開發(fā)合成生物學(xué)課程資源 深化核心素養(yǎng)培育

楊 希，王 健

隨著國家發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)體系的發(fā)布,重視并深化發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)成為基礎(chǔ)教育改革的熱點(diǎn)和方向。2017年新修訂普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，高中生物課程是以提高學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)為宗旨的學(xué)科課程，是實(shí)現(xiàn)“立德樹人”根本任務(wù)的重要載體。［1］［2］（p1）然而，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生物學(xué)知識(shí)呈現(xiàn)爆炸式增長，這就要求高中課程內(nèi)容要反映時(shí)代的特點(diǎn)和科技的進(jìn)步。筆者結(jié)合信息技術(shù)開發(fā)合成生物學(xué)課程資源，開展基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注并參加這一全球科技問題的討論和決策，以加強(qiáng)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、合成生物學(xué)的概念

2018年8月，來自中國科學(xué)院的覃重軍及其研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)布了一個(gè)重磅消息，覃重軍團(tuán)隊(duì)將釀酒酵母中的16條線形染色體進(jìn)行刪除、改造和融合，最終獲得了只含一條染色體的活細(xì)胞。［3］這是世界上首次人工合成的單染色體真核細(xì)胞，在合成生物學(xué)的發(fā)展歷史上具有里程碑式的意義。那么，什么是合成生物學(xué)？合成生物學(xué)（synthetic biology）的概念在1980年首次提出時(shí)被當(dāng)成“生物工程”的同義詞。2000年，這一概念在舊金山舉行的美國化學(xué)年會(huì)上再次被提出時(shí)，它被定義得更像是仿生化學(xué)，指用有機(jī)合成的方法人工合成具有生物活性的分子，比如酶。［4］

近十年來，伴隨著基因編輯技術(shù)及分子與細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，得益于工程學(xué)思想與方法的應(yīng)用，合成生物學(xué)作為一門多學(xué)科高度交叉融合的新興學(xué)科，已經(jīng)發(fā)展成為生物科學(xué)一個(gè)重要分支，并被預(yù)測為可望改變世界的十大顛覆性技術(shù)之一?，F(xiàn)在，合成生物學(xué)是指通過“自下而上”的設(shè)想，由“元件”到“模塊”再到“系統(tǒng)”來設(shè)計(jì)、合成自然界不存在的人工生物系統(tǒng)，或?qū)σ延凶匀簧锵到y(tǒng)進(jìn)行改造、重建。這種由人工設(shè)計(jì)的元件組裝，以信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因調(diào)控以及細(xì)胞代謝等作用方式整合而成的生物功能和系統(tǒng)，能夠?yàn)獒t(yī)藥、材料、化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的生物學(xué)方案和技術(shù)支持。［5］［6］

二、基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論開展合成生物學(xué)教學(xué)活動(dòng)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論源自皮亞杰關(guān)于認(rèn)知發(fā)展和知識(shí)形成的發(fā)生認(rèn)識(shí)論。在此基礎(chǔ)上，維果斯基提出的“最近發(fā)展區(qū)”和“社會(huì)發(fā)展理論”進(jìn)一步完善和豐富了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。新型建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為知識(shí)不是通過教師傳授得到的,而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會(huì)文化背景下,借助其他人(包括教師和學(xué)習(xí)伙伴)的幫助,利用必要的學(xué)習(xí)資料,通過意義建構(gòu)的方式而獲得。圍繞建構(gòu)主義創(chuàng)立的教學(xué)模式應(yīng)該是以學(xué)生為中心，教師作為組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者，利用“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”四大要素發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)，并在這個(gè)過程中培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生各方面的能力。［7］

