核心素養(yǎng)理念下“基因工程”專題的教學(xué)構(gòu)思

周雅婷

【摘 要】本文基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，論述“基因工程”專題的教學(xué)構(gòu)思，開(kāi)闊學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生思考，倡導(dǎo)學(xué)生通過(guò)主動(dòng)思考、親自動(dòng)手操作，以提高生物學(xué)科素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng) 基因工程 現(xiàn)代信息技術(shù)

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2020）05B-0112-03

在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 版）》（以下簡(jiǎn)稱為《生物學(xué)課標(biāo)（2017 版）》）中提出以核心素養(yǎng)為宗旨的基本理念，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)要使學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。轉(zhuǎn)基因是一個(gè)熱門的社會(huì)話題，在高中生物學(xué)課程中稱為“基因工程”或“DNA 重組技術(shù)”，是全國(guó)卷選考題 38 題的熱門考點(diǎn)。該專題的學(xué)習(xí)內(nèi)容不僅涉及基因工程的科普性知識(shí)，而且涉及蛋白質(zhì)工程的基本常識(shí)。

一、課程標(biāo)準(zhǔn)的要求及教學(xué)目標(biāo)

（一）課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

《生物學(xué)課標(biāo)（2017 版）》中將其歸屬為選擇性必修課程模塊 3 生物技術(shù)與工程的內(nèi)容，與《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》（以下簡(jiǎn)稱為《生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》相比，《生物學(xué)課標(biāo)（2017 版）》中對(duì)該專題知識(shí)的學(xué)習(xí)要求更加明確、具體，內(nèi)容比較如下（表 1）。

基因工程是人教版高中生物選修 3 教材的第一個(gè)專題，主要講述基因工程的基本工具、基因工程的基本操作程序、基因工程的應(yīng)用以及基因工程的安全性等問(wèn)題?；蚬こ淌?20 世紀(jì) 70 年代興起的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，在經(jīng)過(guò)了 40 年的蓬勃發(fā)展，基因工程已日益成熟，是一項(xiàng)非常前沿的科學(xué)技術(shù)。目前廣西高中學(xué)生所用生物教材為人民教育出版社于 2003 年出版的教材，距今已經(jīng) 16 年。在此期間基因工程已經(jīng)有了飛速的發(fā)現(xiàn)，教材中所用的事例較久遠(yuǎn)，并且描述比較簡(jiǎn)單，不利于學(xué)生理解這項(xiàng)精尖的技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)媒體上，經(jīng)常有關(guān)于基因工程的謠言，引起學(xué)生對(duì)基因工程的誤解。信息技術(shù)如此發(fā)達(dá)的當(dāng)今，老師如何運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)整合基因工程這一專題課程，讓學(xué)生更準(zhǔn)確地了解基因工程的來(lái)龍去脈，在生活中正確對(duì)待基因工程這項(xiàng)技術(shù)以及基因工程產(chǎn)品，是一個(gè)重要的課題。

（二）教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)本專題的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)專題教學(xué)的目標(biāo)細(xì)化如下：

1.結(jié)合生活或生產(chǎn)實(shí)例，舉例說(shuō)出基因工程等生物工程及相關(guān)技術(shù)的基本原理（生命觀念）。

2.針對(duì)人類生產(chǎn)或生活的某一需求，在基因工程中選取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法，嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想，進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和制作（生命觀念、科學(xué)探究）。

3.面對(duì)日常生活或社會(huì)熱點(diǎn)話題中與生物技術(shù)和工程有關(guān)的話題，基于證據(jù)運(yùn)用生物學(xué)基本概念和原理，就生物技術(shù)與工程的安全與倫理問(wèn)題表明自己的觀點(diǎn)并展開(kāi)討論（科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任）。

