基于模型建構的高中生物學項目化教學實踐
——以“基因工程賦予生物新的遺傳特性”為例

沈露霞

(浙江省德清縣第一中學 浙江湖州 313200)

項目化學習(Project-Based Learning, PBL)是一種建構性的教與學方式,與傳統教學模式的區別在于其強調以學習者為中心,教師基于真實情境提出問題,將學習任務項目化,學生利用相關知識開展探究性學習和實踐操作,包括模型建構等活動,最終解決問題并展示和分享項目成果,從而提升生物學學科核心素養。 教育部在《普通高中生物學課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課程標準》)中明確指出,要重視對學生學科核心素養的培育,要求學生在高中生物學學習過程中逐步發展科學思維,能基于生物學事實和證據運用模型與建模等方法,探討、闡釋生命現象及規律。

因此,教師認為模型建構能高效促進項目化學習成果的達成。 下文以浙科版新教材《選擇性必修3·生物技術與工程》第四章第一節“基因工程賦予生物新的遺傳特性”為例,探討如何在高中生物學課堂中以模型建構為基礎達成項目化教學。

1 借助真實情境確立項目化學習目標

《課程標準》指出,真實有效的教學情境可以激發學生的學習熱情和求知欲。 因此,考慮到教學內容的抽象性以及學生的認知和興趣,教師可選擇與生活息息相關的真實情境來確立項目化學習目標。

在本次教學中,教師播放了“全球第一個基因工程藥物——胰島素”的視頻,該視頻明確指出從牛或豬的胰臟中提取的胰島素存在含量少且會引發人體免疫反應兩大問題,從而引出:后期科學家利用基因工程技術和大腸桿菌獲得了價格低廉且療效好的人胰島素,拯救了大批糖尿病患者。 該情境與當前糖尿病患病率與日俱增的社會現狀緊密聯系,引起學生共鳴及思考。 教師此時借助該情境確立本次項目化學習目標:①探索利用大腸桿菌生產人胰島素的方法,明確該方法得以實現的理論依據和條件,領悟基因工程賦予生物新的遺傳特性。 ②小組合作探究,利用模型建構的方法,將微觀操作可視化,推測出獲得轉基因大腸桿菌與人胰島素的基本操作程序和所需工具,解決操作過程中的難題,發展科學思維,進一步內化“基因工程”的理論依據。 ③總結“基因工程”操作步驟,體會現代生物技術的空前發展,提升解決實際問題的意識和能力,增強社會責任感。

2 圍繞核心素養設計項目化問題

教師需要圍繞核心素養,將項目化學習目標轉換并設計為一系列有層次、有意義和有挑戰性的問題,即核心問題、驅動問題等。 核心問題是引領整個項目內容的問題,是一類能充分激發學生學習興趣與思考的問題。 驅動問題則是項目化學習展開的靈魂,往往能對項目化學習的過程和結果產生直接影響,是能引發學生思考討論、自主探究和推動學生問題解決的關鍵性問題。 本課程設計的核心問題為:假如你是一名科研工作者,將會如何利用大腸桿菌生產人胰島素呢? 學生針對該問題,基于現有知識儲備,主動思考,可得出將人胰島素基因轉移到大腸桿菌體內(轉基因)的想法,也就是本課程的項目主題內容。 教師給予肯定并繼續引導學生,且教師設計了一系列環環相扣的驅動問題,以助于項目化教學的順利進行。

3 基于模型建構實施項目化過程

模型一般分為物理模型、概念模型和數學模型。本次項目化過程實施中,教師主要利用物理模型和概念模型分析獲得轉基因大腸桿菌的基本操作步驟,包括獲取人胰島素基因(目的基因)、構建重組DNA 分子、將重組DNA 分子導入大腸桿菌(受體細胞)、檢測目的基因及其表達產物四步。 教師要求學生分組合作,通過利用模型建構和配合學案,引導學生層層攻破各個步驟中的項目化驅動問題,再加以師生共同的過程式評價,教師促進學生充分理解并掌握“基因工程”的相關知識,提高課堂教學效率,從而更好地達成項目化學習目標。

3.1 獲取人胰島素基因(目的基因)

教師設問:①基因的本質是什么? ②人胰島素基因存在于人體什么細胞中? ③是不是所有人體細胞都能分泌胰島素? ④如何獲得相應的人胰島素基因?

