基于模型建构的高中生物学项目化教学实践——以“基因工程赋予生物新的遗传特性”为例

沈露霞

(浙江省德清县第一中学 浙江湖州 313200)

项目化学习(Project-Based Learning, PBL)是一种建构性的教与学方式,与传统教学模式的区别在于其强调以学习者为中心,教师基于真实情境提出问题,将学习任务项目化,学生利用相关知识开展探究性学习和实践操作,包括模型建构等活动,最终解决问题并展示和分享项目成果,从而提升生物学学科核心素养。 教育部在《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称《课程标准》)中明确指出,要重视对学生学科核心素养的培育,要求学生在高中生物学学习过程中逐步发展科学思维,能基于生物学事实和证据运用模型与建模等方法,探讨、阐释生命现象及规律。

因此,教师认为模型建构能高效促进项目化学习成果的达成。 下文以浙科版新教材《选择性必修3·生物技术与工程》第四章第一节“基因工程赋予生物新的遗传特性”为例,探讨如何在高中生物学课堂中以模型建构为基础达成项目化教学。

1 借助真实情境确立项目化学习目标

《课程标准》指出,真实有效的教学情境可以激发学生的学习热情和求知欲。 因此,考虑到教学内容的抽象性以及学生的认知和兴趣,教师可选择与生活息息相关的真实情境来确立项目化学习目标。

在本次教学中,教师播放了“全球第一个基因工程药物——胰岛素”的视频,该视频明确指出从牛或猪的胰脏中提取的胰岛素存在含量少且会引发人体免疫反应两大问题,从而引出:后期科学家利用基因工程技术和大肠杆菌获得了价格低廉且疗效好的人胰岛素,拯救了大批糖尿病患者。 该情境与当前糖尿病患病率与日俱增的社会现状紧密联系,引起学生共鸣及思考。 教师此时借助该情境确立本次项目化学习目标:①探索利用大肠杆菌生产人胰岛素的方法,明确该方法得以实现的理论依据和条件,领悟基因工程赋予生物新的遗传特性。 ②小组合作探究,利用模型建构的方法,将微观操作可视化,推测出获得转基因大肠杆菌与人胰岛素的基本操作程序和所需工具,解决操作过程中的难题,发展科学思维,进一步内化“基因工程”的理论依据。 ③总结“基因工程”操作步骤,体会现代生物技术的空前发展,提升解决实际问题的意识和能力,增强社会责任感。

2 围绕核心素养设计项目化问题

教师需要围绕核心素养,将项目化学习目标转换并设计为一系列有层次、有意义和有挑战性的问题,即核心问题、驱动问题等。 核心问题是引领整个项目内容的问题,是一类能充分激发学生学习兴趣与思考的问题。 驱动问题则是项目化学习展开的灵魂,往往能对项目化学习的过程和结果产生直接影响,是能引发学生思考讨论、自主探究和推动学生问题解决的关键性问题。 本课程设计的核心问题为:假如你是一名科研工作者,将会如何利用大肠杆菌生产人胰岛素呢? 学生针对该问题,基于现有知识储备,主动思考,可得出将人胰岛素基因转移到大肠杆菌体内(转基因)的想法,也就是本课程的项目主题内容。 教师给予肯定并继续引导学生,且教师设计了一系列环环相扣的驱动问题,以助于项目化教学的顺利进行。

3 基于模型建构实施项目化过程

模型一般分为物理模型、概念模型和数学模型。本次项目化过程实施中,教师主要利用物理模型和概念模型分析获得转基因大肠杆菌的基本操作步骤,包括获取人胰岛素基因(目的基因)、构建重组DNA 分子、将重组DNA 分子导入大肠杆菌(受体细胞)、检测目的基因及其表达产物四步。 教师要求学生分组合作,通过利用模型建构和配合学案,引导学生层层攻破各个步骤中的项目化驱动问题,再加以师生共同的过程式评价,教师促进学生充分理解并掌握“基因工程”的相关知识,提高课堂教学效率,从而更好地达成项目化学习目标。

3.1 获取人胰岛素基因(目的基因)

教师设问:①基因的本质是什么? ②人胰岛素基因存在于人体什么细胞中? ③是不是所有人体细胞都能分泌胰岛素? ④如何获得相应的人胰岛素基因?

