基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的“基因工程的基本操作程序”教學(xué)設(shè)計(jì)

劉丹

摘 要 以“基因工程的基本操作程序”一節(jié)為教學(xué)案例，通過分析能體現(xiàn)生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容、制訂指向生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)和設(shè)計(jì)落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)過程，探討如何開展立足于培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的中學(xué)生物教學(xué)。

關(guān)鍵詞 生物學(xué)核心素養(yǎng) 基因工程 操作程序 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物學(xué)核心素養(yǎng)是通過學(xué)習(xí)生物學(xué)知識和技能、常用的思維與科學(xué)探究的方法等而習(xí)得的重要觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。生物學(xué)核心素養(yǎng)包括生命觀念、理性思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任四個(gè)要素。如何開展以生物學(xué)核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的中學(xué)生物教學(xué)是現(xiàn)在生物學(xué)教育工作者十分關(guān)注的問題。下面將以“基因工程的基本操作程序”一節(jié)為教學(xué)案例，對這一問題進(jìn)行初步探討。

1 分析能體現(xiàn)生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容

1.1 分析推理，理性思考

本節(jié)的內(nèi)容是高中學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)，是在必修模塊相關(guān)知識和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的提升，并且由于基因工程操作是微觀的分子水平，無法用肉眼觀察得到，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解也帶來了一定的難度。教學(xué)時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)一些具有啟發(fā)性的問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析基因工程每一步操作的必要性以及操作的對象、方法和原理；還可以讓學(xué)生利用已有知識來進(jìn)行判斷、推理，如根據(jù)DNA復(fù)制的相關(guān)知識，推導(dǎo)出PCR反應(yīng)需要的條件等，從而促進(jìn)學(xué)生理性思維能力的發(fā)展，避免“死記硬背”的學(xué)習(xí)方式。

1.2 創(chuàng)設(shè)情境，科學(xué)探究

素養(yǎng)是在個(gè)體與情境的有效互動(dòng)中生成的。教師在教學(xué)過程中合理地創(chuàng)設(shè)情境并且選擇合適的情境素材，不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的效果，還能對學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的形成產(chǎn)生積極的作用?；蚬こ痰某晒S碩，可以應(yīng)用的有價(jià)值的情境資源是非常多的。在講授基因工程的基本步驟時(shí)，教師可以結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的基因工程產(chǎn)品，如某種轉(zhuǎn)基因植物、基因工程藥物、基因工程菌等的產(chǎn)生過程來進(jìn)行講解。之后，可以再創(chuàng)設(shè)一個(gè)問題情境，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識來設(shè)計(jì)獲得某一基因工程產(chǎn)品的方案，從而使他們將整個(gè)基因工程的操作流程有效地串聯(lián)起來，加深對基因工程的認(rèn)識和理解。在設(shè)計(jì)方案的過程中，教師還可以引伸出一些問題讓學(xué)生進(jìn)行探究。例如，學(xué)生可能會設(shè)計(jì)不同的獲取目的基因的方法，這時(shí)就可以讓他們探究這些方法是否可行，如果可行還可以比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)等。學(xué)生獨(dú)立開展探究活動(dòng)往往存在一些困難，教師應(yīng)當(dāng)給予一定的引導(dǎo)和啟發(fā)。

1.3 升華認(rèn)識，擔(dān)當(dāng)責(zé)任

基因工程不僅是生命科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也受到了全社會的廣泛關(guān)注。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，可能已經(jīng)通過媒體、他人的介紹和評論等對基因工程有了感性的認(rèn)識。教師在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)基因工程的基本操作程序的基礎(chǔ)上，應(yīng)該再升華學(xué)生的情感。一方面，教師要讓學(xué)生認(rèn)同我國在基因工程領(lǐng)域取得的矚目成就，培養(yǎng)他們的民族自豪感和自信心；另一方面使學(xué)生認(rèn)識到基因工程可能帶來安全性問題，它的應(yīng)用對人類來說既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，關(guān)鍵是如何正確對待和合理利用，同時(shí)還應(yīng)該思考人們可以從哪些方面來提高基因工程的安全性，這些都是對學(xué)生“社會責(zé)任”素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2 制訂指向生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)

