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发展学科核心素养的选择性必修3《生物技术与工程》教材介绍     

发展学科核心素养的选择性必修3《生物技术与工程》教材介绍


刘丹(人民教育出版社课程教材研究所)

 

   发展学生的学科核心素养是人教版普通高中教科书生物学选择性必修3《生物技术与工程》编写的宗旨。教材从关注运用生命观念理解生物技术和工程原理,解决生物技术和工程问题;促进科学思维、技术思维与工程思维的多元发展;注重在实践中发展学生的科学探究能力;立足技术与工程的发展,培养学生的责任担当等方面全面落实了发展学科核心素养的要求。

关键词  学科核心素养;高中生物学;选择性必修3;教材编写

 

生物学学科核心素养是生物学课程育人价值的集中体现。人教版普通高中教科书生物学选择性必修3《生物技术与工程》将落实发展学科核心素养要求的理念贯穿教材编写的始终,内容的选择、栏目的设置、习题的设计等都与学生核心素养的发展相统一。下面从核心素养的4个方面对教材的编写情况进行介绍和说明。

1 关注生命观念的运用

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》指出,生物技术与工程模块涉及的4个大概念既是对必修内容的扩展和应用,又是对生物技术和工程的认识和理解[1]。联系比概念更为上位的观念层次,本模块对学生生命观念素养发展的要求也更高,侧重于让学生运用生命观念来理解生物技术和工程的原理,进而指导解决一些生物技术和工程问题。

1.1   运用生命观念理解生物技术和工程原理

教材中的不少生物技术和工程距离学生的生活经验较远,原理比较抽象、难懂。如果结合已经形成的生命观念去理解就容易得多。例如,教材在微生物的培养技术及应用一节本节聚焦中引导学生关注"怎样运用生物与环境相适应的观点来理解选择培养的原理,结合正文从热泉中筛选出水生栖热菌的例子,学生很快就能明白:由于水生栖热菌能适应高温的环境,所以能在热泉中生存。同理,能适应选择培养基环境的细菌就能在该培养基上生存,不能适应这种环境的细菌就不能生长。教材在动物细胞工程一节介绍动物细胞培养的条件时指出:动物机体提供了充足的营养、稳定的内环境等适宜的条件,才能使体内的细胞维持正常的生命活动,这体现了稳态与平衡观。运用这一观念学生就不难理解为什么体外培养细胞需要提供适宜它生长的环境,如适宜的温度、pH、气体环境等。

除了教材中比较显性地运用了生命观念的地方外,还有很多技术和工程的原理,也可以结合生命观念去理解。例如,教材在介绍微生物培养、植物组织培养、动物细胞培养等技术时,都提到人工提供适宜的营养基质(培养基)可以满足它们的生长需求,这体现了生命的物质性,运用生命的物质观可以帮助学生深化认识和理解。动物体细胞核移植技术的原理、基因表达载体的构建等都体现了结构对功能的影响,是结构与功能观的应用。对于基因工程原理的理解,则可结合生命的信息观,即生命是一个信息系统,基因是遗传信息的携带者,它既可以纵向地在亲代和子代之间传递,也可以横向地在不同物种之间转移。基因工程通过人工改造生物的遗传信息,赋予生物新的遗传特性,如用重组DNA技术可以让不同物种进行遗传信息的交流,获得新的重组基因。而之所以能进行这样的操作,又与生命的统一性——所有生物共用一套遗传密码是分不开的,这可以帮助学生进一步理解生命多样性和统一性的辩证关系。

1.2   运用生命观念解决生物技术和工程问题

在理解生物技术和工程原理的基础上,同样可以运用生命观念来解决相应的生物技术和工程问题。例如,教材微生物的培养技术及应用一节,无论是让学生设计从土壤中分离分解尿素的细菌的培养基配方,还是设计从土壤中分离纤维素分解菌的实验方案,都要运用生物与环境相适应的观点;动物细胞工程一节的习题中探讨了与大熊猫保护、北方白犀牛繁育有关的问题,这都涉及人与自然、人与社会协调发展的生态观的运用;重组DNA技术的基本工具一节旁栏中提出推测限制酶存在于原核生物中的主要作用的问题,可以从进化与适应的角度来分析。

2 促进思维的多元发展

科学、技术与工程涉及3种不同的社会实践活动,与此相对应的科学思维、技术思维与工程思维是3种不同类型的思维方式[2]。虽然生物学学科核心素养只包括了科学思维,但是通过本模块的学习发展学生的技术思维和工程思维,对于他们基于科学原理认识和探讨生物技术并将其应用于造福人类的工程实践具有重要意义。本册教材综合渗透了科学思维、技术思维与工程思维的培养。

