核心素养理念下“基因工程”专题的教学构思

2020-09-12 14:08:20 广西教育·B版 2020年5期

周雅婷

【摘 要】本文基于核心素养的培养,论述“基因工程”专题的教学构思,开阔学生思维,引导学生思考,倡导学生通过主动思考、亲自动手操作,以提高生物学科素养。

【关键词】核心素养 基因工程 现代信息技术

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889(2020)05B-0112-03

在《普通高中生物学课程标准(2017 版)》(以下简称为《生物学课标(2017 版)》)中提出以核心素养为宗旨的基本理念,学科核心素养是学科育人价值的集中体现,强调要使学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。转基因是一个热门的社会话题,在高中生物学课程中称为“基因工程”或“DNA 重组技术”,是全国卷选考题 38 题的热门考点。该专题的学习内容不仅涉及基因工程的科普性知识,而且涉及蛋白质工程的基本常识。

一、课程标准的要求及教学目标

(一)课程标准的要求

《生物学课标(2017 版)》中将其归属为选择性必修课程模块 3 生物技术与工程的内容,与《普通高中生物课程标准(实验)》(以下简称为《生物课程标准(实验)》相比,《生物学课标(2017 版)》中对该专题知识的学习要求更加明确、具体,内容比较如下(表 1)。

基因工程是人教版高中生物选修 3 教材的第一个专题,主要讲述基因工程的基本工具、基因工程的基本操作程序、基因工程的应用以及基因工程的安全性等问题。基因工程是 20 世纪 70 年代兴起的一项科学技术,在经过了 40 年的蓬勃发展,基因工程已日益成熟,是一项非常前沿的科学技术。目前广西高中学生所用生物教材为人民教育出版社于 2003 年出版的教材,距今已经 16 年。在此期间基因工程已经有了飞速的发现,教材中所用的事例较久远,并且描述比较简单,不利于学生理解这项精尖的技术。在网络媒体上,经常有关于基因工程的谣言,引起学生对基因工程的误解。信息技术如此发达的当今,老师如何运用现代信息技术整合基因工程这一专题课程,让学生更准确地了解基因工程的来龙去脉,在生活中正确对待基因工程这项技术以及基因工程产品,是一个重要的课题。

(二)教学目标

根据本专题的内容标准,对专题教学的目标细化如下:

1.结合生活或生产实例,举例说出基因工程等生物工程及相关技术的基本原理(生命观念)。

2.针对人类生产或生活的某一需求,在基因工程中选取恰当的技术和方法,尝试提出初步的工程学构想,进行简单的设计和制作(生命观念、科学探究)。

3.面对日常生活或社会热点话题中与生物技术和工程有关的话题,基于证据运用生物学基本概念和原理,就生物技术与工程的安全与伦理问题表明自己的观点并展开讨论(科学思维、社会责任)。

二、教学策略和课时安排

基因工程作为前沿生物科学技术,其科学性和专业性很强。高中生物的教学要将复杂知识简单化,结合基因工程技术的最新应用成果,开阔学生思维,引导学生思考,将学习重点从死记硬背转移到分析、批判和创新的科学探索上。本专题内容主要为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应用。第一部分内容采用“自主协助—探究”课型进行授课。教师要善于创设问题情境,诱导学生积极参与课堂活动,多问为什么,理解为什么需要限制酶、DNA 连接酶和载体三种工具。利用自制教具让学生自主探究构建重组 DNA 分子的操作过程,成功构建一个成功插入目的基因的重组质粒。第二部分采用“引导—探究”课型进行授课,以转基因抗虫棉、发绿色荧光的小鼠,以及利用大肠杆菌生产人的生长激素的设计方案为任务驱动,引导学生探究基因工程的基本操作程序。第三部分采用“自主学习—知识建构”课型,组织学生搜集整理和分析相关的资料,了解基因工程最新的应用成果,认识科学技术在促进生产力发展的重要作用。

三、教学建议和教学方法

基因工程专题的教学设计应贯彻培养学生生物学核心素养的基本理念,引导学生通过自主思考获取知识,而不是死记硬背。

(一)基因工程的诞生和原理

以转基因抗虫棉为例介绍基因工程。棉铃虫之所以叫做棉铃虫,是因为它会钻到棉铃中以棉铃为食,也因此使得喷洒在棉铃表面上的传统的农药很难将它杀死,必须通过人工揪出来,但是这将耗费大量的人力。有一个生物技术公司研制出了 Bt 生物农药,能够有效地消灭棉铃虫,其原理是棉铃虫食用了苏云金芽孢杆菌产生的 Bt 毒蛋白后会死亡。因此笔者将这则材料作为导入引入新课,提出设想,假设棉花植株也能够产生这种 Bt 毒蛋白,那么它不是就能变成了抗虫棉花了吗?然后讲述我国的转基因抗虫棉的研究过程。这样通过查找资料,了解转基因抗虫棉的来龙去脉,创设情境,以实例让学生理解基因工程技术的意义。这种结合科学史讲述基因工程的诞生过程,能够有效地激发学生的兴趣。