二、教學(xué)策略和課時(shí)安排

基因工程作為前沿生物科學(xué)技術(shù)，其科學(xué)性和專業(yè)性很強(qiáng)。高中生物的教學(xué)要將復(fù)雜知識(shí)簡(jiǎn)單化，結(jié)合基因工程技術(shù)的最新應(yīng)用成果，開(kāi)闊學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生思考，將學(xué)習(xí)重點(diǎn)從死記硬背轉(zhuǎn)移到分析、批判和創(chuàng)新的科學(xué)探索上。本專題內(nèi)容主要為基因工程的原理和基本工具、基因工程的基本操作程序和基因工程的應(yīng)用。第一部分內(nèi)容采用“自主協(xié)助—探究”課型進(jìn)行授課。教師要善于創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，誘導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂活動(dòng)，多問(wèn)為什么，理解為什么需要限制酶、DNA 連接酶和載體三種工具。利用自制教具讓學(xué)生自主探究構(gòu)建重組 DNA 分子的操作過(guò)程，成功構(gòu)建一個(gè)成功插入目的基因的重組質(zhì)粒。第二部分采用“引導(dǎo)—探究”課型進(jìn)行授課，以轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉、發(fā)綠色熒光的小鼠，以及利用大腸桿菌生產(chǎn)人的生長(zhǎng)激素的設(shè)計(jì)方案為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生探究基因工程的基本操作程序。第三部分采用“自主學(xué)習(xí)—知識(shí)建構(gòu)”課型，組織學(xué)生搜集整理和分析相關(guān)的資料，了解基因工程最新的應(yīng)用成果，認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)在促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展的重要作用。

三、教學(xué)建議和教學(xué)方法

基因工程專題的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的基本理念，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主思考獲取知識(shí)，而不是死記硬背。

（一）基因工程的誕生和原理

以轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉為例介紹基因工程。棉鈴蟲(chóng)之所以叫做棉鈴蟲(chóng)，是因?yàn)樗鼤?huì)鉆到棉鈴中以棉鈴為食，也因此使得噴灑在棉鈴表面上的傳統(tǒng)的農(nóng)藥很難將它殺死，必須通過(guò)人工揪出來(lái)，但是這將耗費(fèi)大量的人力。有一個(gè)生物技術(shù)公司研制出了 Bt 生物農(nóng)藥，能夠有效地消滅棉鈴蟲(chóng)，其原理是棉鈴蟲(chóng)食用了蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生的 Bt 毒蛋白后會(huì)死亡。因此筆者將這則材料作為導(dǎo)入引入新課，提出設(shè)想，假設(shè)棉花植株也能夠產(chǎn)生這種 Bt 毒蛋白，那么它不是就能變成了抗蟲(chóng)棉花了嗎？然后講述我國(guó)的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉的研究過(guò)程。這樣通過(guò)查找資料，了解轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉的來(lái)龍去脈，創(chuàng)設(shè)情境，以實(shí)例讓學(xué)生理解基因工程技術(shù)的意義。這種結(jié)合科學(xué)史講述基因工程的誕生過(guò)程，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的興趣。

（二）基因工程的基本工具

以抗蟲(chóng)棉的制備過(guò)程為例，講述要使蘇云金芽孢桿菌的 Bt 毒蛋白基因?qū)朊藁ㄖ仓昙?xì)胞中能夠穩(wěn)定存在并遺傳給下一代所需要的基本工具為基本思路，依次介紹載體、限制酶和 DNA 連接酶，然后讓學(xué)生嘗試用紙質(zhì)教具動(dòng)手構(gòu)建插入目的基因的重組質(zhì)粒。具體教學(xué)過(guò)程如下：

1.載體。講述需要載體原因：因?yàn)槟康幕驘o(wú)法進(jìn)行自我復(fù)制，所以要將目的基因與能自我復(fù)制的載體結(jié)合，使目的基因能夠穩(wěn)定存在并表達(dá)。講述作為載體需要滿足的條件。用時(shí) 4 分鐘。

2.限制性核酸內(nèi)切酶。講述限制內(nèi)切酶概念，用圖片顯示大腸桿菌等細(xì)菌，說(shuō)明限制內(nèi)切酶的來(lái)源。簡(jiǎn)單介紹一種限制酶的識(shí)別序列和切割方式，說(shuō)明不同的限制酶識(shí)別序列和切割方式有所區(qū)別，提供印有幾種常見(jiàn)限制酶 DNA 識(shí)別序列的小紙片（見(jiàn)圖 1）。讓學(xué)生進(jìn)行個(gè)人活動(dòng)，將自己的手當(dāng)成不同的限制酶，切割 DNA 片段（畫線）?；顒?dòng)結(jié)束后，教師提問(wèn)：當(dāng)教師的手是限制酶，怎么切割？請(qǐng)全體學(xué)生將自己切割后的成果舉起來(lái)展示給大家看，并讓同學(xué)之間觀察自己的成果和別人是否有區(qū)別。如果發(fā)現(xiàn)不同那么一起進(jìn)行分析?？偨Y(jié)限制酶的兩種切割方式，切割后形成的兩種末端：黏性末端和平末端。用時(shí) 5 分鐘。

