研究型實驗在高中生物教學(xué)中的實踐效果及完善
——以基因工程實驗為例

杜 靜，呂 樂

(1.首都師范大學(xué)附屬育新學(xué)校，北京，100096；2.北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，北京，100083)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中明確指出：生物學(xué)課程要求學(xué)生主動地參與學(xué)習(xí)過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)和發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐的能力。生物學(xué)課程是以提高學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨的學(xué)科課程。[1]研究型實驗可以培養(yǎng)學(xué)生運用知識的能力和研究能力，啟蒙學(xué)生的研究興趣和增強學(xué)生的創(chuàng)新欲望，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力、促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的重要途徑和載體。[2]

基因工程前沿性強、實踐性強，理論知識和研究對象抽象，學(xué)生理解起來有一定的困難，且基因工程實驗操作繁瑣、耗時長、成功率低。由于學(xué)時和實驗條件的限制，一般學(xué)校會選擇開設(shè)極少部分的實驗，導(dǎo)致實驗項目內(nèi)容分散且連貫性不強。同時，由于沒有參與前期實驗內(nèi)容的選擇，學(xué)生不能很好地理解所做實驗內(nèi)容的目的和需要解決的問題。學(xué)生處于沒有目的地做實驗的狀態(tài)，難以培養(yǎng)獨立思考和解決問題的能力。針對以上問題，本研究在開發(fā)實驗項目、改變授課模式等方面做了改進(jìn)，讓學(xué)生最大限度地經(jīng)歷完整的實驗過程，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成。

一、開發(fā)綜合型、連貫性強的研究型實驗項目

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式：教師按照課本和教學(xué)進(jìn)度，安排學(xué)生的實驗內(nèi)容。實驗前，教師先把實驗內(nèi)容和操作步驟講一遍，強調(diào)學(xué)生在實驗過程中的注意事項，然后讓學(xué)生按照步驟開始實驗。這種教學(xué)模式使學(xué)生始終處于被動地位，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，剝奪了學(xué)生的思維空間。由于學(xué)生不能很好地理解所做實驗內(nèi)容的目的、意義以及實驗過程中可能會出現(xiàn)的問題，學(xué)生的主體作用和積極性都得不到充分發(fā)揮，難以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力。[3]本研究將傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)，微生物的實驗室培養(yǎng)、分離與計數(shù)，種群數(shù)量變化，DNA的提取與PCR擴(kuò)增及分子鑒定優(yōu)化整合，把這些單一、獨立、不連貫的實驗內(nèi)容串聯(lián)起來，開發(fā)綜合型、連貫性較強的研究型實驗項目。實驗之前，教師對即將開設(shè)的綜合型、連貫性較強的各個實驗用實驗流程圖的形式進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生了解實驗環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，對每一個實驗結(jié)果有個初步預(yù)期。這樣的實驗設(shè)計是環(huán)環(huán)相扣的，上個實驗的結(jié)果是下一個實驗的材料。學(xué)生了解實驗的總體流程圖后，就會明白每個實驗的目的和意義，積極考慮如何得到預(yù)期的實驗結(jié)果，增強實驗的積極性和能動性。

如圖1所示，完整的實驗流程圖使學(xué)生在未進(jìn)行實際操作之前就對整個實驗的原理和流程有了清楚且整體的認(rèn)識，使學(xué)生真正理解實驗?zāi)康模龅接心康男缘亟鉀Q問題，能更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。通過實驗設(shè)計、實驗操作以及在實驗過程中的認(rèn)真思考，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實際訓(xùn)練，教師能培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗?zāi)芰蛣邮帜芰Γ囵B(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木瘢岣邔W(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

圖1 實驗項目設(shè)計流程

二、采用互聯(lián)網(wǎng)+實驗教學(xué)的授課模式解決課時不足的問題

受到課時的限制，一些耗時較長的生物學(xué)實驗無法開展。例如，本研究涉及的實驗項目不可能在某個教學(xué)周集中完成，教師需要合理安排，分期組織學(xué)生進(jìn)行實驗子項目。所以，選擇生物校本選修課的學(xué)生可以向?qū)W校申請以長短課結(jié)合的方式在一學(xué)期的校本選修課中完成整個實驗項目，教師則可以探索更合適的授課安排。具體授課模式如下。

(一)理論教學(xué)

結(jié)合教學(xué)進(jìn)度，在學(xué)生開始實驗前，教師對即將開展的綜合實驗內(nèi)容進(jìn)行講解，為學(xué)生在開展實驗前奠定相關(guān)的理論基礎(chǔ)。這樣的理論教學(xué)是必需的，引導(dǎo)學(xué)生在開展實驗前進(jìn)行獨立思考和提出問題，是理論知識和實踐認(rèn)知的有機結(jié)合。如選修一傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)、微生物的實驗室培養(yǎng)、基因工程的基本操作程序、DNA的粗提取與鑒定、PCR、瓊脂糖電泳等理論知識是學(xué)生都需要掌握的。針對校本選修的第一節(jié)課，教師會以探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)模式帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計完整的實驗流程圖，讓學(xué)生把理論知識與實際的研究項目有機結(jié)合起來。

