基于工程學教育視域下的高中生物學復習策略

摘 要：工程學教育是培養學生工程學思維習慣和高階思維能力的一種重要教學設計，既能實現科學教育與工程學技術的融合，也能在解決實際問題的過程中培養學生的工程學思維能力，進而有助于學生養成系統性、創造性、批判性和籌劃性的思維習慣。本文以“基因工程的基本操作程序”復習課為例，開展工程學教育實踐研究。

關鍵詞：工程學教育；高中生物學；基因工程；復習策略

文章編號：1003-7586（2024）06-0081-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 工程學教育

工程學教育是一種跨學科且具有實踐性的教育，它著重于培養學生的創新思維、實踐能力、解決問題能力和團隊合作精神。工程學教育不僅僅是培養未來工程師的基礎，更提高了學生的綜合素質，使其能夠在不斷變化的世界中持續適應和發展。

科學與工程學的整合是在共同利益和價值認同的基礎上，針對工程學與科學教育各自獨立又有一定內在聯系的要素，按照某種規范進行組合、結構協調、相互配合的過程或結果。在分析科學和工程學的內涵和素養后，二者的整合基礎就是科學的認識過程和工程學的改造過程，是解決實際問題密不可分的兩部分。科學的核心探究活動與工程學的核心設計過程相輔相成，工程學設計建立在科學認識的基礎上，科學認識在工程學實踐的基礎上得到證識和穩定向上的發展。

2 工程學教育視域下的設計模型

工程學思維的基本邏輯是：確立目標—分解關鍵性結果—聚焦各個環節問題—探究攻克問題的技術—達成目標。

在工程學教育的視域下，單元整體復習能夠充分激發學生的學習興趣，進而提高學生對數學、科學相關知識的學習能力，以及學生解決問題的能力、交流技術的能力和團隊合作的能力。

近年來，我國的科學教育發展中，工程學也逐漸進入了中小學科學課程。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中“生物技術與工程”作為一個獨立的選擇性必修模塊安排在教學內容中。本文結合人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·基因工程》第3章第2節“基因工程的基本操作程序”為例進行工程學教學設計。

3 教學設計思路

《課程標準》指出：“完成本模塊學習后，學生應該能夠結合生活或生產實例，舉例說出發酵工程、細胞工程和基因工程等生物工程及相關技術的基本原理；針對人類生產或生活的某一需求，在發酵工程、細胞工程和基因工程中選取恰當的技術和方法，嘗試提出初步的工程學構想，并進行簡單的設計和制作”。本文結合本校學生學情，充分利用現有條件開展相關教學實踐。

利用情境串聯的方法更易于學生理解和掌握知識，也能有效調動學生的積極性。本節課以人重組胰島素的情境為案例，從實際需求出發，整體把握，基于工程學教育開展“基因工程的基本操作程序”教學設計，思路如圖2所示。

4 課堂教學過程實施

4.1 回顧舊知，設問導入

教師對本冊教材的封面主題進行設問，引出生物技術與工程是本冊教材的重點，詢問學生生物技術與工程學有何聯系，引起學生的認知困惑。最后，教師指出：科學提供了對自然界的注釋，技術則將科學原理應用于認識和改造自然，工程學則綜合運用多種技術生產滿足人類需求的產品。

4.2 聚焦具體問題情境，培養工程學素養

以“重組人胰島素的制備”為情境展開教學，構建胰島素基因在受體細胞中表達過程的概念模型如圖3所示。

按照工程學的設計思路，想要實現胰島素的大規模生產，就需要借助基因工程技術來實現。教師需要準確描述重組人胰島素的技術藍圖，引導學生思考如何實現跨物種的基因交流。

根據工程學教育的思維模型確定大目標下的關鍵結果，通過逆向思維分解工程學結構，按照目標—基本程序—聚焦問題—技術解決的環節進行教學。具體的教學策略以問題串的形式開展課堂教學和交流，教師需要根據每個環節設置問題引導學生，展開課堂復習。

4.2.1 目的基因的篩選與獲取

教師圍繞目的基因的篩選與獲取，提出聚焦問題：①目的基因的來源是什么？受體細胞通常是什么生物？②實現跨物種細胞內的基因表達的生物學原理是什么？③胰島素基因的篩選和獲取需要考慮哪些因素？學生通過討論分析，發現獲取目的基因需要用到聚合酶鏈式反應（PCR）技術，但是并不清楚其擴增的意義是什么。

針對PCR技術的原理和過程，提出問題：①與細胞內的DNA復制相比，引物有何異同？②需要的酶有何異同？③反應條件和形成過程有何異同？學生通過學習前后知識之間的聯系，生生討論并閱讀教材完成以上問題。