學生以小組的形式,結合《必修2·遺傳與進化》所學的知識,思考并討論,快速解決前三個問題。 而對于第四個問題,在前三個問題答案的鋪墊下,學生能夠順利答出:需要將胰島素基因所在的DNA 序列片段獨立切割下來。 此時,教師可引出分子剪刀——限制性內切核酸酶(限制酶)的概念,即一種剪切DNA 的工具。 接著,教師通過動畫演示某一限制酶切割DNA 序列的過程,并要求學生模擬動畫過程:以事先準備的剪刀作為限制酶,用其對教師提前制作并打印的不同限制酶識別序列(圖1)的紙質物理模型進行剪切。 操作過程中,教師要求學生思考以下問題:①限制酶的識別序列有什么特點? ②限制酶切斷的是DNA 的什么化學鍵? ③同一種限制酶切出來的末端相同嗎? 學生可順利完成此項活動并解決以上問題,此時,教師可簡要歸納黏性末端與平末端兩個概念,以便學生理解。

圖1 不同限制酶識別序列的物理模型圖

教師繼續追問:限制酶之所以能如此精確地剪切人胰島素基因的原因是什么? 即限制酶本身有什么特點?

結合上述開展的模型建構,學生容易回答出:限制酶具有專一性,不同的限制酶具有不同的識別序列和切割位點,因而可以實現精準剪切。

教師要求學生根據事先打印的“含人胰島素基因的一段DNA 序列”的紙質物理模型(圖2),思考并分析利用什么限制酶能將模型中的人胰島素基因準確剪切下來。 各小組合作操作并交流后,教師邀請各小組代表分享組內成果并說明理由,同時要求組內和組間相互評價并補充。 最終所有學生明確兩種方案:①BamH I 酶。 ②BamH I 酶和EcoR I 酶。 教師給予肯定及鼓勵。

圖2 含人胰島素基因的DNA 序列物理模型圖

3.2 構建重組DNA 分子

教師設問:由“BamH I 酶”或“BamH I 酶和EcoR I 酶”剪切獲得的人胰島素基因能直接運輸到大腸桿菌體內并順利合成胰島素嗎?

學生回答不能,理由是目的基因不存在自主轉運功能,并聯系《必修2·遺傳與進化》中“基因控制蛋白質合成”的相關知識點,明確要使目的基因轉錄和翻譯,在該基因所在的DNA 序列中還需要存在啟動子和終止子等相關信號。 教師充分肯定學生回答,并引出:要實現轉運功能,需要一個運輸工具——載體,而常用的載體是環狀質粒。 教師根據預先設計并制作的質粒載體(圖3),繼續指出要將人胰島素基因連接在載體上,才能使其伴隨載體進入大腸桿菌,從而引出連接工具——DNA 連接酶,教師用動畫演示其作用機理,以供學生理解。 最終教師進一步強調“構建重組DNA 分子”是基因工程中最關鍵的步驟。

圖3 預先設計的環狀質粒物理模型圖

教師要求學生以小組為單位,思考并討論選擇哪種(或哪幾種)限制酶分別剪切人胰島素基因和大腸桿菌質粒,再讓學生嘗試根據質粒載體模型和訂書機或膠帶(充當DNA 連接酶)動手構建人胰島素基因與大腸桿菌質粒的重組DNA 分子物理模型。 學生充分討論與操作后,各小組代表展示與分享各自方案與模型建構的成果,組內與組間進行補充與評價。 教師的目的在于使學生能準確抽提關鍵信息和正確構建與解釋模型內涵。 最終所有學生達成一致,明確兩種方案:①分別用BamH I 酶切割目的基因和載體。 ②分別用BamH I 酶和EcoR I 酶共同切割目的基因和載體。 教師給予肯定并引導學生繼續觀察和思考兩種方案是否存在優缺點,從而幫助學生明確“構建重組DNA 分子”時存在的目的基因與載體的自身環化與反向連接問題。

3.3 將重組DNA 分子導入大腸桿菌(受體細胞)

教師設問:①什么是載體? ②載體需要具備什么重要特征? ③結合所學知識思考,能將重組DNA分子導入大腸桿菌的載體除了質粒,還可以是什么?④倘若要將重組DNA 分子導入動植物細胞能否依靠質粒? ⑤如何確保目的基因的復制與表達? ……