2.1  科学思维

对学生而言,加强科学思维的训练有3个基本点:(1)培养学生批判质疑的精神和态度;(2)培养学生的证据意识、获取证据的能力、评价证据的能力;(3)培养学生逻辑思维的严谨性、全面性、深刻性和流畅性[3]。教材通过思维训练”“辩论会栏目、节后习题等涵盖了以上3个方面的科学思维训练。教材中一共安排了两个思维训练评估论点的可信程度意在引导学生运用所学的知识,结合获得的证据去批判质疑吃水果酵素'可以美容、减肥、促进消化和提高免疫力的论点,训练学生的批判性思维;评估获取证据的难度通过让学生评估证明转基因食品安全或不安全哪个获取所需证据的难度大,提高学生的评估论断能力,并启发他们理性地参与转基因技术及相关问题的讨论。辩论会同样也是引导学生基于证据理性参与转基因食品是否安全的讨论。教材特意指出了辩论时的注意事项,从而让学生明白,辩论时既要学会获取和运用证据,又要懂得甄别证据,并要进行合客观、合逻辑的推理判断。

2.2  技术思维

技术思维是人类在技术研发、创新、应用等过程中进行的一系列思维活动。技术思维的过程是:需求分析→技术反思→技术原理→技术建构→技术系统[2]。教材对一些技术的介绍就体现了这一思维路径。例如,基因工程(重组DNA技术)一章先提出了培育抗虫棉的需求;然后指出用转基因技术可以培育抗虫棉,这一技术是在DNA分子水平上进行设计和施工;接着介绍了构成技术的若干要素,如限制酶、连接酶、载体等;再进一步讲解了利用这些要素来建构基因工程的基本操作流程。技术往往具有一定的标准和规范,因此,技术思维具有严谨性。教材中让学生进行微生物纯培养、分离与计数以及植物组织培养的实验,有的强调了技术涉及的安全准则,有的提示学生要进行规范的无菌操作、设置对照组、做好标记等,这些都有助于训练学生的规则意识,培养思维的严谨性。除了通过学习新技术来感悟技术思维外,更重要的还是要让学生学会应用技术思维来解决实际生活中的问题。教材动物细胞工程胚胎工程两节的习题中让学生选择使野驴复生的可行方案、思考运用现代生物技术人工繁育北方白犀牛等就反映了这一理念。

2.3   工程思维

工程思维是指人类在工程实践过程中所进行的思维活动。它是一种以系统分析和比较权衡为核心的筹划性思维[4]。教材在正文中有渗透工程思维的内容,在栏目中提出了一些启发工程思维的问题,在习题中也考虑了训练学生的工程思维。以发酵工程及其应用一节为例。正文部分介绍发酵工程的基本环节时,指出现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统,能对发酵过程中的多种参数进行监测和控制,并能进行反馈控制,使发酵全过程处于最佳状态,这体现了工程实施环节对工程项目的稳定性、可控制性等方面进行的考虑。紧接其后的思考•讨论——发酵工程基本环节分析栏目提出的问题能启发学生的工程思维,让他们认识到工程实施的每一个环节都有严格的工艺要求;在工程实施过程中,必须从稳定性、可控制性、对生态环境友好等方面不断地进行调整和完善,以实现工程的可持续发展。培养学生的工程思维还包括让他们针对某一工程问题进行简单的风险评估、综合决策等。本节最后让学生评估生产燃料乙醇增加粮食短缺的风险,提出规避风险措施的习题就可以训练学生评估风险的能力。

3 注重在实践中发展科学探究的能力

自上一轮课程改革以来,发展学生的科学探究能力一直是生物学课程的核心任务之一。新教材继承了原教材中的很多探究性实验,并对原来的探究、实验、模型建构等栏目进行了整合,统一名称为探究实践,即探究实践栏目涵盖验证性实验、探究活动等多种实践活动。

本册教材中一共有6探究实践土壤中分解尿素的细菌的分离与计数活动采用了探究式的叙述方式,引导学生从提出问题、设计实验、实施方案、分析与评价结果等逐步进行探究,提升科学探究能力。为了鼓励学生亲自动手参与,教材提高了探究实践的可行性。例如,提供了选择培养基的配方和若干资料给学生设计实验以启示,设有操作提示帮助学生规范操作、有序开展探究等。传统发酵食品的制作菊花的组织培养是两个具有工程实践性质的活动,活动的结果都是获得产品。在这两个活动中,教材拓宽了探究的渠道,让材料的选择具有开放性,学生可以选择不同的食材制作泡菜、果酒和果醋或接种不同的植物进行组织培养。教材还将探究的内容延伸到学生的生活中,让他们在生活中进行实践。例如,学习了制作泡菜的方法,教材提示学生可以查阅资料,体验制作不同风味的泡菜;掌握了植物组织培养的操作,教材介绍了手指植物,让学生在课后尝试制作。这样,学生在收集资料、设计方案获得产品的探究过程中,他们的实践能力和创新能力也都得到了培养。