3.DNA 連接酶。講述兩種 DNA 連接酶來(lái)源、功能，讓學(xué)生進(jìn)行個(gè)人活動(dòng)，分別用訂書機(jī)當(dāng)作兩種 DNA 連接酶模擬其將限制酶切割后的末端進(jìn)行連接的過(guò)程，并進(jìn)行展示。用時(shí) 3 分鐘。

4.重組 DNA 分子的模擬操作活動(dòng)。給每個(gè)學(xué)生發(fā)放一套直觀教具，包括含目的基因的 DNA 片段、質(zhì)粒的 DNA 片段、限制酶（BamHI 酶、HindI 酶、EcoRI 酶等 3 種）、DNA 連接酶紙質(zhì)打印版教具。讓學(xué)生進(jìn)行個(gè)人活動(dòng)，分別只用一種限制酶、同時(shí)用兩種限制酶、同時(shí)用 3 種限制酶嘗試構(gòu)建能夠穩(wěn)定存在并表達(dá)的重組 DNA分子（既含目的基因又含質(zhì)粒 DNA 復(fù)制原點(diǎn)片段的環(huán)狀 DNA 片段，如圖 2 所示）。用時(shí) 5 分鐘。

5.小組總結(jié)。讓各小組進(jìn)行交流、總結(jié)組內(nèi)成員的操作過(guò)程及結(jié)果。用時(shí) 5 分鐘。

6.成果展示。

（1）教師讓學(xué)生展示只用一種限制酶構(gòu)建的操作過(guò)程及結(jié)果。發(fā)現(xiàn)只有用 EcoRI 酶才能成功地構(gòu)建重組的 DNA 分子，并且能夠得到 4 種重組 DNA 分子結(jié)構(gòu)。引導(dǎo)學(xué)生分析，得出結(jié)論 1：要使目的基因和質(zhì)粒連接成環(huán)狀 DNA 分子，必須要用限制酶使目的基因和質(zhì)粒 DNA 的兩端都形成兩個(gè)限制酶的黏性末端切口，使目的基因的黏性末端和質(zhì)粒 DNA 的黏性末端分別連接起來(lái)。用時(shí) 3 分鐘。

（2）教師讓學(xué)生展示同時(shí)用 2 種限制酶構(gòu)建的操作過(guò)程及結(jié)果。這再一次驗(yàn)證了結(jié)論 1，發(fā)現(xiàn)只有同時(shí)使用 BamHI 酶和 HindI 酶才能成功構(gòu)建重組 DNA，并且只能形成一種重組 DNA 分子。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析只用一種酶和同時(shí)用兩種酶的結(jié)果，得出結(jié)論 2：如果只用同一種限制酶（在目的基因兩端分別有一個(gè)酶切位點(diǎn)）來(lái)處理 DNA，那么構(gòu)建重組質(zhì)粒可能發(fā)生自身環(huán)化。但如果同時(shí)用兩種酶（兩種酶分別在目的基因一端有一個(gè)酶切位點(diǎn)）來(lái)處理 DNA，那么構(gòu)建重組質(zhì)粒不會(huì)發(fā)生自身環(huán)化，并且能固定目的基因接入質(zhì)粒的方向。用時(shí) 3 分鐘。

（3）教師讓學(xué)生展示同時(shí)用 3 種限制酶構(gòu)建的操作過(guò)程及結(jié)果。這能夠構(gòu)建目的基因與質(zhì)粒DNA 片段的重組 DNA 分子，但是不含有質(zhì)粒的復(fù)制原點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生分析，得出結(jié)論 3：必須使目的基因和含復(fù)制原點(diǎn)的質(zhì)粒片段兩端形成相同的黏性末端。用時(shí) 4 分鐘。

