基于生物学核心素养的“基因工程的基本操作程序”教学设计

  摘 要 以“基因工程的基本操作程序”一节为教学案例,通过分析能体现生物学核心素养的教学内容、制订指向生物学核心素养的教学目标和设计落实生物学核心素养的教学过程,探讨如何开展立足于培养学生生物学核心素养的中学生物教学。

  关键词 生物学核心素养;基因工程;操作程序;教学设计

  生物学核心素养是通过学习生物学的知识和技能、常用的思维与科学探究的方法等而习得的重要观念、必备品格和关键能力。《普通高中生物学课程标准(征求意见稿)》里明确提出:生物学核心素养包括生命观念、理性思维、科学探究和社会责任四个要素。如何开展以生物学核心素养为导向的中学生物教学是现在生物学教育工作者十分关注的问题。本文将以“基因工程的基本操作程序”一节为教学案例,对这一问题进行初步探讨。

  1. 分析能体现生物学核心素养的教学内容

  1.1 分析推理,理性思考

  本节的内容是高中学生学习的一个难点,是在必修模块相关知识和经验基础上的提升,并且由于基因工程操作是微观的分子水平,无法用肉眼观察得到,这给学生的学习和理解也带来了一定的难度。在教学时,可以设计一些具有启发性的问题,引导学生逐步分析基因工程每一步操作的必要性以及操作的对象、方法和原理;还可以让学生利用已有知识来进行判断、推理,如根据DNA复制的相关知识,推出PCR反应需要的条件等,从而促进他们理性思维能力的发展,避免“死记硬背”的学习方式。

  1.2 创设情境,科学探究

  素养是在个体与情境的有效互动中生成的。[1]在教学过程中合理地创设情境并且选择合适的情境素材,不仅能提高学生学习的趣味性,增强学习的效果,还能对学生生物学核心素养的形成产生积极的作用。基因工程的成果丰硕,可以应用的有价值的情境资源是非常多的。在讲授基因工程的基本步骤时,就可以结合现实生活中的基因工程产品,如某种转基因植物、基因工程药物、基因工程菌等的产生过程来进行讲解。之后,可以再创设一个问题情境,让学生运用所学知识来设计获得某一基因工程产品的方案,从而使他们将整个基因工程的操作流程有机地串联起来,加深对基因工程的认识和理解。在设计方案的过程中,还可以引伸出一些问题让学生进行探究。例如,学生可能会设计不同的获取目的基因的方法,这时就可以让他们探究这些方法是否可行,如果可行还可以比较它们的优缺点等。学生独立开展探究活动往往存在一些困难,教师应当给予一定的引导和启发。

  1.3 升华认识,担当责任

  基因工程不仅是生命科学领域研究的热点,也受到了全社会的广泛关注。学生在学习本节内容之前,可能已经通过媒体、他人的介绍和评论等对基因工程有了感性的认识。教师在引导学生学习基因工程的基本操作程序的基础上,应该要再升华学生的情感。一方面,要让学生认同我国在基因工程领域取得的瞩目成就,培养他们的民族自豪感和自信心;另一方面又要使学生认识到基因工程可能带来安全性问题,它的应用对我们人类来说既是机遇也是挑战,关键是如何正确对待和合理利用,同时还应该思考我们可以从哪些方面来提高基因工程的安全性,这些都是对学生“社会责任”素养的培养。

  2. 制订指向生物学核心素养的教学目标

  我们可以从生物学核心素养的几个方面来制订以下教学目标。

  理性思维

  ● 通过对细胞内DNA复制过程、参与DNA复制的各种组分和反应条件的分析,能理解PCR的原理,并推出PCR反应所需的条件;

  ● 能根据基因表达的过程,推出目的基因检测与鉴定的几种方式;

  ● 能运用流程图的形式概括出基因工程的基本操作程序。

  科学探究

  ● 针对人类生产或生活中的某一需求,能选取适当的基因工程技术和方法,设计获得某一转基因产品的方案并就其中的某些问题展开探究。

  社会责任

  ● 面对日常生活或社会热点话题中与基因工程有关的话题时,能基于基因工程的基本原理和操作流程,表达自己的观点;