教師可以從生物學(xué)核心素養(yǎng)的幾個(gè)方面來制訂以下教學(xué)目標(biāo)。

① 理性思維：

通過對細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制過程、參與DNA復(fù)制的各種組分和反應(yīng)條件的分析，能理解PCR的原理，并推出PCR反應(yīng)所需的條件；

能根據(jù)基因表達(dá)的過程，推出目的基因檢測與鑒定的幾種方式；能運(yùn)用流程圖的形式概括出基因工程的基本操作程序。

② 科學(xué)探究：

針對人類生產(chǎn)或生活中的某一需求，能選取適當(dāng)?shù)幕蚬こ碳夹g(shù)和方法，設(shè)計(jì)獲得某一轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的方案并就其中的某些問題展開探究。

③ 社會責(zé)任：

面對日常生活或社會熱點(diǎn)話題中與基因工程有關(guān)的話題時(shí)，能基于基因工程的基本原理和操作流程，表達(dá)自己的觀點(diǎn)；認(rèn)同基因工程給我們的生產(chǎn)、生活帶來的正面影響，能理性對待基因工程技術(shù)及其產(chǎn)物。

值得一提的是，生物學(xué)核心素養(yǎng)的四個(gè)要素并不是孤立存在的，而是一個(gè)相互聯(lián)系、相互支撐的整體。每一個(gè)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定也不一定只指向某一核心素養(yǎng)。例如，在讓學(xué)生設(shè)計(jì)獲得某一轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的方案時(shí)（科學(xué)探究），肯定要考慮其中涉及的安全性問題（社會責(zé)任）。另外，筆者制訂的教學(xué)目標(biāo)中雖然沒有提到生命觀念，但是之前學(xué)的一些能反映結(jié)構(gòu)與功能觀的內(nèi)容是本節(jié)課的知識基礎(chǔ)。在教學(xué)中，教師可以找到這些縱向銜接的點(diǎn)，來貫通這一素養(yǎng)。例如，在必修模塊，學(xué)習(xí)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)使它能夠通過堿基互補(bǔ)配對進(jìn)行精確的復(fù)制，這滲透了結(jié)構(gòu)與功能觀，在進(jìn)行本節(jié)PCR原理的講解時(shí)，就可以聯(lián)系這一點(diǎn)來展開；在前面一節(jié)，了解了基因工程中使用的載體的基本結(jié)構(gòu)：具有限制酶切割位點(diǎn)使得外源DNA能夠插入其中，具有標(biāo)記基因使得我們能夠鑒定和篩選重組體等，這同樣體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能觀，在本節(jié)講基因表達(dá)載體的構(gòu)建時(shí)，就可以聯(lián)系這些內(nèi)容來介紹基因表達(dá)載體的其他組成部分，從而加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)與功能觀的認(rèn)識。

3 設(shè)計(jì)落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)過程

3.1 引入新課

教師創(chuàng)設(shè)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的產(chǎn)生背景和推廣應(yīng)用情況的情境，并利用這一情境，提出問題：“你知道轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機(jī)理是什么嗎？培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？”教師引導(dǎo)學(xué)生分析討論。

設(shè)計(jì)目的：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉是我國科學(xué)家自主取得的重大科技成果，了解相關(guān)知識背景能增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和自信心，教師提出的問題又可以啟迪學(xué)生思維，激發(fā)他們的求知欲。

3.2 講解基因工程的基本操作程序

3.2.1 學(xué)習(xí)目的基因的獲取

教師介紹轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、目的基因，以及培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的目的基因，并引申介紹科學(xué)家篩選培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉需要的目的基因的過程、篩選的注意事項(xiàng)，如安全性問題等。然后，學(xué)生自主閱讀從基因文庫中獲取目的基因的方法。