展示屠呦呦、青蒿的照片以及青蒿素的結(jié)構(gòu)式。教師運(yùn)用語(yǔ)言直觀介紹屠呦呦，她因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)并成功提取的青蒿素能夠有效治療世界級(jí)傳染病瘧疾而獲 2015 年諾貝爾獎(jiǎng)的事例。指出傳統(tǒng)植物提取的青蒿素產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，讓學(xué)生思考如何才能生產(chǎn)出更多青蒿素，從而提出以基因工程方式可以大量生產(chǎn)青蒿素以降低成本的實(shí)例導(dǎo)入新課。在直觀教學(xué)中，首先，創(chuàng)設(shè)情境，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并在一定程度上啟發(fā)學(xué)生科學(xué)思維。其次，在介紹三個(gè)基本工具時(shí)，教師用紙質(zhì)直觀教具演示限制酶如何識(shí)別特定序列，并對(duì) DNA 序列進(jìn)行切割;將剪切這一微觀抽象的過(guò)程具體化、形象化，促進(jìn)學(xué)生理解，并且讓學(xué)生自己嘗試用其他的限制酶進(jìn)行剪切，加深、檢驗(yàn)并鞏固學(xué)生對(duì)這一知識(shí)的理解、應(yīng)用。最后，讓學(xué)生嘗試用直觀教具構(gòu)建重組 DNA。設(shè)計(jì)好具體任務(wù)，難度層層加大，先自己完成再 4 人為一小組交流、總結(jié)個(gè)人的學(xué)習(xí)成果，教師再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析。

在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手嘗試構(gòu)建，鍛煉了學(xué)生科學(xué)探究能力，在一定程度上發(fā)展了學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)方法等核心素養(yǎng)。總而言之，本次教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)能夠較好地發(fā)揮學(xué)生的主體性，將問(wèn)題拋給學(xué)生，讓學(xué)生解決。當(dāng)學(xué)生解決不了的時(shí)候，讓學(xué)生通過(guò)小組合作的方式再嘗試解決。當(dāng)學(xué)生無(wú)法解決的時(shí)候，教師再進(jìn)行引導(dǎo)。任務(wù)的設(shè)置層層遞進(jìn)，這種設(shè)置遵循維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論。在教學(xué)中，堅(jiān)持以核心素養(yǎng)為宗旨，保持實(shí)踐為重的基本理念。

（三）基因工程的基本操作程序與應(yīng)用

通過(guò)抗蟲(chóng)棉的制備、乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥用蛋白、利用大腸桿菌或酵母菌生產(chǎn)人的生產(chǎn)素和以腺病毒作為載體對(duì)人類遺傳病進(jìn)行治療的實(shí)例，講述基因工程的基本操作程序和應(yīng)用。

（四）基因工程的安全和倫理問(wèn)題

轉(zhuǎn)基因是一個(gè)非常熱門的話題，我們可以通過(guò)這個(gè)話題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。完成基因工程課程學(xué)習(xí)之后，學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)基因持怎么樣的觀點(diǎn)？他們?cè)鯓尤ニ伎嫁D(zhuǎn)基因這項(xiàng)技術(shù)所帶來(lái)的利與弊？是否具備思考問(wèn)題的科學(xué)思維以及作為一個(gè)普通公民應(yīng)該承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任？

在學(xué)習(xí)基因工程的原理以及應(yīng)用之后，布置任務(wù)讓學(xué)生去思考，應(yīng)不應(yīng)該支持基因工程這項(xiàng)技術(shù)？查閱基因工程的相關(guān)資料，再次確認(rèn)自己的觀點(diǎn)和論據(jù)，用 100～200 字簡(jiǎn)述自己的觀點(diǎn)和論據(jù)作為作業(yè)上交。在課堂上，教師抽取 7～8 位同學(xué)，讓他們用一分鐘的時(shí)間講述自己的觀點(diǎn)和論據(jù)，再問(wèn)其他同學(xué)是否有補(bǔ)充。

