以生為本，構(gòu)建提升學生科學思維的靈動課堂

文章編號：1003-7586（2025）02-0027-04中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

1教材分析及設(shè)計思路

“重組DNA技術(shù)的基本工具\"是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》以下簡稱“教材\"第3章第1節(jié)中的內(nèi)容，是對《生物學·必修2·遺傳與進化》中“DNA分子的結(jié)構(gòu)”及“基因表達\"等知識點的延伸和拓展。《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》）中對該部分的要求是“闡明DNA重組技術(shù)的實現(xiàn)需要利用限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具”]

“基因工程”相關(guān)知識點屬于微觀分子水平，內(nèi)容較為抽象，對于學生來說理解難度較大，僅靠教師講解，學生只能了解概念的皮毛，難以培養(yǎng)科學思維等生物學學科核心素養(yǎng)。[2][3]因此，筆者在進行教學設(shè)計時，嘗試以科研情境“螢火蟲發(fā)光樹”為主線，設(shè)置層層遞進的問題串，創(chuàng)設(shè)以任務(wù)為中心的資料情境，指導學生自主設(shè)計方案并結(jié)合方案構(gòu)建基因工程概念模型，引導學生主動參與并進行深度思考，發(fā)展學生歸納與概括、模型與建模的科學思維；通過介紹限制性內(nèi)切核酸酶的發(fā)現(xiàn)過程，引領(lǐng)學生體驗“假說一演繹”法，進而訓練學生演繹與推理的思維能力。學生通過小組合作和動手實踐等活動，模擬三種基本工具構(gòu)建重組DNA分子的物理模型，在活動中獲取知識、應(yīng)用知識，進一步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。在本節(jié)內(nèi)容的教學設(shè)計中，筆者以學生活動為中心、以問題驅(qū)動為導向、以發(fā)展科學思維為目的，且與《課程標準》中強調(diào)的\"教學過程重實踐\"相契合。

2教學目標

筆者依據(jù)《課程標準》中的內(nèi)容要求、學業(yè)要求及學業(yè)質(zhì)量標準，圍繞學生科學思維的發(fā)展要求，制定了如下教學目標。

（1）通過資料分析及問題驅(qū)動，嘗試寫出“螢火蟲發(fā)光樹\"的設(shè)計方案，進一步構(gòu)建基因工程的概念模型，培養(yǎng)歸納與概括、模型與建模的科學思維。

（2）通過分析限制性內(nèi)切核酸酶科學史，體驗“假說-演繹\"法，培養(yǎng)分析和解決問題的科學探究能力，進而提升演繹與推理及評判性思維等能力。

（3）通過模擬三種基本工具構(gòu)建重組DNA分子的物理模型，體會基因剪切、拼接的具體操作過程，提升小組合作和動手實踐的能力，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

（4）通過對“螢火蟲發(fā)光樹”和“腺病毒載體疫苗\"的學習，關(guān)注基因工程的熱門話題，認同基因工程的發(fā)展離不開理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。

3教學過程

3.1創(chuàng)設(shè)科研情境，激發(fā)學生的學習興趣

教師播放關(guān)于“螢火蟲發(fā)光樹\"未來將代替路燈的視頻，并提出問題： ① 科學家通過什么操作使植物發(fā)光？ ② 該方法是否可以使植物持續(xù)發(fā)光？ ③ 植物的發(fā)光性狀是否可以遺傳給后代？學生通過觀看視頻及小組討論給出答案：科研人員通過納米粒子將熒光素酶直接注入植物體內(nèi)使植物發(fā)光，但這種方法只能使植物持續(xù)發(fā)光四小時，并且植物這種發(fā)光性狀是不能遺傳給后代的。教師根據(jù)學生的回答進一步提出問題：能否設(shè)計一種無須反復(fù)注射熒光素酶即可讓植物發(fā)光的方案，進而培育會發(fā)光的樹，讓其在未來代替路燈？

設(shè)計意圖：教師利用真實的科研情境“螢火蟲發(fā)光樹\"這一熱點話題導入新課，激發(fā)學生的學習興趣，并通過問題引發(fā)學生深度思考，使教學在真實的科研情境中展開。

3.2構(gòu)建概念模型，發(fā)展學生的歸納及建模思維

資料一：螢火蟲之所以能發(fā)光，是因為螢火蟲發(fā)光細胞中的熒光素酶基因可指導合成熒光素酶，熒光素在ATP供能時會被激活，被激活的熒光素在熒光素酶的催化下發(fā)出熒光。