(二)基因工程的基本工具

以抗虫棉的制备过程为例,讲述要使苏云金芽孢杆菌的 Bt 毒蛋白基因導入棉花植株细胞中能够稳定存在并遗传给下一代所需要的基本工具为基本思路,依次介绍载体、限制酶和 DNA 连接酶,然后让学生尝试用纸质教具动手构建插入目的基因的重组质粒。具体教学过程如下:

1.载体。讲述需要载体原因:因为目的基因无法进行自我复制,所以要将目的基因与能自我复制的载体结合,使目的基因能够稳定存在并表达。讲述作为载体需要满足的条件。用时 4 分钟。

2.限制性核酸内切酶。讲述限制内切酶概念,用图片显示大肠杆菌等细菌,说明限制内切酶的来源。简单介绍一种限制酶的识别序列和切割方式,说明不同的限制酶识别序列和切割方式有所区别,提供印有几种常见限制酶 DNA 识别序列的小纸片(见图 1)。让学生进行个人活动,将自己的手当成不同的限制酶,切割 DNA 片段(画线)。活动结束后,教师提问:当教师的手是限制酶,怎么切割?请全体学生将自己切割后的成果举起来展示给大家看,并让同学之间观察自己的成果和别人是否有区别。如果发现不同那么一起进行分析。总结限制酶的两种切割方式,切割后形成的两种末端:黏性末端和平末端。用时 5 分钟。

3.DNA 连接酶。讲述两种 DNA 连接酶来源、功能,让学生进行个人活动,分别用订书机当作两种 DNA 连接酶模拟其将限制酶切割后的末端进行连接的过程,并进行展示。用时 3 分钟。

4.重组 DNA 分子的模拟操作活动。给每个学生发放一套直观教具,包括含目的基因的 DNA 片段、质粒的 DNA 片段、限制酶(BamHI 酶、HindI 酶、EcoRI 酶等 3 种)、DNA 连接酶纸质打印版教具。让学生进行个人活动,分别只用一种限制酶、同时用两种限制酶、同时用 3 种限制酶尝试构建能够稳定存在并表达的重组 DNA分子(既含目的基因又含质粒 DNA 复制原点片段的环状 DNA 片段,如图 2 所示)。用时 5 分钟。

5.小组总结。让各小组进行交流、总结组内成员的操作过程及结果。用时 5 分钟。

6.成果展示。

(1)教师让学生展示只用一种限制酶构建的操作过程及结果。发现只有用 EcoRI 酶才能成功地构建重组的 DNA 分子,并且能够得到 4 种重组 DNA 分子结构。引导学生分析,得出结论 1:要使目的基因和质粒连接成环状 DNA 分子,必须要用限制酶使目的基因和质粒 DNA 的两端都形成两个限制酶的黏性末端切口,使目的基因的黏性末端和质粒 DNA 的黏性末端分别连接起来。用时 3 分钟。

(2)教师让学生展示同时用 2 种限制酶构建的操作过程及结果。这再一次验证了结论 1,发现只有同时使用 BamHI 酶和 HindI 酶才能成功构建重组 DNA,并且只能形成一种重组 DNA 分子。引导学生对比分析只用一种酶和同时用两种酶的结果,得出结论 2:如果只用同一种限制酶(在目的基因两端分别有一个酶切位点)来处理 DNA,那么构建重组质粒可能发生自身环化。但如果同时用两种酶(两种酶分别在目的基因一端有一个酶切位点)来处理 DNA,那么构建重组质粒不会发生自身环化,并且能固定目的基因接入质粒的方向。用时 3 分钟。

(3)教师让学生展示同时用 3 种限制酶构建的操作过程及结果。这能够构建目的基因与质粒DNA 片段的重组 DNA 分子,但是不含有质粒的复制原点。引导学生分析,得出结论 3:必须使目的基因和含复制原点的质粒片段两端形成相同的黏性末端。用时 4 分钟。