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源很豐富，在網(wǎng)上搜索可以找到很多有關(guān)資料。展示網(wǎng)絡(luò)上反轉(zhuǎn)基因的文章以及崔永元的觀點(diǎn)（崔永元認(rèn)為應(yīng)該維護(hù)公眾知情權(quán)，遇到標(biāo)注轉(zhuǎn)基因的食品他絕對(duì)不吃，堅(jiān)持無(wú)條件反轉(zhuǎn)基因），挺轉(zhuǎn)基因的文章以及方舟子觀點(diǎn)（方舟子宣稱要?jiǎng)?chuàng)造條件無(wú)下限挺轉(zhuǎn)基因的事例），說(shuō)的各有各的道理，應(yīng)該如何去辨析呢？

引導(dǎo)學(xué)生當(dāng)在自媒體平臺(tái)上看到例如《如果你有能力請(qǐng)不要選擇添加了亞鐵氰化鉀的食鹽》《得癌癥的有救了，空前絕后這個(gè)竟痊愈，發(fā) 1 次，救人無(wú)數(shù)》《重磅，美國(guó)癌癥疫苗研發(fā)成功》等文章時(shí)，我們的第一反應(yīng)是“好恐怖，居然有這樣的事情，快轉(zhuǎn)發(fā)給朋友、親人看看”，還是思考“真的嗎？是不是科學(xué)權(quán)威發(fā)的，快去查查”。對(duì)于科學(xué)知識(shí)，我們是不是應(yīng)該多看看官方科學(xué)權(quán)威的信息呢？轉(zhuǎn)基因可以說(shuō)是一項(xiàng)專業(yè)要求很高的科學(xué)技術(shù)，崔永元不是這方面專業(yè)的科學(xué)研究人員，方舟子的專長(zhǎng)也不是轉(zhuǎn)基因技術(shù)方面，對(duì)轉(zhuǎn)基因安全性這個(gè)專業(yè)性科學(xué)問(wèn)題是不是應(yīng)該更多地參考科研人員發(fā)表的觀點(diǎn)？展示《人民日?qǐng)?bào)》《科普中國(guó)》《果殼網(wǎng)》等官方權(quán)威平臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)基因謠言的澄清，展示論述轉(zhuǎn)基因的利與弊的文章與袁隆平先生的觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)基因作為一項(xiàng)新興技術(shù)，既有利也有弊，我們要利用這項(xiàng)技術(shù)去改善社會(huì)生產(chǎn)。在此過(guò)程中，對(duì)它不安全的一面要謹(jǐn)慎對(duì)待，嚴(yán)格把控。通過(guò)探討轉(zhuǎn)基因的安全性以及是否應(yīng)該支持轉(zhuǎn)基因這一個(gè)話題去培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

轉(zhuǎn)基因有這么大的爭(zhēng)議，那么我們?yōu)槭裁催€要開(kāi)發(fā)這一項(xiàng)技術(shù)呢？展示全球糧食危機(jī)、傳統(tǒng)藥物生產(chǎn)無(wú)法滿足社會(huì)需要等問(wèn)題。轉(zhuǎn)基因技術(shù)為解決這些危機(jī)開(kāi)創(chuàng)了新的思路，如果沒(méi)有轉(zhuǎn)基因技術(shù)更多的人將會(huì)由于缺乏食物、藥物等資源而死亡。在這種情況下，作為社會(huì)公民我們要了解轉(zhuǎn)基因的利與弊，正確對(duì)待這項(xiàng)技術(shù)。

本文基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求、學(xué)生的實(shí)際學(xué)情以及基因工程專題的邏輯關(guān)系，將教材內(nèi)容進(jìn)行重新整合，將學(xué)科教學(xué)與信息技術(shù)深度融合，讓學(xué)生主動(dòng)思考、親自動(dòng)手操作，在獲取知識(shí)的同時(shí)提高其生物核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]核心素養(yǎng)研究課題組.中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)[J].中國(guó)教育學(xué)刊，2016（10）.

[2]黃志堅(jiān)，陳小清.“重組DNA分子模擬操作”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織[J].生物學(xué)通報(bào)，2013，48（12）.

[3]周艷俠.直觀生物教學(xué)芻議[J].成功（教育），2013（22）.

[4]朱偉華.淺談直觀教學(xué)在生物教學(xué)中應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（34）.

[5]李小梅.實(shí)物、模象、言語(yǔ)三種直觀在生物學(xué)知識(shí)中的合理運(yùn)用[J].科學(xué)教育，2004（6）.

（責(zé)編 盧建龍）