教師呈現(xiàn)資料一，引導學生通過小組討論嘗試描述初步的設(shè)計思路并構(gòu)建流程圖。接著，教師根據(jù)學生構(gòu)建的“螢火蟲發(fā)光樹\"流程圖（見圖1）提出問題：“這種對基因進行提取、導入等一系列操作的技術(shù)稱為什么？\"并以此引導學生自主構(gòu)建基因工程的概念模型。

資料二：真核細胞在自然狀態(tài)下往往難以接受外源DNA分子，即使吸收外源DNA也難以將其整合到自身的基因組上，還會將其降解。

教師呈現(xiàn)資料二，引導學生進一步思考： ① 能否將熒光素酶基因直接導入植物細胞？ ② 如何獲取熒光素酶基因？ ③ 如何將熒光素酶基因?qū)胫参锛毎?④ 為實現(xiàn)這一精確過程，應(yīng)選擇具有什么功能的工具對DNA分子進行操作？

設(shè)計意圖：教師結(jié)合資料分析，通過播放“螢火蟲發(fā)光樹”視頻及問題串驅(qū)動的方式，引導學生自主設(shè)計方案并結(jié)合方案構(gòu)建基因工程概念模型，發(fā)展學生歸納與概括、模型與建模的科學思維。在此基礎(chǔ)上，教師呈現(xiàn)資料二，使學生產(chǎn)生新的認知沖突，通過問題引發(fā)學生的深度思考，激發(fā)學生探索知識、解決問題的欲望，自然過渡到本節(jié)重點內(nèi)容一重組DNA技術(shù)的基本工具。

3.3依托“假說一演繹”法，訓練學生的演繹及批判思維

教師播放“沙門氏菌噬菌體侵染流感嗜血桿菌”相關(guān)實驗視頻，并通過實驗現(xiàn)象引導學生體會“假說-演繹”法的科學探究思路，幫助學生感知限制性內(nèi)切核酸酶的發(fā)現(xiàn)過程（見圖2）。教師據(jù)此提出問題串：① 限制性內(nèi)切核酸酶在原核生物中的主要作用是什么？ ② 為什么限制性內(nèi)切核酸酶不剪切原核生物自身的DNA？

設(shè)計意圖：教師播放“沙門氏菌噬菌體侵染流感嗜血桿菌\"相關(guān)實驗視頻，引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象提出問題、做出假設(shè)并設(shè)計實驗進行驗證。學生親歷“假說一演繹”法探究思路，感知限制性內(nèi)切核酸酶的發(fā)現(xiàn)過程，訓練、提升自身演繹與推理的科學思維。教師通過提出“為什么限制性內(nèi)切核酸酶不剪切原核生物自身的DNA\"這一問題，進一步訓練學生的批判性思維。

3.4.1模擬重組DNA分子活動“剪一剪”

學生活動一：結(jié)合導學案，以小組為單位思考并討論以下問題。

（1）觀察導學案中不同限制性內(nèi)切核酸酶的識別序列（見圖3），并分析限制性內(nèi)切核酸酶的識別序列有什么特點。

（2）根據(jù)限制性內(nèi)切核酸酶EcoRI識別序列的分子平面結(jié)構(gòu)圖，回憶DNA分子的結(jié)構(gòu)，理解限制性內(nèi)切核酸酶的作用特點。

設(shè)計意圖：教師引導學生回顧已學內(nèi)容，讓學生通過觀察、思考、分析、歸納與概括，理解限制性內(nèi)切核酸酶的識別序列和作用特點，培養(yǎng)學生的科學思維。

學生活動二：用剪刀模擬限制性內(nèi)切核酸酶獲取熒光素酶基因。

（1）“畫”：仔細觀察本組的兩個DNA片段模型紙板，找到并圈畫出限制性內(nèi)切核酸酶EcoRI的識別序列和切割位點（見圖4）。

（2）“剪”：將剪刀視為限制性內(nèi)切核酸酶EcoRI，對本組DNA片段進行剪切，從而獲取熒光素酶基因。

（3）“展”：小組代表展示切割結(jié)果，講述經(jīng)EcoRI剪切之后的切口的特點，并通過PPT呈現(xiàn)示意圖，進一步講解黏性末端和平末端的定義。

5'...TCTAGAATTC...熒光素...GAATTCTGCA...3 ..AGATCTTTAAG...酶基因...CTTAAGACGT...5' -GCATGCTACATGAATTCGGCATAC -CGTACGATGTACTTAAGCCGTATG-5'

設(shè)計意圖：學生用剪刀模擬限制性內(nèi)切核酸酶切割DNA片段獲得熒光素酶基因的過程。通過親自模擬操作，學生進一步理解和鞏固了限制性內(nèi)切核酸酶的作用特點。在實踐過程中，小組成員經(jīng)過相互質(zhì)疑及交流討論，最后觀點達成一致，培養(yǎng)了其批判性思維和合作探究能力。