  ● 认同基因工程给我们的生产、生活带来的正面影响,能理性对待基因工程技术及其产物。

  值得一提的是,生物学核心素养的四个要素并不是孤立存在的,而是一个相互联系、相互支撑的整体。每一个教学目标的设定也不一定只指向某一核心素养。例如,在让学生设计获得某一转基因产品的方案时(科学探究),肯定要考虑其中涉及的安全性问题(社会责任)。另外,笔者制订的本节的教学目标中虽然没有提到生命观念,但是之前学的一些能反映结构与功能观的内容是本节课的知识基础,在教学中我们可以找到这些纵向衔接的点,来贯通这一素养的。例如,在必修模块,学习了DNA分子的双螺旋结构使它能够通过碱基互补配对进行精确的复制,这渗透了结构与功能观,在进行本节PCR原理的讲解时,就可以联系这一点来展开;在前面一节,了解了基因工程中使用的载体的基本结构:具有限制酶切割位点使得外源DNA能够插入其中,具有标记基因使得我们能够鉴定和筛选重组体等,这同样体现了结构与功能观,在本节讲基因表达载体的构建时,就可以联系这些内容来介绍基因表达载体的其他组成部分,从而加深学生对结构与功能观的认识。

  3. 设计落实生物学核心素养的教学过程

教学环节

教学设计

设计说明

指向素养

引入新课

介绍转基因抗虫棉的产生背景和推广应用的情况,并利用这一情境,提出问题“你知道转基因抗虫棉抗虫的机理是什么吗?培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤?”让学生分析讨论。

创设情境,提出问题

转基因抗虫棉是我国科学家自主取得的重大科技成果,了解相关知识背景能增强学生的民族自豪感和自信心,提出的问题又可以启迪学生思维,激他们的求知欲。

社会责任

理性思维

讲解基因工程的基本操作程序

讲解基因工程的基本操作程序

1目的基因的获取

紧接着导入部分提到的培育转基因抗虫棉,介绍什么是目的基因,培育转基因抗虫棉的目的基因是什么,并引申介绍科学家如何筛选培育转基因抗虫棉需要的目的基因、筛选时要考虑哪些问题,如安全性问题等。

让学生阅读从基因文库中获取目的基因的方法,教师适当点拨即可。

重点讲解如何利PCR技术获取和扩增目的基因。

先让学生回顾之前学习过的DNA复制的相关知识,引导学生讨论、演绎推理出PCR反应需要的条件:模板、原料、引物和DNA合酶。

然后结合教材中的“PCR反应原理示意图”,对其原理进行一步一步深入分析。

最后通过一个可以在网上进行虚拟PCR实验的网站,让学生亲自尝试PCR实验操作。

培育转基因抗虫棉的情境贯通基因工程操作程序的教学,这样有助于引导学生在今后的学习中,联系真实的情境主动地去发现、去探究、去创造。

PCR技术的原理和操作本课教学的难点,设计时采用了多种教学方式相结合。

演绎推理,化难为易

教师引导学生一起讨论、推出PCR反应的条件,这样有助于学生理解;通过推理演绎,还能培养他们理性思维的能力。

图文结合,深刻阐述

借助图片,分析讲解PCR的原理,抽象文字转变为具体图像,在一定程度上降低了学习的难度。

数字资源,助力学习

让学生亲自操作的交互式的虚拟实验,不仅丰富了老师的课堂教学,让课堂“动”起来,“活”起来,还可能使每个学生都有了操作的机会,充分调动了他们的学习积极性,并能帮助他们进一步掌握PCR技术

理性思维

2.基因表达载体的构建

让学生思考回答教材旁栏中的问题:“将生物的所有DNA直接导入受体细胞不是更简便吗?如果这么做,效果会怎样?