(二)實驗技能培訓(xùn)

教師對學(xué)生進(jìn)行一些基本實驗技術(shù)的培訓(xùn)，使學(xué)生掌握微生物培養(yǎng)、基因工程操作的基本實驗技能，如培養(yǎng)基的配制、接種與培養(yǎng)，分光光度計的使用，瓊脂糖凝膠電泳的操作，DNA提取，PCR等基本實驗，避免學(xué)生實驗技能操作的不規(guī)范或者由于操作不當(dāng)導(dǎo)致實驗結(jié)果不正確。

(三)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，改革教學(xué)手段

充分利用網(wǎng)絡(luò)信息可以為教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)提供豐富的資源和便捷的途徑。[4]為解決課時不足、學(xué)生實驗操作不熟練等問題，教師可以采取如下措施：(1)通過錄制短視頻的方式制作相關(guān)實驗內(nèi)容的微課，主要包括試劑配制、培養(yǎng)基的配制、分光光度計的使用、血球計數(shù)板計數(shù)、DNA基因組提取、PCR擴(kuò)增及電泳實驗等內(nèi)容。微課錄制后發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生就微課中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)、思考、小組討論。[5]微課的發(fā)布方便學(xué)生反復(fù)觀看，特別是比較復(fù)雜的實驗內(nèi)容，學(xué)生可以在實驗過程中多次重復(fù)播放，加深對實驗操作流程的印象。(2)為學(xué)生提供一些微信公眾號(如Medsci、生物勘探、解旋酶等)和生命科學(xué)論壇(如生物谷、丁香園、小木蟲等)，讓學(xué)生自行了解基因工程的前沿知識。[6](3)在微信群推送NCBI的鏈接，指導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)上進(jìn)行PCR引物的設(shè)計和酵母菌的序列比對。(4)在校本選修課開展實驗的時候，組織小組成員進(jìn)行合理分工并實施實驗內(nèi)容，教師負(fù)責(zé)實驗實施全過程的指導(dǎo)，解決實驗中學(xué)生遇到的疑問，糾正實驗操作過程中的錯誤。結(jié)果表明，“互聯(lián)網(wǎng)+實驗教學(xué)”能夠促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)實驗原理和操作技能的掌握，實驗教學(xué)更促進(jìn)學(xué)生動手能力、團(tuán)隊協(xié)作和解決問題能力的提升，長短課結(jié)合，解決了課時不足的問題，提升了教學(xué)效果。

三、基因工程教學(xué)實驗的不足及完善

由于研究型實驗在高中課程中的開設(shè)時間尚短，許多課程和實驗的設(shè)置還處于起步階段，相關(guān)經(jīng)驗不足，實踐過程中還存在著一些不容忽視的問題。其中，存在實驗課程的設(shè)計以教師主導(dǎo)為主、學(xué)生參與實驗設(shè)計機會少的問題。在目前階段的實驗課程中，一般由教師制訂實驗方案而非學(xué)生自己思考設(shè)計。這雖然是基于學(xué)生當(dāng)前階段的能力和知識儲備決定的，但將一部分實驗方案交由學(xué)生制訂能夠更好地鍛煉其思考能力，加深其對相關(guān)知識的理解。[7]另外，雖然在第一節(jié)課就完成了整個實驗流程，但受限于對理論知識的理解不深入，學(xué)生在后續(xù)的實驗過程中仍存在無法完全理解實驗原理和目的、為了實驗而做實驗的現(xiàn)象。雖然教師錄制了相關(guān)實驗操作的微課，但由于基因工程實驗具有取樣操作嚴(yán)格、試劑需要量少、各組分加入量要精確等特點，學(xué)生的基本實驗技能相對欠缺，學(xué)生的實驗屢次不成功。因此，教師需要加強對學(xué)生基本技能的培訓(xùn)：移液器的正確使用方法、實驗試劑的配制及實驗材料的高溫滅菌、試劑的正確加入方法和順序等。歷經(jīng)一個學(xué)期，選擇校本選修班的學(xué)生基本完成了整個研究型實驗，但如何使全年級學(xué)生經(jīng)歷完整的研究型實驗過程，在常規(guī)教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)時間調(diào)整、實驗室開放等方面仍然是值得探索的一個課題。

四、總結(jié)

隨著當(dāng)代生命科學(xué)的整體快速發(fā)展，相關(guān)的前沿技術(shù)越來越多地滲入普通高中的教學(xué)中。基因工程作為不可忽視的重要部分，對學(xué)生掌握實驗技能的要求不斷提高，因此開展基因工程教學(xué)實驗十分必要。教師通過設(shè)計目標(biāo)明確的綜合型、研究型實驗，強調(diào)以學(xué)生為主導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生為完成目的明確的實驗內(nèi)容而自主開展實驗，對微生物實驗室培養(yǎng)、基因工程實驗的設(shè)計思路和操作過程有了逐步深入的了解。研究型實驗的教學(xué)有助于學(xué)生理解基本理論知識，引發(fā)學(xué)生思考，促進(jìn)學(xué)生獨立思考和自主學(xué)習(xí)能力的提高，有助于提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。