4.2.2 目的基因表達載體的構建

目的基因表達載體的構建是基因工程操作的核心步驟，目的基因在受體細胞中穩定存在并能遺傳給下一代。教師圍繞以上內容，提出聚焦問題：①如何切割目的基因和運載體？切割后如何連接？②切割時需要考慮后續可能的問題有哪些？學生通過討論和教師引導，分析單酶切法和雙酶切法的優缺點，并嘗試描述并構建出胰島素基因表達載體的物理模型（見圖4）。

4.2.3 將目的基因導入受體細胞

教師圍繞受體細胞中目的基因的導入，聚焦問題：①導入的難點是什么？②具體的實踐方案是什么？③如何篩選導入目的基因的受體細胞？教師以胰島素基因導入大腸桿菌為例，具體講解使用鈣離子處理受體細胞，處于感受態后導入目的基因的過程和注意事項，使學生的思維顯性化。進而由教師進行多元化評價，并且講述轉基因植物的導入方法有我國科學家獨創的花粉管通道法以及農桿菌轉化法等。此過程能讓學生體驗到存在多種技術方法解決問題，在工程學操作中需要根據具體問題尋找最佳方法。

4.2.4 目的基因的檢測和與鑒定

這一環節的目的是檢查目的基因進入受體細胞后，其遺傳特性表達的穩定性和持續性。教師圍繞這一目標，聚焦問題：①基因檢測的生物學原理是什么？②需要用到什么技術手段？③具體的工程學設計是什么？學生通過討論認識到分子水平的檢測可以采用PCR擴增后電泳、設計基因探針等技術

進行DNA分子雜交，以及利用抗原—抗體的特異性結合，進行相關蛋白質水平的檢驗。

最后，總結本節課的復習內容，體驗工程學教育理念在“基因工程的基本操作程序”復習課中的具體實踐效果。從獲得人重組胰島素的整體目標出發，分析跨物種基因表達實現的基因工程技術，進而分解基因工程操作的基本程序，最后聚焦程序中的各個問題進行學習。學生在深入討論中明確解決的方法和原理，充分考慮整個工程設計中各環節的相互影響，從而培養學生的統籌能力、批判性思維能力和解決實際問題的能力。在課堂復習中通過工程學教育落實生物學學科核心素養。

4.3 認同科學、技術、工程學融合的價值

本節復習課引導學生圍繞實際生活中的問題，展開對生物學原理及工程學步驟的分析，聚焦每個基本環節的具體難點，結合生物學知識進行針對性的探討，最后達成工程學教育的目標。教師引導學生實際體驗工程學教育的過程，培養學生的工程學素養，達成高階思維能力發展的目標。在復習課堂中，進行科學、技術與工程學的有機融合，實現了新課到復習課的學習概念進階和能力發展進階。

教師在生物學教學中，需要將科學、技術、工程學三者視為一個有機的整體，共同推動學生對生物學的深度理解與應用能力。生物學不僅是對生命現象的探索過程，更是科學方法、技術創新與工程實踐的交匯點。例如，通過展示基因編輯技術的相關資料，引導學生理解基因如何編碼生命信息，同時掌握實驗設計與數據分析的科學方法，進而思考如何保證安全、符合倫理地應用這些技術解決實際問題。此外，結合生態學原理，工程學方法可以被用于設計可持續的生態系統管理方案。例如濕地修復工程，讓學生親身體驗從理論到實踐的過程，從而發展跨學科視野及生物學學科核心素養。通過以上教學模式，生物學不再是一門孤立的學科，而是連接科學發現與技術創新的橋梁，從而達到激勵學生科學探究，解決復雜社會問題的目的。

5 教學反思

基于工程學教育視域下的高中生物學復習教學設計，以“基因工程的基本操作程序”為例，引導學生體驗工程學思維。^［1］通過確定工程學目標，到分解具體操作環節，以情境—問題—任務的教學主線，采用提出問題串的教學追問策略，不斷地推動學生深入思考，解決實際問題。本節課的有效實施，體現了教師以問題為導向，逆向設計教學，巧妙設計工程學問題，最終達成學生對概念和原理的理解和應用的目標。

通過本節復習課，引導學生逐步養成以工程學視角看待實際問題，以工程學思維思考實際問題和以工程學設計與工程學實踐解決實際問題的習慣，同時提高了學生對生物學的興趣與積極性，深層次地鍛煉了學生統籌和集成生物技術的能力，培養科學思維和科學探究的能力。

目前我國針對中小學階段工程學教育的實踐研究相對較少，但是筆者通過嘗試發現，高中階段培養學生工程學思維能力有助于學生養成系統性、創造性、批判性和籌劃性的思維習慣，同時《課程標準》中也明確提出科學探究素養水平要求“基于給定的條件，設計并實施探究實驗方案或工程學實踐方案”。將工程學教育融入到生物學教學中，需要教師對相關的理論進行系統性的深入研究，并通過實踐再次加深理論學習，不斷地改進和完善。

參考文獻

［1］王姝妍，解凱彬.運用社會性科學議題教學，促進核心素養發展——以“基因工程的基本操作程序”為例［J］.生物學教學，2023，48（9）：7-10.