指向工程學思維發展的生物學教學策略研究

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

《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》）中提到，教學過程重實踐，學生應通過探究性學習活動或完成工程學任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神。人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》以下簡稱“教材\"）是由原先的普通高中課程標準實驗教科書《生物·選修1·生物技術實踐》和《生物·選修 現代生物科技專題》融合而成，將生物技術和工程實踐進行了融合，二者相互滲透共同發展。《課程標準》要求學生在完成相關模塊的學習后，能夠結合生活或生產實例，舉例說出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，選取恰當的技術和方法，嘗試提出初步的工程學構想，進行簡單的設計和制作；面對日常生活或社會熱點話題中與生物技術和工程學有關的話題，基于證據運用生物學基本概念和原理，依據生物技術與工程學的安全與倫理表明自己的觀點并展開討論。教師在開展相關模塊內容的教學過程中應聚焦引導學生在系統掌握生物學知識和理論的基礎上，從工程實踐角度來樹立工程學意識，從而發展學生的創造性思維、理性思維、批判性思維等高階思維。

1指向工程學思維發展的生物學教學策略

工程學思維的出發點是基于人類生產、生活中的某種需求或從工程實踐中提出工程學問題，并進行問題分析—方案設計—實施—方案優化—再實施，最終獲得滿意的產品。學生工程學思維的發展依賴于情境問題的創設。教師將學生置于某種特定的、系統的工程學情境中，讓學生依托實際的工程學問題開展實踐探究活動，并提供實際可行的解決方案。教學的設計可按照工程學實踐經歷，即工程設計、工程實施和工程消費應用三個階段的基本流程（見圖1）進行，以此激發學生對生物學學科的興趣，促進學生完整知識體系的構建，促進學生工程學思維和生物學學科核心素養的發展。

1.1工程設計階段

工程設計是運用科學知識和方法，有目標地創造工程產品的過程，是對工程的構思和設想，這一階段側重于培養學生的創造性思維和籌劃性思維。教師以實際工程項目為主線創設大情境，使課程內容情境化。學生基于實際公共問題，了解市場需求及相關技術發展狀況等信息，并根據項目目標和產品特性選擇合適的技術路線，進行工藝流程圖的設計。

教師通過真實的工程學任務，引導學生運用工程學思維解決生活中的實際問題，以此調動學生的積極性、提升學生的參與感。

1.2 工程實施階段

工程實施階段要解決的問題其實就是工程的目標，讓學生意識到實現目標需要面臨的困難與挑戰，并針對問題提出可實施的方案。此時的工程學思維應該從單純的工程設計轉變為考慮項目的穩定性、安全性、可控性、簡便性等方面，其中權衡性思維和優化性思維是核心。學生要能夠認識工程系統的復雜性和多樣性，對多個方案進行系統分析和比較，以尋求最佳解決方案。學生的工程學思維應包括能針對某一具體技術問題進行要素分析、整體規劃，或用簡易建模等方法進行模擬，并進行進一步評估和綜合決策；在實踐過程中發現問題，及時對實踐方案進行優化修正，直至獲得較好的實踐方案。]

1.3工程消費應用階段

工程進入消費應用階段，消費者會對其安全性、有效性、經濟性等各個方面進行檢驗和評價。這不僅包括基礎的工程技術操作，還涉及項目管理、質量控制、成本效益分析、風險管理等方面的實踐，更需意識到工程項目中的倫理責任和意識形態。學生需從系統的角度出發，全面考慮工程項目中的各個環節和因素，以實現整體工程的最優設計。

2教學案例“基因工程的基本操作程序”

“基因工程的基本操作程序\"是教材第3章的核心內容，具有承上啟下的作用。該節內容體現了對前一節所介紹的“分子工具\"的綜合運用，涉及的技術和操作流程又為學習后一節基因工程的應用奠定了基礎。筆者依托“乙肝疫苗的工業化生產\"這一實際工程問題，按照工程實踐經歷，即工程設計、工程實施和工程消費應用三個階段的基本流程設計教學過程（見圖2），以此激發學生對生物學學科的興趣，促進學生完整知識體系的構建和工程學思維的發展。

2.1創設工程情境，完成初步構想

本節課教師以某患者的檢驗報告單進行導入，學生發現其乙肝表面抗原為零，而乙肝表面抗體數值很大。教師進一步追問：該患者是否患有乙肝？造成這種現象的原因是什么？學生不難想到出現這種現象的原因是患者注射了乙肝疫苗。教師介紹乙肝的危害和嬰兒出生后需要注射三次乙肝疫苗，并提出問題：針對市場對乙肝疫苗需求量較大的問題，可以采取什么方法快速、大量地制備乙肝疫苗？學生小組合作討論，開展活動簡述利用基因工程技術制備乙肝疫苗的主要步驟。通過閱讀資料，學生能夠總結概括制備乙肝疫苗的基本流程：獲取抗原基因一與載體拼接，構建表達載體一導入酵母菌一表達抗原基因，進而完成對生產乙肝疫苗的初步設計。

2.2解決工程問題，發展工程學思維

教師列出初步設計環節需要解決的四個問題：① 如何獲取抗原基因？ ② 如何構建表達載體？ ③ 如何將抗原基因導入酵母菌？ ④ 如何對抗原基因的表達產物進行鑒定？

2.2.1獲取抗原基因

教師向學生展示登錄GenBank網站查找基因序列的過程。學生利用GenBank網站查找抗原基因序列，查找過程中積極投入，動手體驗，最終呈現抗原基因序列。學生觀察查找到的基因序列，發現該基因只有276bp，相對較小，可以使用DNA合成儀進行人工合成。這種互動式的學習方式不僅能讓學生獲得使用在線工具檢索和分析基因序列的技能，還能使其深刻感受到生物信息學的獨特魅力和廣闊應用前景，從而有效激發學生的學習興趣和學習動力。