展示屠呦呦、青蒿的照片以及青蒿素的结构式。教师运用语言直观介绍屠呦呦,她因为发现并成功提取的青蒿素能够有效治疗世界级传染病疟疾而获 2015 年诺贝尔奖的事例。指出传统植物提取的青蒿素产量远远不能满足需要,让学生思考如何才能生产出更多青蒿素,从而提出以基因工程方式可以大量生产青蒿素以降低成本的实例导入新课。在直观教学中,首先,创设情境,有效激发学生学习兴趣,并在一定程度上启发学生科学思维。其次,在介绍三个基本工具时,教师用纸质直观教具演示限制酶如何识别特定序列,并对 DNA 序列进行切割;将剪切这一微观抽象的过程具体化、形象化,促进学生理解,并且让学生自己尝试用其他的限制酶进行剪切,加深、检验并巩固学生对这一知识的理解、应用。最后,让学生尝试用直观教具构建重组 DNA。设计好具体任务,难度层层加大,先自己完成再 4 人为一小组交流、总结个人的学习成果,教师再引导学生进行分析。

在这个过程中,学生通过动手尝试构建,锻炼了学生科学探究能力,在一定程度上发展了学生科学思维和科学方法等核心素养。总而言之,本次教学过程的设计能够较好地发挥学生的主体性,将问题抛给学生,让学生解决。当学生解决不了的时候,让学生通过小组合作的方式再尝试解决。当学生无法解决的时候,教师再进行引导。任务的设置层层递进,这种设置遵循维果斯基的最近发展区理论。在教学中,坚持以核心素养为宗旨,保持实践为重的基本理念。

(三)基因工程的基本操作程序与应用

通过抗虫棉的制备、乳腺生物反应器生产药用蛋白、利用大肠杆菌或酵母菌生产人的生产素和以腺病毒作为载体对人类遗传病进行治疗的实例,讲述基因工程的基本操作程序和应用。

(四)基因工程的安全和伦理问题

转基因是一个非常热门的话题,我们可以通过这个话题,培养学生的科学思维和社会责任素养。完成基因工程课程学习之后,学生对转基因持怎么样的观点?他们怎样去思考转基因这项技术所带来的利与弊?是否具备思考问题的科学思维以及作为一个普通公民应该承担的社会责任?

在学习基因工程的原理以及应用之后,布置任务让学生去思考,应不应该支持基因工程这项技术?查阅基因工程的相关资料,再次确认自己的观点和论据,用 100~200 字简述自己的观点和论据作为作业上交。在课堂上,教师抽取 7~8 位同学,让他们用一分钟的时间讲述自己的观点和论据,再问其他同学是否有补充。

现在网络资源很丰富,在网上搜索可以找到很多有关资料。展示网络上反转基因的文章以及崔永元的观点(崔永元认为应该维护公众知情权,遇到标注转基因的食品他绝对不吃,坚持无条件反转基因),挺转基因的文章以及方舟子观点(方舟子宣称要创造条件无下限挺转基因的事例),说的各有各的道理,应该如何去辨析呢?

引导学生当在自媒体平台上看到例如《如果你有能力请不要选择添加了亚铁氰化钾的食盐》《得癌症的有救了,空前绝后这个竟痊愈,发 1 次,救人无数》《重磅,美国癌症疫苗研发成功》等文章时,我们的第一反应是“好恐怖,居然有这样的事情,快转发给朋友、亲人看看”,还是思考“真的吗?是不是科学权威发的,快去查查”。对于科学知识,我们是不是应该多看看官方科学权威的信息呢?转基因可以说是一项专业要求很高的科学技术,崔永元不是这方面专业的科学研究人员,方舟子的专长也不是转基因技术方面,对转基因安全性这个专业性科学问题是不是应该更多地参考科研人员发表的观点?展示《人民日报》《科普中国》《果壳网》等官方权威平台对转基因谣言的澄清,展示论述转基因的利与弊的文章与袁隆平先生的观点。转基因作为一项新兴技术,既有利也有弊,我们要利用这项技术去改善社会生产。在此过程中,对它不安全的一面要谨慎对待,严格把控。通过探讨转基因的安全性以及是否应該支持转基因这一个话题去培养学生的科学思维。

转基因有这么大的争议,那么我们为什么还要开发这一项技术呢?展示全球粮食危机、传统药物生产无法满足社会需要等问题。转基因技术为解决这些危机开创了新的思路,如果没有转基因技术更多的人将会由于缺乏食物、药物等资源而死亡。在这种情况下,作为社会公民我们要了解转基因的利与弊,正确对待这项技术。

本文基于核心素养的培养要求、学生的实际学情以及基因工程专题的逻辑关系,将教材内容进行重新整合,将学科教学与信息技术深度融合,让学生主动思考、亲自动手操作,在获取知识的同时提高其生物核心素养。

【参考文献】

[1]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊,2016(10).

[2]黄志坚,陈小清.“重组DNA分子模拟操作”的实验教学组织[J].生物学通报,2013,48(12).

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[4]朱伟华.浅谈直观教学在生物教学中应用[J].科技创新导报,2013(34).

[5]李小梅.实物、模象、言语三种直观在生物学知识中的合理运用[J].科学教育,2004(6).

(责编 卢建龙)