基于生物學核心素養的“基因工程的基本操作程序”教學設計

劉丹

摘 要 以“基因工程的基本操作程序”一節為教學案例，通過分析能體現生物學核心素養的教學內容、制訂指向生物學核心素養的教學目標和設計落實生物學核心素養的教學過程，探討如何開展立足于培養學生生物學核心素養的中學生物教學。

關鍵詞 生物學核心素養 基因工程 操作程序 教學設計

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物學核心素養是通過學習生物學知識和技能、常用的思維與科學探究的方法等而習得的重要觀念、必備品格和關鍵能力。生物學核心素養包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任四個要素。如何開展以生物學核心素養為導向的中學生物教學是現在生物學教育工作者十分關注的問題。下面將以“基因工程的基本操作程序”一節為教學案例，對這一問題進行初步探討。

1 分析能體現生物學核心素養的教學內容

1.1 分析推理，理性思考

本節的內容是高中學生學習的一個難點，是在必修模塊相關知識和經驗基礎上的提升，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，這給學生的學習和理解也帶來了一定的難度。教學時，教師可以設計一些具有啟發性的問題，引導學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；還可以讓學生利用已有知識來進行判斷、推理，如根據DNA復制的相關知識，推導出PCR反應需要的條件等，從而促進學生理性思維能力的發展，避免“死記硬背”的學習方式。

1.2 創設情境，科學探究

素養是在個體與情境的有效互動中生成的。教師在教學過程中合理地創設情境并且選擇合適的情境素材，不僅能提高學生學習的趣味性，增強學習的效果，還能對學生生物學核心素養的形成產生積極的作用。基因工程的成果豐碩，可以應用的有價值的情境資源是非常多的。在講授基因工程的基本步驟時，教師可以結合現實生活中的基因工程產品，如某種轉基因植物、基因工程藥物、基因工程菌等的產生過程來進行講解。之后，可以再創設一個問題情境，讓學生運用所學知識來設計獲得某一基因工程產品的方案，從而使他們將整個基因工程的操作流程有效地串聯起來，加深對基因工程的認識和理解。在設計方案的過程中，教師還可以引伸出一些問題讓學生進行探究。例如，學生可能會設計不同的獲取目的基因的方法，這時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缺點等。學生獨立開展探究活動往往存在一些困難，教師應當給予一定的引導和啟發。

1.3 升華認識，擔當責任

基因工程不僅是生命科學領域研究的熱點，也受到了全社會的廣泛關注。學生在學習本節內容之前，可能已經通過媒體、他人的介紹和評論等對基因工程有了感性的認識。教師在引導學生學習基因工程的基本操作程序的基礎上，應該再升華學生的情感。一方面，教師要讓學生認同我國在基因工程領域取得的矚目成就，培養他們的民族自豪感和自信心；另一方面使學生認識到基因工程可能帶來安全性問題，它的應用對人類來說既是機遇也是挑戰，關鍵是如何正確對待和合理利用，同時還應該思考人們可以從哪些方面來提高基因工程的安全性，這些都是對學生“社會責任”素養的培養。

2 制訂指向生物學核心素養的教學目標

教師可以從生物學核心素養的幾個方面來制訂以下教學目標。

① 理性思維：

通過對細胞內DNA復制過程、參與DNA復制的各種組分和反應條件的分析，能理解PCR的原理，并推出PCR反應所需的條件；

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

② 科學探究：

針對人類生產或生活中的某一需求，能選取適當的基因工程技術和方法，設計獲得某一轉基因產品的方案并就其中的某些問題展開探究。

③ 社會責任：

面對日常生活或社會熱點話題中與基因工程有關的話題時，能基于基因工程的基本原理和操作流程，表達自己的觀點；認同基因工程給我們的生產、生活帶來的正面影響，能理性對待基因工程技術及其產物。

值得一提的是，生物學核心素養的四個要素并不是孤立存在的，而是一個相互聯系、相互支撐的整體。每一個教學目標的設定也不一定只指向某一核心素養。例如，在讓學生設計獲得某一轉基因產品的方案時（科學探究），肯定要考慮其中涉及的安全性問題（社會責任）。另外，筆者制訂的教學目標中雖然沒有提到生命觀念，但是之前學的一些能反映結構與功能觀的內容是本節課的知識基礎。在教學中，教師可以找到這些縱向銜接的點，來貫通這一素養。例如，在必修模塊，學習了DNA分子的雙螺旋結構使它能夠通過堿基互補配對進行精確的復制，這滲透了結構與功能觀，在進行本節PCR原理的講解時，就可以聯系這一點來展開；在前面一節，了解了基因工程中使用的載體的基本結構：具有限制酶切割位點使得外源DNA能夠插入其中，具有標記基因使得我們能夠鑒定和篩選重組體等，這同樣體現了結構與功能觀，在本節講基因表達載體的構建時，就可以聯系這些內容來介紹基因表達載體的其他組成部分，從而加深學生對結構與功能觀的認識。

3 設計落實生物學核心素養的教學過程

3.1 引入新課

教師創設轉基因抗蟲棉的產生背景和推廣應用情況的情境，并利用這一情境，提出問題：“你知道轉基因抗蟲棉抗蟲的機理是什么嗎？培育轉基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？”教師引導學生分析討論。