合成生物學(xué)作為一門蓬勃發(fā)展的多學(xué)科交叉學(xué)科,作為全球性的熱點(diǎn)問題,可以為學(xué)生的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)提供理想的學(xué)習(xí)資料。它可以將學(xué)生從基于行為主義教學(xué)的被動(dòng)學(xué)習(xí)中解放出來，允許學(xué)生關(guān)注合成生物學(xué)發(fā)展過程中的重要問題，允許學(xué)生關(guān)注合成生物學(xué)建立過程中體現(xiàn)的重要思想，允許學(xué)生按個(gè)人興趣建立知識(shí)間聯(lián)系并建構(gòu)觀點(diǎn)，允許學(xué)生討論合成生物學(xué)對(duì)科學(xué)及社會(huì)發(fā)展帶來的利弊,從而形成有意義的學(xué)習(xí)。

在現(xiàn)行人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《分子與細(xì)胞》中有兩處出現(xiàn)有關(guān)合成生物學(xué)的內(nèi)容：在第6頁的拓展題中介紹了2002年病毒學(xué)家人工合成脊髓灰質(zhì)炎病毒的消息，在第12頁的科學(xué)前沿模塊里介紹了生物合成第一人文特（C.Venter）人工合成生殖支原體的工作和設(shè)想。2008年，文特團(tuán)隊(duì)成功合成了生殖支原體的基因組。在2010年，文特將設(shè)計(jì)合成的蕈狀支原體基因組導(dǎo)入山羊支原體，發(fā)現(xiàn)含人工基因組的山羊支原體不僅能夠存活、復(fù)制，還表現(xiàn)出蕈狀支原體的性狀。［8］這標(biāo)志著第一個(gè)由合成基因組控制的原核生物——“辛西婭”誕生了。

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)學(xué)生在原有知識(shí)基礎(chǔ)上根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)自主建構(gòu)知識(shí)，所以筆者將教材中合成生物的材料作為學(xué)生已有知識(shí)，根據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”理論，將文特團(tuán)隊(duì)合成“辛西婭”的步驟與成果作為腳手架，利用多媒體技術(shù)將其編輯為“微視頻”上傳至課堂的“微信公眾平臺(tái)”,“微信公眾平臺(tái)”同時(shí)還為學(xué)生提供了介紹文特團(tuán)隊(duì)研究過程與成果的鏈接。這些內(nèi)容為學(xué)生創(chuàng)造了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)情境，在此情境中學(xué)生利用“微視頻”以及各種工具和信息資源進(jìn)行獨(dú)立探索，自主學(xué)習(xí)，通過歸納、抽象、概括等理性思維，建構(gòu)合成生物學(xué)概念。隨后，在教師參與并組織的小組協(xié)作學(xué)習(xí)中，師生和生生間進(jìn)行會(huì)話、交流，對(duì)合成生物學(xué)的研究過程與思想方法建立了整體理解，并對(duì)其所引發(fā)的社會(huì)議題進(jìn)行了討論。最后，學(xué)生以小組協(xié)作的形式完成論文及組間互評(píng)。在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)情境下，學(xué)生從知識(shí)、能力、情感、態(tài)度等多方面實(shí)現(xiàn)了合成生物學(xué)多角度、多維度的深度學(xué)習(xí)。

三、開展合成生物學(xué)的研究性學(xué)習(xí)有助于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

（一）基于“概念”的生命觀念培養(yǎng)

概念是生命科學(xué)理論體系的基本單位，是形成、發(fā)展生命觀念的基礎(chǔ)。學(xué)生在建構(gòu)學(xué)習(xí)的過程中實(shí)現(xiàn)了由具體到抽象的思維模式轉(zhuǎn)化，建構(gòu)了合成生物學(xué)的概念模型。有學(xué)生巧妙地將“合成生物”與“芯片生產(chǎn)”進(jìn)行類比，因?yàn)樗鼈兺瑯佣夹枰O(shè)計(jì)、制作和封裝三個(gè)步驟。設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)基因線路，它與設(shè)計(jì)“電子線路類似”，基于基因設(shè)計(jì)，依靠分子遺傳路徑構(gòu)建、組裝各種元件以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。制作則相當(dāng)于用化學(xué)和生物方法人工合成設(shè)計(jì)好的基因組，最后將其導(dǎo)入適當(dāng)?shù)牡妆P細(xì)胞產(chǎn)生新的人造生命從而完成封裝。從新基因到新生命，合成生物學(xué)這種“自下而上”的設(shè)計(jì)理念有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，有助于形成生命觀念中的物質(zhì)與能量觀。合成不同基因線路可以對(duì)生命體的代謝系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，學(xué)習(xí)合成生物學(xué)也有助于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

