指向拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的跨學科學習項目實踐

摘要：本文采用跨學科項目化學習的策略，結合象山本地熱點事件與學生創(chuàng)意，組織學生深入體驗完整科研流程，完成轉基因大腸桿菌培育及以“象山·亞運”為主題的細菌作畫，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和學術研究能力等，為高中階段拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供良好的科研環(huán)境。

關鍵詞：跨學科項目化學習；轉基因；大腸桿菌

文章編號：1003-7586（2024）04-0012-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

黨的二十大報告指出，“人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略”，因此要“著力造就拔尖創(chuàng)新人才，聚天下英才而用之”。高中作為與高等教育直接銜接的階段，是激發(fā)和培育學生科研創(chuàng)新能力的關鍵時期。在高中階段開展拔尖創(chuàng)新人才的早期培養(yǎng)，有利于提升學生的學術研究能力，為后續(xù)高等教育階段的專業(yè)化發(fā)展奠定基礎。

高中跨學科項目化學習，是指學生在一段時間內(nèi)參與完成某一綜合性任務時，調(diào)動多學科的知識與能力儲備，從而使其創(chuàng)新性思維、批判性思維、論證、分析等能力得以發(fā)展的過程。因此，筆者以本地熱點事件——杭州亞運會的舉辦為契機，組織學生大膽提出科研想法，完整體驗科學研究的過程，提升學生的科學思維和科學探究能力，為拔尖創(chuàng)新人才的培育提供良好的科研環(huán)境與平臺。

1 項目簡介

人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》對于基因工程的基本操作流程和應用進行了介紹。通過學習，學生對定向改造生物性狀產(chǎn)生了濃厚的興趣。此時恰逢杭州亞運會處于倒計時，寧波象山縣作為分賽區(qū)（帆船和沙灘排球的比賽地），全縣人民正紛紛以各種方式迎接亞運。于是，學生便萌生了利用能夠發(fā)出紅色熒光的轉基因細菌作畫，為家鄉(xiāng)加油、為亞運添彩的想法。

2 項目的教學目標

（1）提出利用生物學技術為亞運添彩的方案，能夠基于事實，科學分析科研想法的可行性并進行論證，積極使用生物學知識，打造專屬于生物學的喜迎亞運計劃。

（2）獲得可控的轉RFP基因大腸桿菌，運用物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀認識生命體的資源利用規(guī)律及RFP基因對大腸桿菌的生存影響；運用歸納概括、演繹推理等方法，提出并闡明設置IPTG（乳糖類似物）誘導機制的生物學意義；合作進行資料查閱與分析、借助軟件工具完成研究方案設計并開展實驗。

（3）利用轉RFP基因大腸桿菌作畫，交流討論實驗結果，探索最佳操作方案；以家鄉(xiāng)活動為主題進行藝術創(chuàng)作，深化自豪感。

（4）基于自身經(jīng)驗，學會理性地看待轉基因技術；充分利用生物學知識與實踐經(jīng)驗主動宣傳，引導社會以正確態(tài)度對待轉基因技術。

3 項目內(nèi)容

本項目按照如下順序進行：人項、項目推進、出項。其中，項目推進過程中需要利用一系列的驅動性問題訓練學生的高階思維，讓學生持續(xù)地開展探究，旨在有序地組織學生完整體驗科學研究的一般流程。具體研究內(nèi)容設計如表1所示。

4 項目實施

4.1 項目化學習主題的確定和任務拆分

4.1.1 項目化學習主題的確定

教師展示象山縣人民為迎接亞運會所開展的各項活動，提出項目背景：象山縣作為舉辦亞運會的分會場，全縣人民都在以自己的方式迎接亞運，有人為亞運作畫、有人為家鄉(xiāng)制作宣傳視頻……作為生物學的學習者，能否用生物學的專屬方法，為亞運添彩、為家鄉(xiāng)宣傳？

由于學生剛剛完成基因工程相關知識的學習，學生自發(fā)地提出可嘗試培育轉熒光蛋白的大腸桿菌、以“象山·亞運”為主題進行細菌作畫，采集不同家鄉(xiāng)生物的聲音制作歌曲，提取不同生物的色素進行作畫等豐富多彩的想法。