3.4.2模擬重組DNA分子活動“連一連”

教師提出問題：剪切后的兩組序列是否能夠拼接起來？為什么？如何拼接？教師根據(jù)上述問題補充資料：將兩個片段拼接在一起需要一種連接工具一DNA連接酶。教師接著提出問題：DNA連接酶與DNA聚合酶的作用是否相同？有何區(qū)別？根據(jù)上述問題，教師引導學生完成以下活動。

學生活動三：閱讀導學案相關(guān)內(nèi)容，填寫表格，比較兩種不同的連接酶（見表1）。

學生活動四：以透明膠代表DNA連接酶，將熒光素酶基因與染色體DNA片段進行拼接。

設(shè)計意圖：學生利用透明膠模擬DNA連接酶，將熒光素酶基因與染色體DNA片段進行連接；通過任務(wù)驅(qū)動，在小組合作動手實踐的過程中學習知識，發(fā)揮主觀能動性，進而促進自身科學思維能力的發(fā)展；通過對DNA聚合酶和DNA連接酶的區(qū)別進行歸納、概括，提高和優(yōu)化自身認知水平。

3.4.3模擬重組DNA分子活動“拼一拼”

教師提出問題：已知熒光素酶基因難以進入植物細胞，進入后也較易丟失，那么外源基因該如何進入受體細胞？

資料三：1967年，科學家發(fā)現(xiàn)一種獨立于細菌擬核DNA之外且可以進行自我復(fù)制的環(huán)狀DNA分子—一質(zhì)粒，其可以在細菌之間轉(zhuǎn)移，是基因轉(zhuǎn)移的運載工具。

資料四：1967年，科學家在酵母菌內(nèi)第一次發(fā)現(xiàn)了真核細胞內(nèi)的質(zhì)粒，1977和1978年又相繼在玉米和一種絲狀真菌細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)粒。

教師呈現(xiàn)資料三和資料四。學生通過自主閱讀，明確質(zhì)粒是最常用的載體，其獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核之外。

教師提出問題：要使外源基因與載體連接，載體需要滿足哪些條件？攜帶外源基因的載體要進入受體細胞并穩(wěn)定存在，載體需要滿足哪些條件？人類無法用肉眼觀察到載體是否進入受體細胞，為了篩選重組質(zhì)粒，載體需要具備什么條件？如何通過標記基因?qū)χ亟MDNA分子進行篩選？

學生活動五：以小組為單位，動手實踐，模擬構(gòu)建重組DNA分子的物理模型；觀看腺病毒載體疫苗相關(guān)視頻，了解載體的其他類型。

設(shè)計意圖：教師通過問題驅(qū)動，引導學生分析作為載體需要滿足的條件，提升學生分析、推理、歸納及概括的能力。學生通過動手實踐構(gòu)建重組DNA分子的物理模型，將微觀、抽象的內(nèi)容具體化、形象化呈現(xiàn)，提高自身對三種分子工具的感性認知及關(guān)于其他類型載體的學習。教師介紹陳薇院士及其團隊在疫情防控期間研制的腺病毒載體疫苗，使學生更直觀地理解病毒也可以作為載體。教師利用熱門話題激發(fā)學生的學習熱情，使學生進一步認同基因工程與生活密切相關(guān)，培養(yǎng)其社會責任意識。

4教學反思

筆者搭建以任務(wù)為中心的科研情境“螢火蟲發(fā)光樹\"并使其貫穿整個教學過程，營造出以學生為中心的學習氛圍，激發(fā)學生的學習興趣；通過構(gòu)建概念模型，引導學生將事實轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍睿l(fā)展學生的歸納及建模思維；依托“假說一演繹\"法，訓練學生的演繹及批判思維；通過小組合作構(gòu)建重組DNA分子的物理模型，促進學生對微觀知識的感性認識和理解，強化學生的建模思維；通過情境資料將知識與生活熱點緊密聯(lián)系，讓學生進一步認同基因工程與生活密切相關(guān)這一觀點，培養(yǎng)學生的社會責任意識。教師通過五個環(huán)環(huán)相扣的教學活動，使學生的思維層層遞進、科學思維能力不斷提升、生物學學科核心素養(yǎng)不斷發(fā)展。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）M.北京：人民教育出版社，2020.

[2]路洪娜.指向社會責任培養(yǎng)的“重組DNA技術(shù)的基本工具\"教學設(shè)計J.生物學教學，2023，48（4）：49-52.

[3]呂甜甜.指向科學思維培養(yǎng)的\"重組DNA技術(shù)的基本工具\"教學設(shè)計[J.生物學教學，2022，47（2）：39-41.