4 立足技术与工程的发展培养责任担当

生物技术、工程与人们的社会生活联系紧密。本册教材在组织内容时充分体现了生物技术、工程与社会之间的互动,每节都以从社会中来的栏目开篇,到社会中去的栏目结束,并且在介绍技术和工程的应用时涵盖了大量的实例,从而引导学生关注生物技术与工程发展的成果对社会和个人生活产生的影响,思考运用它们来解决生产生活中的问题,探讨相关的社会议题等,发展学生的社会责任素养。

4.1  介绍我国生物技术与工程发展的成果,激发学生成才报国的使命感

随着我国生物技术的飞速发展,我国科学家在国际舞台上的影响力越来越大,取得了很多举世瞩目的成果。教材中就增加了不少我国生物技术与工程发展的成果。例如,科学家访谈采访了杨焕明院士,介绍了他的研究团队完成了中国人、大熊猫、水稻等的基因组测序和研究工作,以及自主研发生产了测序仪;介绍发酵工程的应用时,提到我国是发酵大国,生物发酵产业的产品总量位居世界第一;在细胞工程一章开篇的科技探索之路中,增加了我国科学家用诱导多能干细胞培育出小鼠、培育世界上第一个用单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿,以及体细胞克隆猴的研究成果;对于2017年轰动世界的科研进展——体细胞克隆猴的培育,教材不仅用这一素材创设了情境来引入章节教学,还创编了习题,教材同样以我国科学家首次获得诺贝尔奖的研究成果——青蒿素的提取和应用为素材创编了习题;在基因工程一章的科技探索之路中则增加了朱作言院士团队培育世界首例转基因鱼的研究成果;在基因工程的应用一节介绍了我国转基因作物的种植情况等。这一项项成果无不彰显着我国科技创新的活力和实力,可以涵养学生的家国情怀,也必然会激励着他们发奋学习,增长才干,报效祖国。

4.2  让学生尝试通过生物技术和工程设计来解决生产生活中的问题,提升责任担当能力

无论是研发、改进技术,还是进行工程实践,最终目的都是帮助人类解决生产生活中的问题,造福人类。教材设计了很多具有真实问题情境的课后习题,给学生提供运用所学知识解决实际生产生活问题的机会。例如,指出青霉素发酵生产过程中遇到的两个问题,让学生提出解决问题的思路;讲述几个高中生吃完冰激凌后腹泻的经历,请学生完善检测冰激凌中大肠杆菌是否超标的实验思路;提供一些与青蒿素有关的研究资料,让学生提出提高青蒿素类药物产量的研究思路等。这些从生产生活实际出发的探讨,一方面,使学生了解了生物技术与工程在人们生产生活中的应用价值,形成造福人类的态度和价值观;另一方面,在解决问题的过程中,他们的责任担当能力也在不断提升。

4.3  引导学生关注和讨论由生物技术与工程发展引发的社会议题,树立社会参与意识

任何一项新技术的诞生总是伴随着各种各样的争论,让学生参与相关社会议题的讨论,是培养他们社会参与意识很好的切入点。教材每一章都有引导学生关注生物技术与工程引发的社会议题的内容:“发酵工程一章有让学生评估燃料乙醇是否会增加粮食短缺风险的习题;细胞工程一章的正文和习题中有对干细胞安全性、动物体细胞核移植技术存在问题的分析和探讨;基因工程一章的习题中让学生就是否要推广黄金大米提出自己的看法;生物技术的安全性与伦理问题一章的每一节分别是对一个社会热点话题(转基因产品的安全性、生殖性克隆人、生物武器)的讨论,等等。在掌握了相应的生物学基本概念、原理、技术方法和流程,以及接受了系统的思维训练的基础上,学生应该能够理性地表明观点、参与讨论,他们也都有望成为积极普及科学知识、传播科学思想和科学方法、推广先进科学技术的行动者。

新教材对发展学科核心素养进行了全面的渗透和系统的规划,对学生学科核心素养形成与发展的影响是不言而喻的。但教材毕竟只是一个静态的文本,如何在教学层面充分发挥其在发展学科核心素养方面的育人价值,需要教师在,教学实践中进一步思考和体会。

 

参考文献

[1]    中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准:2017年版[M].北京:人民教育出版社,201827.

[2]    李永胜.科学思维、技术思维与工程思维的比较研究[J].创新,201711(4):27-34.

[3]    赵占良.对生物学学科核心素养的理解():科学思维及其教学[J].中学生物教学,2019(10):4-6.

[4]    中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准:2017年版[M].北京:人民教育出版社,20184.


来源:《中学生物教学》2020年第10期        



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