這部分內(nèi)容的重點(diǎn)是如何利用PCR技術(shù)獲取和擴(kuò)增目的基因。教師先讓學(xué)生回顧之前學(xué)習(xí)過的DNA復(fù)制的相關(guān)知識，引導(dǎo)學(xué)生討論、演繹推理出PCR反應(yīng)需要的條件：模板、原料、引物和DNA聚合酶；然后再結(jié)合教材中的“PCR反應(yīng)原理示意圖”，引導(dǎo)學(xué)生對其原理進(jìn)行一步一步深入分析；最后，通過一個(gè)可以在網(wǎng)上進(jìn)行虛擬PCR實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站，讓學(xué)生親自嘗試PCR的實(shí)驗(yàn)操作。

設(shè)計(jì)目的：以培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的情境貫穿基因工程操作程序的教學(xué)，這樣有助于引導(dǎo)學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中，聯(lián)系真實(shí)的情境主動(dòng)地去發(fā)現(xiàn)、去探究、去創(chuàng)造。PCR技術(shù)的原理和操作是本課教學(xué)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)，教師采用了多種教學(xué)方式相結(jié)合：

（1） 演繹推理，化難為易。教師引導(dǎo)學(xué)生一起討論、推出PCR反應(yīng)的條件，有助于學(xué)生理解；通過推理演繹，還能培養(yǎng)他們理性思維的能力。

（2） 圖文結(jié)合，深刻闡述。教師借助圖片，分析講解PCR的原理，將抽象文字轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w圖像，在一定程度上降低了學(xué)習(xí)的難度。

（3） 數(shù)字資源，助力學(xué)習(xí)。教師讓學(xué)生親自操作的交互式的虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅豐富了課堂教學(xué)，讓課堂“動(dòng)”起來，“活”起來，還可能使每個(gè)學(xué)生都有了操作的機(jī)會，充分調(diào)動(dòng)了他們的學(xué)習(xí)積極性，并能幫助他們進(jìn)一步掌握PCR技術(shù)。

3.2.2 學(xué)習(xí)基因表達(dá)載體的構(gòu)建

教師要求學(xué)生思考回答教材旁欄中的問題：“將生物的所有DNA直接導(dǎo)入受體細(xì)胞不是更簡便嗎？如果這么做，效果會怎樣？”接著，教師展示一張基因表達(dá)載體模式圖，讓學(xué)生觀察它的構(gòu)成，并根據(jù)教材內(nèi)容說明各個(gè)元件的作用。之后，結(jié)合前一節(jié)中介紹的幾種DNA重組技術(shù)的基本工具，指導(dǎo)學(xué)生利用這些工具，自主構(gòu)建培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的基因表達(dá)載體。

設(shè)計(jì)目的：這部分教材旁欄中的問題能引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，讓學(xué)生通過思考解決這個(gè)問題，其實(shí)就是讓他們明白這步操作的目的。讓學(xué)生自主構(gòu)建載體的目的是使他們厘清所學(xué)知識，并進(jìn)行有效的整合和應(yīng)用。

3.2.3 學(xué)習(xí)將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

教師向?qū)W生介紹將目的基因?qū)朊藁?xì)胞以及其他植物細(xì)胞的方法，有花粉管通道法、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法等。然后，學(xué)生自己閱讀了解將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞和微生物細(xì)胞的方法。

設(shè)計(jì)目的：高中生物學(xué)教育的著力點(diǎn)之一是要全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而不是培養(yǎng)生物學(xué)專業(yè)人才。因此教師在教學(xué)中要注重學(xué)科的基礎(chǔ)性，不能一味追求知識的深度。雖然完成這步操作的方法有多種，但是教學(xué)根據(jù)培育抗蟲棉這一主線，教師只介紹了將目的基因?qū)朊藁?xì)胞和其他植物細(xì)胞的方法；然后再拓展到面，讓學(xué)生簡單了解目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞和微生物細(xì)胞的方法即可。

