指向拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目實(shí)踐

摘要：本文采用跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的策略，結(jié)合象山本地?zé)狳c(diǎn)事件與學(xué)生創(chuàng)意，組織學(xué)生深入體驗(yàn)完整科研流程，完成轉(zhuǎn)基因大腸桿菌培育及以“象山·亞運(yùn)”為主題的細(xì)菌作畫(huà)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和學(xué)術(shù)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(guān)鍵詞：跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；轉(zhuǎn)基因；大腸桿菌

文章編號(hào)：1003-7586（2024）04-0012-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

黨的二十大報(bào)告指出，“人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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(xué)生科研創(chuàng)新能力的關(guān)鍵時(shí)期。在高中階段開(kāi)展拔尖創(chuàng)新人才的早期培養(yǎng)，有利于提升學(xué)生的學(xué)術(shù)研究能力，為后續(xù)高等教育階段的專(zhuān)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

高中跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，是指學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)參與完成某一綜合性任務(wù)時(shí)，調(diào)動(dòng)多學(xué)科的知識(shí)與能力儲(chǔ)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(guò)程。因此，筆者以本地?zé)狳c(diǎn)事件——杭州亞運(yùn)會(huì)的舉辦為契機(jī)，組織學(xué)生大膽提出科研想法，完整體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)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(tái)。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》對(duì)于基因工程的基本操作流程和應(yīng)用進(jìn)行了介紹。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)定向改造生物性狀產(chǎn)生了濃厚的興趣。此時(shí)恰逢杭州亞運(yùn)會(huì)處于倒計(jì)時(shí)，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(yùn)。于是，學(xué)生便萌生了利用能夠發(fā)出紅色熒光的轉(zhuǎn)基因細(xì)菌作畫(huà)，為家鄉(xiāng)加油、為亞運(yùn)添彩的想法。

2 項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)

（1）提出利用生物學(xué)技術(shù)為亞運(yùn)添彩的方案，能夠基于事實(shí)，科學(xué)分析科研想法的可行性并進(jìn)行論證，積極使用生物學(xué)知識(shí)，打造專(zhuān)屬于生物學(xué)的喜迎亞運(yùn)計(jì)劃。

（2）獲得可控的轉(zhuǎn)RFP基因大腸桿菌，運(yùn)用物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀認(rèn)識(shí)生命體的資源利用規(guī)律及RFP基因?qū)Υ竽c桿菌的生存影響；運(yùn)用歸納概括、演繹推理等方法，提出并闡明設(shè)置IPTG（乳糖類(lèi)似物）誘導(dǎo)機(jī)制的生物學(xué)意義；合作進(jìn)行資料查閱與分析、借助軟件工具完成研究方案設(shè)計(jì)并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

（3）利用轉(zhuǎn)RFP基因大腸桿菌作畫(huà)，交流討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探索最佳操作方案；以家鄉(xiāng)活動(dòng)為主題進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，深化自豪感。

（4）基于自身經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)理性地看待轉(zhuǎn)基因技術(shù)；充分利用生物學(xué)知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主動(dòng)宣傳，引導(dǎo)社會(huì)以正確態(tài)度對(duì)待轉(zhuǎn)基因技術(shù)。

3 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目按照如下順序進(jìn)行：人項(xiàng)、項(xiàng)目推進(jìn)、出項(xiàng)。其中，項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中需要利用一系列的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題訓(xùn)練學(xué)生的高階思維，讓學(xué)生持續(xù)地開(kāi)展探究，旨在有序地組織學(xué)生完整體驗(yàn)科學(xué)研究的一般流程。具體研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)如表1所示。

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)主題的確定和任務(wù)拆分

4.1.1 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)主題的確定

教師展示象山縣人民為迎接亞運(yùn)會(huì)所開(kāi)展的各項(xiàng)活動(dòng)，提出項(xiàng)目背景：象山縣作為舉辦亞運(yùn)會(huì)的分會(huì)場(chǎng)，全縣人民都在以自己的方式迎接亞運(yùn)，有人為亞運(yùn)作畫(huà)、有人為家鄉(xiāng)制作宣傳視頻……作為生物學(xué)的學(xué)習(xí)者，能否用生物學(xué)的專(zhuān)屬方法，為亞運(yùn)添彩、為家鄉(xiāng)宣傳？

由于學(xué)生剛剛完成基因工程相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生自發(fā)地提出可嘗試培育轉(zhuǎn)熒光蛋白的大腸桿菌、以“象山·亞運(yùn)”為主題進(jìn)行細(xì)菌作畫(huà)，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(jìn)行作畫(huà)等豐富多彩的想法。

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

4.1.2 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)任務(wù)的拆分

師生群策群力，將項(xiàng)目拆分為兩大子項(xiàng)目任務(wù)：獲得轉(zhuǎn)紅色熒光蛋白（RFP）基因的大腸桿菌、以“象山·亞運(yùn)”為主題進(jìn)行細(xì)菌作畫(huà)及撰寫(xiě)研究報(bào)道。