合成生物學(xué)可以為生態(tài)系統(tǒng)中個(gè)體之間的關(guān)系以及這種關(guān)系在進(jìn)化中的作用提供證據(jù)，了解這些實(shí)例有益于學(xué)生建立正確的進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀，有益于提升學(xué)生對(duì)生命觀念內(nèi)涵的領(lǐng)悟力。例如生物進(jìn)化過程中的合作行為——即群體中某些個(gè)體以損害自身利益的形式為種群內(nèi)其他成員帶來好處。這是一個(gè)令人困惑的問題，因?yàn)榘凑者_(dá)爾文進(jìn)化論中的適者生存原則，群體中損己利它的個(gè)體將由于不具備競爭優(yōu)勢而被淘汰，但事實(shí)卻并非如此。為了研究這個(gè)問題，科學(xué)家利用合成生物學(xué)技術(shù)人工改造酵母，構(gòu)建了由“自私者”和“互助者”構(gòu)成的二元微生態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)盡管在穩(wěn)定的環(huán)境中“自私者”具有競爭優(yōu)勢，但是在空間不均一或者周期性變化的資源條件下，“互助者”可以和“自私者”長期共存。［9］

（二）基于“事實(shí)”的科學(xué)思維培養(yǎng)

在建構(gòu)學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生展現(xiàn)出卓越的理性思維能力，用科學(xué)思維的方法分析事物，基于生物學(xué)事實(shí)運(yùn)用歸納與概括、類比與辨析、分析與綜合、模型與建模的方法闡釋了合成生物學(xué)概念。

學(xué)生在建構(gòu)概念模型時(shí)，雖然復(fù)原文特研究歷程的角度不盡相同，但在同化、順應(yīng)、組織新圖式的過程中，學(xué)生不約而同地使用了類比的思維方法。如前所述，有的小組用物理學(xué)中的“芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)”類比合成生物學(xué)。有的小組用信息學(xué)中的“軟件開發(fā)”類比，設(shè)計(jì)基因組相當(dāng)于代碼設(shè)計(jì)和編寫，合成基因組相當(dāng)于是代碼編譯，最后導(dǎo)入細(xì)胞底盤則相當(dāng)于計(jì)算機(jī)最后的程序執(zhí)行。有的小組則用“建筑工程”進(jìn)行類比，同樣也要優(yōu)先進(jìn)行設(shè)計(jì)，再用基本元件搭建，最后形成具特定功能的實(shí)體。

學(xué)生的類比過程映射出學(xué)生思維的發(fā)展與認(rèn)識(shí)的深入，這些成為了學(xué)生形成知識(shí)遷移的“思維火種”，使學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)悟到合成生物學(xué)的誕生與成長是生物學(xué)和數(shù)理科學(xué)、工程學(xué)、信息科學(xué)相互作用、共同發(fā)展的過程。不少學(xué)生在論文中對(duì)合成生物學(xué)概念進(jìn)行了有效遷移，比如他們希望能將這一技術(shù)應(yīng)用到人工智能領(lǐng)域，改造人腦細(xì)胞，設(shè)計(jì)和優(yōu)化數(shù)據(jù)輸入、分析和輸出模式，實(shí)現(xiàn)真正的人機(jī)交互。這些“思維火種”點(diǎn)亮了學(xué)生的創(chuàng)新能力，加強(qiáng)了不同學(xué)科知識(shí)的橫向聯(lián)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，建立科學(xué)的生命觀，形成正確的世界觀。