2.2.2基因表達載體的構建

教師提出問題：獲得足夠量的抗原基因后，是否能夠將其直接導入酵母菌？學生回答：游離抗原基因在細胞內容易被分解，且不能自我復制。教師以此引出構建基因表達載體的目的，接著進一步設問：質粒作為載體，需要具備哪些條件？學生基于已學知識回答：復制原點、酶切位點及標記基因。教師進一步補充：為了讓目的基因能夠正常表達并發揮作用，還需要在目的基因兩端加上啟動子和終止子。學生閱讀教材了解啟動子和終止子的概念，并和易混淆的起始密碼子、終止密碼子概念進行比較辨析。

教師繼續提問：有了質粒作為載體，如何實現與目的基因的拼接？教師呈現抗原基因片段和pPIC9K質粒的模式圖，提供活動材料：質粒模型、含有抗原基因的DNA片段紙條、剪刀、作為DNA連接酶的標簽紙（見圖3）。學生合作交流，選取合適的限制酶，構建基因表達載體。構建過程中，教師應引導學生思考以下問題： ① 限制酶的識別序列、切割位點分別是什么？ ② 選擇什么限制酶進行切割？有幾種不同的方案？ ③ 最終構建的表達載體是否相同？教師請小組代表上臺講述限制酶的選擇方案、展現成果，并讓其他小組進行補充、完善和評價。最后，學生總結出：單酶切會出現反向拼接、質粒自身環化、目的基因自身環化等情況，而雙酶切則能避免該問題，因此雙酶切的效果更好。

教師通過設置問題引導并鼓勵學生從項目的穩定性角度出發，分析、提出使DNA分子穩定存在并表達的解決方案。基因表達載體的構建是在分子水平上對DNA分子進行操作的過程，教師可以利用構建模型的方法，將理論設想轉化為可視化模型，讓學生更加直觀地感受限制酶切割DNA分子、目的基因與質粒連接的過程。學生在實踐過程中能夠積極發揮創造性思維，嘗試性地使用不同限制酶組合，自主生成多種方案并比較權衡。這種主動探索、發現和理解知識的方式，與傳統的被動接受知識的方式相比，更能加深學生對知識本身的理解，使其更好地掌握知識的內在聯系。

2.2.3將抗原基因導入酵母菌

教師引導學生閱讀資料并選取恰當的基因導入方法。教師進一步追問：為什么要選擇酵母菌作為受體細胞，而不用結構更為簡單的大腸桿菌？通過分析資料，學生得出原因：大腸桿菌沒有復雜的細胞器，不能對蛋白進行糖基化修飾；原核細胞環境不適合專性寄生于真核生物的乙肝病毒包膜蛋白的表達；酵母菌具有分泌型表達模式，其產物易于純化、培養基低廉、安全性好。

通過分析資料，學生能夠了解到不同方法的優缺點和局限性，并針對不同的實驗條件和需求進行權衡和選擇。選擇酵母菌而不是大腸桿菌作為受體細胞，是基于其獨特的生物學特性和研究需求做出的決策。這樣的討論有助于學生更加全面地理解基因工程技術的本質，思考和尋找解決問題的新方法和新途徑。

2.2.4抗原基因的檢測與鑒定

教師提出問題：抗原基因導入酵母菌后是否能夠成功表達，該如何檢測？應依據什么原理進行檢測？學生小組合作討論，闡述利用抗原一抗體雜交原理檢測基因是否成功表達的基本流程，并與之前所學內容相聯系，思考抗原一抗體雜交原理在實際問題中的應用，培養自身解決實際問題的能力。教師進一步梳理基因工程構建重組酵母菌的基本操作程序及工業化大批量生產乙肝疫苗的工藝流程，幫助學生系統地理解從重組細胞到產品生產的每一個環節。

2.3評估工程應用，強化優化性思維

教師引導學生閱讀開發三代乙肝疫苗的相關資料并思考：工業化生產乙肝疫苗，需要考慮哪些方面的問題？學生總結得出需要考慮以下方面： ① 疫苗的安全性和來源的確定性； ② 疫苗的有效性和持久性； ③ 疫苗的副作用大小； ④ 疫苗價格需低廉，符合大眾消費水平。

教師在此過程中培養學生系統思考的能力，提升學生對工程項目整體性和復雜性的認識，提高學生工程實踐的綜合水平。學生在此過程中能夠意識到生物工程及相關技術在不斷地修正和發展，進而強化工程實踐中的優化性思維。

3結語

工程學思維側重應用自然科學規律來解決實際問題，強調的是實際應用和創新優化。同時，工程學思維也更加注重思考方式的系統性和權衡性，強調綜合考慮各種因素和相互關系以找到最佳解決方案。教師在生物學教學中培養學生的工程學思維，可以幫助學生更好地理解和應用生物學知識，提高其解決實際問題的能力，同時也能夠為其未來的科學研究和學習生活奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1]劉丹.人教版高中《生物技術與工程》教材對于培養工程學思維的價值J.生物學教學，2021，46（8）：9-12.