4.2 子項(xiàng)目一：獲得可控的轉(zhuǎn)RFP基因大腸桿菌

4.2.1 設(shè)計(jì)培育方案

學(xué)生通過(guò)將教材上的基因工程基本流程四大環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化，嘗試形成可操作的轉(zhuǎn)RFP大腸桿菌培育方案。為了有效推動(dòng)學(xué)生的思維發(fā)展和方案形成，教師首先組織學(xué)生在課堂上進(jìn)行討論，提出落實(shí)本研究可能會(huì)面臨的問(wèn)題，在課堂上進(jìn)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(wèn)題與解決方案清單（見(jiàn)表2），學(xué)生每3人為一個(gè)研究小組，利用課余時(shí)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(dá)載體的構(gòu)建”這一環(huán)節(jié)時(shí)，教師適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考下列問(wèn)題：紅色熒光蛋白對(duì)大腸桿菌有無(wú)危害？大腸桿菌會(huì)大量表達(dá)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(dá)時(shí)機(jī)？學(xué)生思考后，關(guān)注到紅色熒光蛋白對(duì)大腸桿菌沒(méi)有影響，在大腸桿菌內(nèi)不會(huì)大量表達(dá)，因此可在表達(dá)載體中引入與RNA聚合酶結(jié)合能力強(qiáng)的強(qiáng)啟動(dòng)子，或向大腸桿菌導(dǎo)入轉(zhuǎn)錄能力強(qiáng)的RNA聚合酶來(lái)提高RFP的表達(dá)。學(xué)生又考慮到若在擴(kuò)大培養(yǎng)時(shí)就過(guò)早地大量表達(dá)RFP會(huì)導(dǎo)致大腸桿菌內(nèi)部的資源和能量浪費(fèi)，聯(lián)系已學(xué)的乳糖操縱子模型相關(guān)知識(shí)，提出可在表達(dá)載體上構(gòu)建乳糖操縱子模型，以加入誘導(dǎo)劑的方式調(diào)控目的基因的表達(dá)。此時(shí)，教師進(jìn)一步追問(wèn)：轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品中表達(dá)的蛋白對(duì)人體有無(wú)危害？該如何避免這些潛在危害？轉(zhuǎn)基因生物能否隨意投入自然環(huán)境中？

在上述問(wèn)題的推動(dòng)下，學(xué)生逐漸意識(shí)到轉(zhuǎn)入基因表達(dá)的蛋白或許對(duì)人體有害，科學(xué)家在開(kāi)展轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品研究時(shí)也在嘗試通過(guò)組織特異性的啟動(dòng)子等來(lái)規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還會(huì)考慮到可能對(duì)自然種群造成的基因污染而去設(shè)計(jì)不育的轉(zhuǎn)基因生物。

4.2.2 培育可控的轉(zhuǎn)RFP基因大腸桿菌

結(jié)合暑假研學(xué)活動(dòng)，學(xué)生借用浙江師范大學(xué)的科研實(shí)驗(yàn)室完成了為時(shí)4天的轉(zhuǎn)RFP基因大腸桿菌的培育過(guò)程。第一步：PCR擴(kuò)增紅色熒光蛋白基里；第二步：質(zhì)粒提取與鑒定；第三步：構(gòu)建重組DNA分子；第四步：感受態(tài)細(xì)胞的制備與轉(zhuǎn)化；第五步：RFP的誘導(dǎo)表達(dá)和細(xì)菌純化；第六步：PAGE電泳檢測(cè)蛋白表達(dá)情況。

4.3 子項(xiàng)目二：以“象山·亞運(yùn)”為主題進(jìn)行細(xì)菌作畫(huà)及撰寫(xiě)研究報(bào)道

4.3.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)探索最佳繪制方式

學(xué)生通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)最終確定了較佳的繪制工具、繪制方式、誘導(dǎo)培養(yǎng)條件及結(jié)果的拍攝注意事項(xiàng)等（見(jiàn)表3）。

4.3.2 主題作畫(huà)

學(xué)生首先在紙上進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)，并將圖形用記號(hào)筆繪制在培養(yǎng)皿底部，再用移液槍槍頭蘸取細(xì)菌菌液在涂有IPTG的培養(yǎng)基表面小心點(diǎn)繪，整個(gè)過(guò)程需保證無(wú)菌操作。作畫(huà)結(jié)果如圖2所示。

4.3.3 撰寫(xiě)研究報(bào)道

學(xué)生基于自身的真實(shí)科研體驗(yàn)，撰寫(xiě)本次研究的報(bào)道，用通俗易懂的語(yǔ)言介紹本次研究的內(nèi)容與成果，分享本次科學(xué)研究的感悟與體會(huì)，同時(shí)向社會(huì)傳達(dá)理性看待轉(zhuǎn)基因技術(shù)的正確態(tài)度。

5 項(xiàng)目反思

拔尖創(chuàng)新人才的培育不僅需要國(guó)家政策的引導(dǎo)和支持，還需要基礎(chǔ)教育階段科研氛圍的影響以及教師正確理念的引導(dǎo)。在本項(xiàng)目中，教師為學(xué)生創(chuàng)造了包容的、自主的科研空間，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行生物學(xué)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，發(fā)掘有一定潛能的學(xué)生，滿足其個(gè)性化發(fā)展需求。在項(xiàng)目實(shí)施中，學(xué)生綜合運(yùn)用了多學(xué)科的知識(shí)突破研究過(guò)程中的重重困難，化身科學(xué)家與藝術(shù)家，將高端的現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)運(yùn)用到了藝術(shù)創(chuàng)作中，親手實(shí)現(xiàn)自己的奇妙想象，感受到科學(xué)研究的魅力。總體而言，學(xué)生不僅表現(xiàn)出了對(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)的濃厚興趣，還展現(xiàn)了較強(qiáng)的學(xué)習(xí)力、高效的行動(dòng)力、堅(jiān)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(yīng)具備的基本品質(zhì)。

基金項(xiàng)目：寧波市教育科學(xué)規(guī)劃2023年度立項(xiàng)課題“‘雜交’以育：生物學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐”（2023YZD085）。