學(xué)生不僅運(yùn)用類比與綜合的方法對(duì)合成生物學(xué)進(jìn)行了跨學(xué)科的分析和聯(lián)系，對(duì)于生物學(xué)科內(nèi)的不同概念，學(xué)生還運(yùn)用了歸納、概括、辨析的思維方法進(jìn)行了對(duì)比。學(xué)生列表比較了基因工程、核移植技術(shù)和合成生物學(xué)三項(xiàng)技術(shù)。學(xué)生認(rèn)識(shí)到基因工程是通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)生物進(jìn)行改造；克隆技術(shù)是利用細(xì)胞核移植技術(shù)實(shí)現(xiàn)已有生物的復(fù)制；合成生物學(xué)卻是從頭設(shè)計(jì)，人工設(shè)計(jì)和合成全新的基因，創(chuàng)造出完全不同于自然生命體系的具有新基因、新功能的人造生命。

（三）基于“問題”的科學(xué)探究能力培養(yǎng)

在建構(gòu)學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生演繹了文特團(tuán)隊(duì)15年的科研歷程，像文特一樣構(gòu)建藍(lán)圖，像文特一樣遇到問題，也試著像文特一樣通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作提出解決問題的方案。比如如何合成一個(gè)大型DNA分子？用化學(xué)方法還是生物方法？剛接觸高中生物的學(xué)生一致認(rèn)為應(yīng)當(dāng)采用化學(xué)方法。但是在查閱資料后學(xué)生發(fā)現(xiàn)化學(xué)方法合成的DNA長度是有限的。文特事實(shí)上是先用化學(xué)方法合成1 078條平均長度為1 080bp的DNA片段，每個(gè)片段兩端含有約80bp的重疊部分，然后將其導(dǎo)入釀酒酵母細(xì)胞內(nèi)，使其重疊部分發(fā)生同源重組，連接成更長的基因組片段。

學(xué)生還生成了新問題：如何使別人信服該基因組是人工合成的？還原文特團(tuán)隊(duì)的技術(shù)路線后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原來是在合成基因組中插入4個(gè)區(qū)分天然序列的“水印(Watermark)”標(biāo)記實(shí)現(xiàn)的，在后期還可以利用這一水印標(biāo)記運(yùn)用PCR法或限制酶酶切法快速區(qū)分自然菌株和合成菌株。另外，有學(xué)生注意到，文特在合成“辛西婭”時(shí)，酵母中合成的蕈狀支原體基因組導(dǎo)入到山羊支原體后會(huì)被限制酶切割從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。通過合作與討論，學(xué)生找到了蕈狀支原體中基因不被切割的原因，即酶切位點(diǎn)被甲基化修飾。于是，學(xué)生大膽提出假設(shè)——將該位點(diǎn)人工甲基化修飾后再導(dǎo)入山羊支原體。學(xué)生的假設(shè)與文特的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不謀而合。

學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中體會(huì)到科學(xué)工作是基于實(shí)證的范式，需要在實(shí)踐中不斷驗(yàn)證和修改，直至形成的理論與客觀事實(shí)相符。同時(shí)，學(xué)生也體會(huì)到科學(xué)研究并不是坦途，而是在“提出問題——解決問題——再次提出問題”的螺旋中曲折上升的。學(xué)生不僅感受到科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程，同時(shí)也更能體會(huì)和認(rèn)同科學(xué)家在科學(xué)山峰上攀登時(shí)表現(xiàn)出的精神力量。在建構(gòu)學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生自然而然地與科學(xué)家產(chǎn)生了共鳴，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)在這種潤物無聲的教育中得到了升華。

（四）基于“熱點(diǎn)問題”的社會(huì)責(zé)任培養(yǎng)

通過建構(gòu)學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠以生命觀念為指導(dǎo)，運(yùn)用科學(xué)思維方法，演繹探究過程，解釋合成生物學(xué)概念，更重要的是，學(xué)生將合成生物學(xué)與健康、醫(yī)療、生態(tài)等熱點(diǎn)問題相聯(lián)系，以造福人類為出發(fā)點(diǎn)，為解決生產(chǎn)生活中遇到的問題提供新思路。學(xué)生的建議既有關(guān)于日常生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，又有對(duì)于科學(xué)和社會(huì)的思考與展望。