教師根據以上驅動問題并結合教材,要求學生繼續以小組合作的方式在學案上歸納出關于載體的概念模型(圖4),使學生進一步明確能將人胰島素基因順利導入大腸桿菌并使其表達產生胰島素所依靠的關鍵工具是“載體”。 傳統教學中,學生對概念的記憶往往是機械的死記硬背和反復記憶,遺忘率高。 本次教學中,學生在真實情境的鋪墊下,構建概念模型來詮釋概念的內容、本質和特點,可以加深對抽象概念的記憶,提升科學思維能力和知識應用能力。

圖4 關于“載體”的種類、特征及作用的概念模型圖

3.4 檢測目的基因及其表達產物

教師設問:①通過質粒載體將重組DNA 分子導入大腸桿菌的概率是百分之百嗎? ②如何檢測大腸桿菌中已含有人胰島素基因? ③即使人胰島素基因已進入大腸桿菌,是否一定能產生胰島素? ④如何檢測人胰島素基因是否表達? ……

教師根據以上驅動問題并結合教材,同時回顧《必修2·遺傳與進化》“基因控制蛋白質合成”的相關知識點,要求學生再次以小組合作的探究方式在學案上歸納出關于“目的基因及其表達產物的檢測方法”的概念模型(圖5),并讓學生進行充分地討論、梳理與內化。

4 運用多元模式評價項目化成果

教學評價應以學生發展為本,以生物學課程內容和《課程標準》為依據,聚焦學科核心素養,促進教師的教和學生的學。 《課程標準》要求教師重視教學評價,強調創建一個有利于學生全面發展的多元模式生物學課程評價體系。 所謂多元模式評價,指的是評價主體、評價方式、評價過程、評價目標和評價策略等的多元化,即既關注學生學業成就又重視個體進步和多方面發展,這種評價往往具有多層次性。 因此,在項目化教學實踐中,教師應更加致力于踐行多元模式評價,多關注學生的實際情況,促使各個層次的學生均能在現有基礎上獲得高效發展,提升學生的綜合能力。

教師針對本次“基因工程賦予生物新的遺傳特性”課程制定了評價量表,見表1,該表直觀地體現了評價主體的多元化,不再只有教師對學生的單向評價,還有學生自評和學生互評,甚至教師還可以設計學生對教師進行評價等多種形式。 此外,在課堂實施過程中,評價標準的多元化體現在教師對于學生的回答不是直接判斷對錯,而是給予鼓勵和引導,教師由易到難層層設問,讓學生體會并思考解決問題的過程而獲得極大的成就感與滿足感。 評價內容的多元化體現在評價不僅僅針對知識點的記憶與理解,而是針對不同的教學內容,如學生是否能完整構建出課程相關的概念模型和物理模型、是否能真正參與小組探究性學習活動、是否有良好的學習態度和學習習慣、是否能針對社會熱點問題(如轉基因產品的安全性)展開討論并表達自己的看法等。 多元模式的評價體系往往使課堂氣氛更活躍,有利于促進教學效果和學生生物學學科核心素養的提升。

表1 “基因工程賦予生物新的遺傳特性”教學評價量表

5 反思與總結

在本次以“基因工程賦予生物新的遺傳特性”為例的項目化教學實踐中,教師還可繼續引導學生展開思辨:①為什么科學家會想到利用大腸桿菌來大量生產胰島素,大腸桿菌有什么特點? ②能否通過動物細胞工程培養大量的胰島B 細胞來生產胰島素? ③利用基因工程獲得的轉基因大腸桿菌所生產的胰島素,與人體內的胰島素完全相同嗎? 這些問題可以促進學生繼續進行深度思考、分析并展開辯論,訓練學生的語言組織能力與表達能力,發展學生的批判性思維。

總之,本次項目化學習主要基于物理模型與概念模型的構建,借助系列驅動問題,運用多元評價體系,促進學生發散聯想,層層深入,實現《選擇性必修3·生物技術與工程》和《必修2·遺傳與進化》中交叉知識的遷移與運用。 在課堂實施中,學生參與轉基因大腸桿菌的制備過程,提升科學探究與科學思維能力,增強解決社會實際問題的能力,進而發展了生物學學科核心素養。