教師組織各創(chuàng)意提出者進行可行性論證，經(jīng)全體同學投票決定本次項目主題為：轉基因大腸桿菌作畫。

4.1.2 項目化學習任務的拆分

師生群策群力，將項目拆分為兩大子項目任務：獲得轉紅色熒光蛋白（RFP）基因的大腸桿菌、以“象山·亞運”為主題進行細菌作畫及撰寫研究報道。

4.2 子項目一：獲得可控的轉RFP基因大腸桿菌

4.2.1 設計培育方案

學生通過將教材上的基因工程基本流程四大環(huán)節(jié)進行細化，嘗試形成可操作的轉RFP大腸桿菌培育方案。為了有效推動學生的思維發(fā)展和方案形成，教師首先組織學生在課堂上進行討論，提出落實本研究可能會面臨的問題，在課堂上進行資料檢索，并且初步提出可行的解決方案。列出這些待解決問題與解決方案清單（見表2），學生每3人為一個研究小組，利用課余時間查閱資料、聯(lián)系合作方，最終敲定具體培育方案。

此外，在分析到“基因表達載體的構建”這一環(huán)節(jié)時，教師適時引導學生思考下列問題：紅色熒光蛋白對大腸桿菌有無危害？大腸桿菌會大量表達紅色熒光蛋白嗎？如何調(diào)控紅色熒光蛋白在大腸桿菌里的表達時機？學生思考后，關注到紅色熒光蛋白對大腸桿菌沒有影響，在大腸桿菌內(nèi)不會大量表達，因此可在表達載體中引入與RNA聚合酶結合能力強的強啟動子，或向大腸桿菌導入轉錄能力強的RNA聚合酶來提高RFP的表達。學生又考慮到若在擴大培養(yǎng)時就過早地大量表達RFP會導致大腸桿菌內(nèi)部的資源和能量浪費，聯(lián)系已學的乳糖操縱子模型相關知識，提出可在表達載體上構建乳糖操縱子模型，以加入誘導劑的方式調(diào)控目的基因的表達。此時，教師進一步追問：轉基因產(chǎn)品中表達的蛋白對人體有無危害？該如何避免這些潛在危害？轉基因生物能否隨意投入自然環(huán)境中？

在上述問題的推動下，學生逐漸意識到轉入基因表達的蛋白或許對人體有害，科學家在開展轉基因產(chǎn)品研究時也在嘗試通過組織特異性的啟動子等來規(guī)避這一風險，同時還會考慮到可能對自然種群造成的基因污染而去設計不育的轉基因生物。

4.2.2 培育可控的轉RFP基因大腸桿菌

結合暑假研學活動，學生借用浙江師范大學的科研實驗室完成了為時4天的轉RFP基因大腸桿菌的培育過程。第一步：PCR擴增紅色熒光蛋白基里；第二步：質(zhì)粒提取與鑒定；第三步：構建重組DNA分子；第四步：感受態(tài)細胞的制備與轉化；第五步：RFP的誘導表達和細菌純化；第六步：PAGE電泳檢測蛋白表達情況。

4.3 子項目二：以“象山·亞運”為主題進行細菌作畫及撰寫研究報道

4.3.1 預實驗探索最佳繪制方式

學生通過預實驗最終確定了較佳的繪制工具、繪制方式、誘導培養(yǎng)條件及結果的拍攝注意事項等（見表3）。

4.3.2 主題作畫

學生首先在紙上進行圖形設計，并將圖形用記號筆繪制在培養(yǎng)皿底部，再用移液槍槍頭蘸取細菌菌液在涂有IPTG的培養(yǎng)基表面小心點繪，整個過程需保證無菌操作。作畫結果如圖2所示。

4.3.3 撰寫研究報道

學生基于自身的真實科研體驗，撰寫本次研究的報道，用通俗易懂的語言介紹本次研究的內(nèi)容與成果，分享本次科學研究的感悟與體會，同時向社會傳達理性看待轉基因技術的正確態(tài)度。

5 項目反思

拔尖創(chuàng)新人才的培育不僅需要國家政策的引導和支持，還需要基礎教育階段科研氛圍的影響以及教師正確理念的引導。在本項目中，教師為學生創(chuàng)造了包容的、自主的科研空間，引導學生進行生物學知識的深入學習，發(fā)掘有一定潛能的學生，滿足其個性化發(fā)展需求。在項目實施中，學生綜合運用了多學科的知識突破研究過程中的重重困難，化身科學家與藝術家，將高端的現(xiàn)代生物學技術運用到了藝術創(chuàng)作中，親手實現(xiàn)自己的奇妙想象，感受到科學研究的魅力。總體而言，學生不僅表現(xiàn)出了對現(xiàn)代生物技術的濃厚興趣，還展現(xiàn)了較強的學習力、高效的行動力、堅定的科研信念和端正的科研態(tài)度，而這些恰恰是拔尖創(chuàng)新人才所應具備的基本品質(zhì)。

基金項目：寧波市教育科學規(guī)劃2023年度立項課題“‘雜交’以育：生物學跨學科學習項目設計與實踐”（2023YZD085）。