3.2.4 學(xué)習(xí)目的基因的檢測與鑒定

教師結(jié)合前面學(xué)過的基因表達(dá)的過程，引導(dǎo)學(xué)生推出可以從哪幾個(gè)水平進(jìn)行檢測與鑒定。

設(shè)計(jì)目的：讓學(xué)生結(jié)合已有的遺傳學(xué)知識自己推出進(jìn)行目的基因檢測與鑒定的幾個(gè)水平，經(jīng)歷這樣一個(gè)思維的過程遠(yuǎn)比單純記憶結(jié)論的價(jià)值要大得多。

3.3 小結(jié)

教師要求學(xué)生運(yùn)用流程圖的形式概括出基因工程的基本操作程序，之后再進(jìn)行補(bǔ)充和提升。教師設(shè)置情境：隨著轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的廣泛種植，科學(xué)家推測棉鈴蟲可能會對Bt毒蛋白產(chǎn)生抗性，作為有責(zé)任心的科學(xué)家，在沒有發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲出現(xiàn)抗性之前，就會想辦法應(yīng)對。由此引發(fā)學(xué)生討論基因工程的安全性問題。最后教師再總結(jié)：基因工程可能帶來安全性問題（包括環(huán)境安全、生態(tài)安全、食品安全等），在面對來自媒體和他人關(guān)于基因工程安全性問題的不同觀點(diǎn)時(shí)，我們要能夠運(yùn)用自己掌握的生物學(xué)知識進(jìn)行辨析，形成理性、科學(xué)、客觀的評價(jià)能力。

設(shè)計(jì)目的：這一環(huán)節(jié)能培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)概括的能力，也是對本課重要內(nèi)容的一個(gè)梳理。前面在講培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉目的基因的篩選時(shí)提到過目的基因的安全性問題，這里再次講到安全性是對前面內(nèi)容的呼應(yīng)和提升。教師要求學(xué)生聯(lián)系基因工程的安全性問題進(jìn)行討論，可以激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任意識，擁有強(qiáng)烈的社會責(zé)任感，才能最終成為社會需要的人才。

3.4 練習(xí)

利用本章章引言中“可以使煙草生產(chǎn)我們?nèi)祟愋枰乃幬锏鞍住边@一情境，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)用煙草表達(dá)重組人胰島素原的方案。

設(shè)計(jì)目的：該練習(xí)不僅是對知識的鞏固，也體現(xiàn)了學(xué)以致用的學(xué)習(xí)宗旨。另外，不同的學(xué)生會有不同的設(shè)計(jì)方案，可以讓他們交流討論，比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)，課后還可以繼續(xù)查閱資料，進(jìn)一步探究完善方案（圖1）。

4 反思

通過對“基因工程的基本操作程序”一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的分析和設(shè)計(jì)，可以看到：找到能體現(xiàn)生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)就有了著力點(diǎn)；明確培養(yǎng)生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)就有了方向；創(chuàng)設(shè)情境、設(shè)計(jì)啟迪學(xué)生思維的問題和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的活動(dòng)等使得學(xué)生發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)得到真正的落實(shí)。生物學(xué)核心素養(yǎng)的形成不同于知識和技能的習(xí)得，難以“立竿見影”，教師應(yīng)該讓它像“潤物細(xì)無聲”的春雨那樣滲透在整個(gè)教學(xué)的過程中。未來，立足學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)，生物學(xué)課程建設(shè)的探索與實(shí)踐一定會全面推進(jìn)，這將帶來新的憧憬與期待。

參考文獻(xiàn)：

柳夕浪.從“素質(zhì)”到“核心素養(yǎng)”——關(guān)于“培養(yǎng)什么樣的人”的進(jìn)一步追問[J].教育科學(xué)研究，2014，3：5-11.