設計目的：轉基因抗蟲棉是我國科學家自主取得的重大科技成果，了解相關知識背景能增強學生的民族自豪感和自信心，教師提出的問題又可以啟迪學生思維，激發他們的求知欲。

3.2 講解基因工程的基本操作程序

3.2.1 學習目的基因的獲取

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

這部分內容的重點是如何利用PCR技術獲取和擴增目的基因。教師先讓學生回顧之前學習過的DNA復制的相關知識，引導學生討論、演繹推理出PCR反應需要的條件：模板、原料、引物和DNA聚合酶；然后再結合教材中的“PCR反應原理示意圖”，引導學生對其原理進行一步一步深入分析；最后，通過一個可以在網上進行虛擬PCR實驗的網站，讓學生親自嘗試PCR的實驗操作。

設計目的：以培育轉基因抗蟲棉的情境貫穿基因工程操作程序的教學，這樣有助于引導學生在今后的學習中，聯系真實的情境主動地去發現、去探究、去創造。PCR技術的原理和操作是本課教學的難點，設計時，教師采用了多種教學方式相結合：

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

（2） 圖文結合，深刻闡述。教師借助圖片，分析講解PCR的原理，將抽象文字轉變為具體圖像，在一定程度上降低了學習的難度。

（3） 數字資源，助力學習。教師讓學生親自操作的交互式的虛擬實驗，不僅豐富了課堂教學，讓課堂“動”起來，“活”起來，還可能使每個學生都有了操作的機會，充分調動了他們的學習積極性，并能幫助他們進一步掌握PCR技術。

3.2.2 學習基因表達載體的構建

教師要求學生思考回答教材旁欄中的問題：“將生物的所有DNA直接導入受體細胞不是更簡便嗎？如果這么做，效果會怎樣？”接著，教師展示一張基因表達載體模式圖，讓學生觀察它的構成，并根據教材內容說明各個元件的作用。之后，結合前一節中介紹的幾種DNA重組技術的基本工具，指導學生利用這些工具，自主構建培育轉基因抗蟲棉的基因表達載體。

設計目的：這部分教材旁欄中的問題能引發學生的認知沖突，讓學生通過思考解決這個問題，其實就是讓他們明白這步操作的目的。讓學生自主構建載體的目的是使他們厘清所學知識，并進行有效的整合和應用。

3.2.3 學習將目的基因導入受體細胞

教師向學生介紹將目的基因導入棉花細胞以及其他植物細胞的方法，有花粉管通道法、農桿菌轉化法等。然后，學生自己閱讀了解將目的基因導入動物細胞和微生物細胞的方法。

設計目的：高中生物學教育的著力點之一是要全面提高學生的科學素養，而不是培養生物學專業人才。因此教師在教學中要注重學科的基礎性，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，但是教學根據培育抗蟲棉這一主線，教師只介紹了將目的基因導入棉花細胞和其他植物細胞的方法；然后再拓展到面，讓學生簡單了解目的基因導入動物細胞和微生物細胞的方法即可。

3.2.4 學習目的基因的檢測與鑒定

教師結合前面學過的基因表達的過程，引導學生推出可以從哪幾個水平進行檢測與鑒定。

設計目的：讓學生結合已有的遺傳學知識自己推出進行目的基因檢測與鑒定的幾個水平，經歷這樣一個思維的過程遠比單純記憶結論的價值要大得多。

3.3 小結

教師要求學生運用流程圖的形式概括出基因工程的基本操作程序，之后再進行補充和提升。教師設置情境：隨著轉基因抗蟲棉的廣泛種植，科學家推測棉鈴蟲可能會對Bt毒蛋白產生抗性，作為有責任心的科學家，在沒有發現棉鈴蟲出現抗性之前，就會想辦法應對。由此引發學生討論基因工程的安全性問題。最后教師再總結：基因工程可能帶來安全性問題（包括環境安全、生態安全、食品安全等），在面對來自媒體和他人關于基因工程安全性問題的不同觀點時，我們要能夠運用自己掌握的生物學知識進行辨析，形成理性、科學、客觀的評價能力。

設計目的：這一環節能培養學生總結概括的能力，也是對本課重要內容的一個梳理。前面在講培育轉基因抗蟲棉目的基因的篩選時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容的呼應和提升。教師要求學生聯系基因工程的安全性問題進行討論，可以激發學生的社會責任意識，擁有強烈的社會責任感，才能最終成為社會需要的人才。

3.4 練習

利用本章章引言中“可以使煙草生產我們人類需要的藥物蛋白”這一情境，讓學生設計一個用煙草表達重組人胰島素原的方案。

設計目的：該練習不僅是對知識的鞏固，也體現了學以致用的學習宗旨。另外，不同的學生會有不同的設計方案，可以讓他們交流討論，比較方案的優缺點，課后還可以繼續查閱資料，進一步探究完善方案（圖1）。

4 反思

通過對“基因工程的基本操作程序”一節教學內容的分析和設計，可以看到：找到能體現生物學核心素養的教學內容，教學就有了著力點；明確培養生物學核心素養的教學目標，教學就有了方向；創設情境、設計啟迪學生思維的問題和培養學生科學探究能力的活動等使得學生發展生物學核心素養得到真正的落實。生物學核心素養的形成不同于知識和技能的習得，難以“立竿見影”，教師應該讓它像“潤物細無聲”的春雨那樣滲透在整個教學的過程中。未來，立足學生生物學核心素養，生物學課程建設的探索與實踐一定會全面推進，這將帶來新的憧憬與期待。

參考文獻：

柳夕浪.從“素質”到“核心素養”——關于“培養什么樣的人”的進一步追問[J].教育科學研究，2014，3：5-11.