不一样，有非同源区段，Y染色体上确实没有红白眼基因。这样的回答将若干年后分子生物学的结论放到了摩尔根的经典遗传学实验之中，不仅与史不符，更不符合科学探究的过程性原则。老师这时应正视疑问，追本溯源以回答问题。虽然这样做会耗时较多，而且限于学生的知识水平未必能完全解释清楚。但学生却在探究中开阔了视野，了解了科研的一般过程与方法，提高了科学素养。这时教师应告诉学生教材中的实验只是摩尔根众多实验中的一小部分，他的假设并非凭空设想，而是有着众多的实验基础和深厚的逻辑分析与推理的依据，有些理由甚至来源于科学家在长期实验中形成的直觉思维。阶段三：展现科学史材料进行模拟实验1903年，萨顿观察到一种蝗虫基因和染色体行为存在明显的平行关系。应用类比推理的思想，他提出了基因在染色体上的假说。1908年开始，摩尔根及其学生开始研究果蝇的遗传行为，到1910年5月，摩尔根偶然在一群红果蝇中发现了一只白眼雄果蝇。尽管摩尔根从史蒂文斯的细胞系研究结果中获雌果蝇有两条X染色体，雄果蝇只有一条，但他还是不确定是否该将基因放诸染色体上。这主要是因为他不喜欢假说，尤其不喜欢必须依赖其他学说（比如萨顿的染色体假说）的帮助才能成立的假说。“在实验时大胆解释实验现象、提出假说时慎重”是摩尔根一贯坚持的原则。他认为要把染色体和基因关联起来，还需要更多的突变和实验，仅仅依靠红白眼果蝇的杂交和测交实验，并不能彻底地证明染色体理论。随着白眼突变后，摩尔根的实验室又得到了粉红色和朱砂眼突变，其中朱砂眼突变和白眼突变一样是伴性遗传，而粉红色眼色和白眼眼色这对性状则完全符合孟德尔分离和自由组合定律。摩尔根这才开始相信染色体学说很可能是正确的。3摩尔根的果蝇杂交实验不难发现，野生型红眼雌果蝇与突变型白眼雄果蝇杂交，就果蝇红眼与白眼这一对相对性状来看，子一代全为红眼，子一代雌雄果蝇互交，子二代红眼与白眼之间的数量比例为3：1，这样的遗传表现符合分离规律，表明果蝇的红眼果蝇与白眼果蝇是受一对等位基因控制的。所不同的是，子一代间的雌雄交配，子二代红眼有雌有雄，而白眼只有雄果蝇，这表明子二代中白眼性状的表现总是与性别相联系，则该等位基因不应该在常染色体上，而应该在性染色体上。上述杂交实验的结果可以用下面的遗传图解来进行合理的解释之后，摩尔根又做了测交实验，用红眼的雄果蝇和白眼的雌果蝇交配结果子一代中雌果蝇全是红眼，雄果蝇全是白眼上述结果可以用下面的遗传图解进行合理的解释至此，为什么Y染色体上没有红白眼基因的问题已经以经典遗传学的方法得到圆满的解释。那基因在染色体上的证据到底是什么呢？阶段四：得到实验结果，并进行深入探讨1910年，摩尔根在果蝇中发现的白眼性状的遗传方式，第一次把一个特定基因与特定染色体联系起来，伴性遗传的基因的行为与性染色体之行为完全平行。尤其是白眼雌果蝇与红眼雄果蝇的测交实验，子一代中雄果蝇全是白眼，雌果蝇全是红眼，已经充分说明了特定基因与性染色体的必然联系。只有特定基因在性染色体上才能解释得通。但两者的平行是否只是偶然的巧合而已？因为它更像是一场完美的逻辑推