学生以小组的形式,结合《必修2·遗传与进化》所学的知识,思考并讨论,快速解决前三个问题。 而对于第四个问题,在前三个问题答案的铺垫下,学生能够顺利答出:需要将胰岛素基因所在的DNA 序列片段独立切割下来。 此时,教师可引出分子剪刀——限制性内切核酸酶(限制酶)的概念,即一种剪切DNA 的工具。 接着,教师通过动画演示某一限制酶切割DNA 序列的过程,并要求学生模拟动画过程:以事先准备的剪刀作为限制酶,用其对教师提前制作并打印的不同限制酶识别序列(图1)的纸质物理模型进行剪切。 操作过程中,教师要求学生思考以下问题:①限制酶的识别序列有什么特点? ②限制酶切断的是DNA 的什么化学键? ③同一种限制酶切出来的末端相同吗? 学生可顺利完成此项活动并解决以上问题,此时,教师可简要归纳黏性末端与平末端两个概念,以便学生理解。

图1 不同限制酶识别序列的物理模型图

教师继续追问:限制酶之所以能如此精确地剪切人胰岛素基因的原因是什么? 即限制酶本身有什么特点?

结合上述开展的模型建构,学生容易回答出:限制酶具有专一性,不同的限制酶具有不同的识别序列和切割位点,因而可以实现精准剪切。

教师要求学生根据事先打印的“含人胰岛素基因的一段DNA 序列”的纸质物理模型(图2),思考并分析利用什么限制酶能将模型中的人胰岛素基因准确剪切下来。 各小组合作操作并交流后,教师邀请各小组代表分享组内成果并说明理由,同时要求组内和组间相互评价并补充。 最终所有学生明确两种方案:①BamH I 酶。 ②BamH I 酶和EcoR I 酶。 教师给予肯定及鼓励。

图2 含人胰岛素基因的DNA 序列物理模型图

3.2 构建重组DNA 分子

教师设问:由“BamH I 酶”或“BamH I 酶和EcoR I 酶”剪切获得的人胰岛素基因能直接运输到大肠杆菌体内并顺利合成胰岛素吗?

学生回答不能,理由是目的基因不存在自主转运功能,并联系《必修2·遗传与进化》中“基因控制蛋白质合成”的相关知识点,明确要使目的基因转录和翻译,在该基因所在的DNA 序列中还需要存在启动子和终止子等相关信号。 教师充分肯定学生回答,并引出:要实现转运功能,需要一个运输工具——载体,而常用的载体是环状质粒。 教师根据预先设计并制作的质粒载体(图3),继续指出要将人胰岛素基因连接在载体上,才能使其伴随载体进入大肠杆菌,从而引出连接工具——DNA 连接酶,教师用动画演示其作用机理,以供学生理解。 最终教师进一步强调“构建重组DNA 分子”是基因工程中最关键的步骤。

图3 预先设计的环状质粒物理模型图

教师要求学生以小组为单位,思考并讨论选择哪种(或哪几种)限制酶分别剪切人胰岛素基因和大肠杆菌质粒,再让学生尝试根据质粒载体模型和订书机或胶带(充当DNA 连接酶)动手构建人胰岛素基因与大肠杆菌质粒的重组DNA 分子物理模型。 学生充分讨论与操作后,各小组代表展示与分享各自方案与模型建构的成果,组内与组间进行补充与评价。 教师的目的在于使学生能准确抽提关键信息和正确构建与解释模型内涵。 最终所有学生达成一致,明确两种方案:①分别用BamH I 酶切割目的基因和载体。 ②分别用BamH I 酶和EcoR I 酶共同切割目的基因和载体。 教师给予肯定并引导学生继续观察和思考两种方案是否存在优缺点,从而帮助学生明确“构建重组DNA 分子”时存在的目的基因与载体的自身环化与反向连接问题。

3.3 将重组DNA 分子导入大肠杆菌(受体细胞)

教师设问:①什么是载体? ②载体需要具备什么重要特征? ③结合所学知识思考,能将重组DNA分子导入大肠杆菌的载体除了质粒,还可以是什么?④倘若要将重组DNA 分子导入动植物细胞能否依靠质粒? ⑤如何确保目的基因的复制与表达? ……