對(duì)于營養(yǎng)與健康議題，有的學(xué)生希望能設(shè)計(jì)出新的細(xì)胞從根源上治愈糖尿病、高血壓；有的學(xué)生想到自己飽受血栓之苦的奶奶，希望能用合成生物學(xué)技術(shù)制造細(xì)胞機(jī)器人清除人體內(nèi)的病菌，甚至血栓；有的學(xué)生將合成生物學(xué)與正在吃的巨峰葡萄聯(lián)系在一起，希望能借助這一技術(shù)生產(chǎn)無籽的巨峰葡萄；有的學(xué)生希望能設(shè)計(jì)出產(chǎn)量更高、營養(yǎng)更豐富的農(nóng)作物以解決糧食問題。

對(duì)于生態(tài)環(huán)境議題，學(xué)生基于“綠水青山就是金山銀山”的理念，希望合成生物學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，讓人與自然和諧相處。有的學(xué)生希望能合成微生物清除污染水體中的污染物；有的學(xué)生希望合成能將糖類直接轉(zhuǎn)化為石油的生物解決能源問題；有的學(xué)生希望能夠合成新的生物利用二氧化碳和水制造更加高效、清潔的能源物質(zhì)。

對(duì)于倫理和安全性議題，也有不少學(xué)生對(duì)合成生物學(xué)的發(fā)展保持審慎的態(tài)度。合成生物是否能在人類的控制和掌握之中？若不受控，它們會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成什么影響？學(xué)生對(duì)合成生物學(xué)前景的思考展示了成熟的進(jìn)化和適應(yīng)觀，有學(xué)生認(rèn)為新合成物種的出現(xiàn)或許會(huì)顛覆幾十億年自然選擇的結(jié)果。有學(xué)生認(rèn)為若將合成生物學(xué)成果應(yīng)用于人，可能會(huì)對(duì)人類現(xiàn)有的倫理、道德乃至文明造成毀滅性的打擊。

通過建構(gòu)學(xué)習(xí)，學(xué)生在面對(duì)有爭議的社會(huì)議題時(shí)，嘗試通過邏輯推理闡明個(gè)人立場，做出充滿批判和辯證精神的思考與分析。學(xué)生不僅思索新技術(shù)對(duì)當(dāng)下社會(huì)產(chǎn)生的影響，還用發(fā)展的眼光演繹和探討了科技對(duì)未來社會(huì)的改變。在合成生物學(xué)這一議題上，學(xué)生體現(xiàn)了科技中國促進(jìn)者和實(shí)踐者應(yīng)該具有的擔(dān)當(dāng)和責(zé)任。

基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的合成生物學(xué)教學(xué)是一次有益的嘗試。利用信息技術(shù)開發(fā)生物學(xué)課程資源，將合成生物學(xué)引入高中生物教學(xué)，創(chuàng)設(shè)學(xué)生建構(gòu)學(xué)習(xí)的情境，為培養(yǎng)和發(fā)酵學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)提供了絕佳培養(yǎng)基。學(xué)生不僅獲得了合成生物學(xué)的相關(guān)知識(shí)，而且在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、演繹推理、歸納概括、類比辨析的過程中形成了生命觀念，養(yǎng)成了科學(xué)思維的習(xí)慣，培養(yǎng)了科學(xué)探究能力，形成了積極的科學(xué)態(tài)度及社會(huì)責(zé)任感?；ヂ?lián)網(wǎng)+建構(gòu)主義的教學(xué)模式貼合了高中生的思維特點(diǎn)、興趣指向和接受能力。學(xué)生在合作學(xué)習(xí)中取長補(bǔ)短、相互幫助，澆鑄“溫暖的心”；學(xué)生在自主建構(gòu)中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、獲取信息、質(zhì)疑批判，發(fā)展“聰明的腦”，這正是培育學(xué)生綜合核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在。