教师给出一张基因表达载体模式图,让学生观察它的构成并根据教材内容说明各个元件的作用。之后,结合前一节中介绍的几种DNA重组技术的基本工具,指导学生利用这些工具,自主构建培育转基因抗虫棉的基因表达载体。

巧设冲突,促进思维

这是一个引发学生认知冲突的问题,让学生思考解决这个问题,其实就是让他们明白这步操作的目的。

前后衔接,有效整合

学生在自主构建载体的过程中就能厘清所学知识,并进行有效的整合和应用。

理性思维

3.将目的基因导入受体细胞

向学生介绍将目的基因导入棉花细胞以及其他植物细胞的方法,有花粉管通道法、农杆菌转化法等。

让学生阅读将目的基因导入动物细胞和微生物细胞的方法,教师适当点拨。

点面结合,适度拓展

高中生物学教育的着力点之一是要全面提高学生的科学素养,而不是培养生物学专业人才,因此教学要注重学科的基础性,不能一味追求知识的深度。虽然完成这步操作的方法有多种,但是教学根据培育抗虫棉这一主线,只介绍了将目的基因导入棉花细胞和其他植物细胞的方法;然后再拓展到面,让学生简单了解目的基因导入动物细胞、微生物细胞的方法即可。

4.目的基因的检测与鉴定

结合前面学过的基因表达的过程,引导学生推出可以从哪几个水平进行检测与鉴定。

运用旧知,探求新知

让学生经历这样一个思维的过程远比单纯记忆结论的价值要大得多。

理性思维

小结

小结

让学生运用流程图的形式概括出基因工程的基本操作程序,之后教师再进行补充。

随着转基因抗虫棉的广泛种植,科学家推测棉铃虫可能会对Bt毒蛋白产生抗性,作为有责任心的科学家,在没有发现棉铃虫出现抗性之前,就会想办法应对。由此引发学生讨论基因工程的安全性问题。

教师总结:基因工程可能带来安全性问题(包括环境安全、生态安全、食品安全等),在面对来自媒体和他人关于基因工程安全性问题的不同观点时,我们要能够运用自己掌握的生物学知识进行辨析,形成理性、科学、客观的评价能力。

梳理概括,提升认识

这一环节能培养学生总结概括的能力,也是对本课重要内容的一个梳理。

前面在讲培育转基因抗虫棉目的基因的筛选时提到过目的基因的安全性问题,这里再次讲到安全性是对前面内容的呼应和提升。让学生联系基因工程的安全性问题进行讨论,可以激发学生的社会责任意识,拥有强烈的社会责任感,才能最终成为社会需要的人才。

理性思维

社会责任

练习

利用本章章引言中“可以使烟草生产我们人类需要的药物蛋白”这一情境,让学生设计一个用烟草表达重组人胰岛素原的方案(如下)。

设计探究,理解巩固

该练习不仅是对知识的巩固,也体现了学以致用的学习宗旨。另外,不同的学生会有不同的设计方案,可以让他们交流讨论,比较方案的优缺点,课后还可以继续查阅资料,探究完善方案。

科学探究

  通过对“基因工程的基本操作程序”一节教学内容的分析和设计,我们可以看到:找到能体现生物学核心素养的教学内容,教学就有了着力点;明确培养生物学核心素养的教学目标,教学就有了方向;创设情境、设计启迪学生思维的问题和培养学生科学探究能力的活动等使得学生发展生物学核心素养得到真正的落实。生物学核心素养的形成不同于知识和技能的习得,难以“立竿见影”,我们应该让它像“润物细无声”的春雨那样渗透在整个教学的过程中。未来,立足学生生物学核心素养,生物学课程建设的探索与实践一定会全面推进,这将带给我们新的憧憬与期待。

  参考文献

  [1] 柳夕浪. 2014. 从“素质”到“核心素养”——关于“培养什么样的人”的进一步追问. 教育科学研究,3:5-11.

  作者简介:刘丹(1987—),女,博士研究生学历,高级编辑,E-mail:liud@pep.com.cn

  联系电话:13811680268 / 010-58758358

  工作单位:人民教育出版社生物室

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