教师根据以上驱动问题并结合教材,要求学生继续以小组合作的方式在学案上归纳出关于载体的概念模型(图4),使学生进一步明确能将人胰岛素基因顺利导入大肠杆菌并使其表达产生胰岛素所依靠的关键工具是“载体”。 传统教学中,学生对概念的记忆往往是机械的死记硬背和反复记忆,遗忘率高。 本次教学中,学生在真实情境的铺垫下,构建概念模型来诠释概念的内容、本质和特点,可以加深对抽象概念的记忆,提升科学思维能力和知识应用能力。

图4 关于“载体”的种类、特征及作用的概念模型图

3.4 检测目的基因及其表达产物

教师设问:①通过质粒载体将重组DNA 分子导入大肠杆菌的概率是百分之百吗? ②如何检测大肠杆菌中已含有人胰岛素基因? ③即使人胰岛素基因已进入大肠杆菌,是否一定能产生胰岛素? ④如何检测人胰岛素基因是否表达? ……

教师根据以上驱动问题并结合教材,同时回顾《必修2·遗传与进化》“基因控制蛋白质合成”的相关知识点,要求学生再次以小组合作的探究方式在学案上归纳出关于“目的基因及其表达产物的检测方法”的概念模型(图5),并让学生进行充分地讨论、梳理与内化。

4 运用多元模式评价项目化成果

教学评价应以学生发展为本,以生物学课程内容和《课程标准》为依据,聚焦学科核心素养,促进教师的教和学生的学。 《课程标准》要求教师重视教学评价,强调创建一个有利于学生全面发展的多元模式生物学课程评价体系。 所谓多元模式评价,指的是评价主体、评价方式、评价过程、评价目标和评价策略等的多元化,即既关注学生学业成就又重视个体进步和多方面发展,这种评价往往具有多层次性。 因此,在项目化教学实践中,教师应更加致力于践行多元模式评价,多关注学生的实际情况,促使各个层次的学生均能在现有基础上获得高效发展,提升学生的综合能力。

教师针对本次“基因工程赋予生物新的遗传特性”课程制定了评价量表,见表1,该表直观地体现了评价主体的多元化,不再只有教师对学生的单向评价,还有学生自评和学生互评,甚至教师还可以设计学生对教师进行评价等多种形式。 此外,在课堂实施过程中,评价标准的多元化体现在教师对于学生的回答不是直接判断对错,而是给予鼓励和引导,教师由易到难层层设问,让学生体会并思考解决问题的过程而获得极大的成就感与满足感。 评价内容的多元化体现在评价不仅仅针对知识点的记忆与理解,而是针对不同的教学内容,如学生是否能完整构建出课程相关的概念模型和物理模型、是否能真正参与小组探究性学习活动、是否有良好的学习态度和学习习惯、是否能针对社会热点问题(如转基因产品的安全性)展开讨论并表达自己的看法等。 多元模式的评价体系往往使课堂气氛更活跃,有利于促进教学效果和学生生物学学科核心素养的提升。

表1 “基因工程赋予生物新的遗传特性”教学评价量表

5 反思与总结

在本次以“基因工程赋予生物新的遗传特性”为例的项目化教学实践中,教师还可继续引导学生展开思辨:①为什么科学家会想到利用大肠杆菌来大量生产胰岛素,大肠杆菌有什么特点? ②能否通过动物细胞工程培养大量的胰岛B 细胞来生产胰岛素? ③利用基因工程获得的转基因大肠杆菌所生产的胰岛素,与人体内的胰岛素完全相同吗? 这些问题可以促进学生继续进行深度思考、分析并展开辩论,训练学生的语言组织能力与表达能力,发展学生的批判性思维。

总之,本次项目化学习主要基于物理模型与概念模型的构建,借助系列驱动问题,运用多元评价体系,促进学生发散联想,层层深入,实现《选择性必修3·生物技术与工程》和《必修2·遗传与进化》中交叉知识的迁移与运用。 在课堂实施中,学生参与转基因大肠杆菌的制备过程,提升科学探究与科学思维能力,增强解决社会实际问题的能力,进而发展了生物学学科核心素养。