例谈高中生物教学中渗透提升技术和工程素养研究

徐 彤 （无锡市辅仁高级中学 江苏无锡 214000）

STEM 素养是本世纪初为培养知识经济时代人才由美国率先提出的教育目标，他们试图整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）领域内容的教学途径和方法。迄今为止，培养有科学素养、有技术技能、有设计思维、有职业意愿、有人文品行的复合型人才，已成为全世界教育界的共识。然而由于学科分化已久，要真正实现多学科的整合也绝非易事。即使在当今美国，很多学校里科学、数学、技术和艺术等课程仍然是分开进行授课的。因此，中小学教师如果想要在提升学生的STEM素养方面做些工作，恐怕在相当长的一段时间里，主阵地只能设在各自的学科课堂中了。

世界范围内的研究学者普遍意识到，在实际的社会分工中从事技术和工程的人数要远多于从事科学和数学的工作的人数。这就提醒教师要从STEM视角实施教学，尤其应该注重增强技术和工程的比重。尽管在生产生活中的大多数问题需要应用多种学科的知识来共同解决，但其中，如何进行合理的“工程设计”以及怎样用好现有“技术”是最现实和直接的。这就涉及学习者的工程和技术两方面的素养。

所谓技术与工程素养，是指使用、理解和评价技术的能力，以及提出解决方案和实现目标所需要的理解技术原理和策略的能力。不论是DNA双螺旋模型的提出，证明DNA是遗传物质的经典证据实验，还是孟德尔凭杂交实验和假说-演绎推理发现遗传定律，与其他自然学科一样，生物学科的发展史中充满了技术革新，以及各种工程设计的奇思妙想。从STEM的课程理念来讲，在生物学教学中，如果教师能够经常从工程和技术的角度带领学生一同剖析和体验丰富而充满智慧的事例资源，对于培养和提升学生的技术素养和工程素养方面会很有帮助。这些教学资源主要来自以下四个方面。

1 来自于教材科学史的经典事例

例如，孟德尔发明了测交技术。教师提出问题：通过怎样的手段才能确定F1产生配子的情况呢？

教师指导语：在设计豌豆一对相对性状遗传实验方案中，为了保持品系的纯正，孟德尔先后安排了不同纯种亲本的杂交及F1代的自交。当出现F1代杂种性状的一致性和F2代性状重新倾向于亲本的现象时，孟德尔想到可能的原因是：在杂种F1产生生殖细胞的时候，成对的遗传因子会发生两两分离现象，产生各含一种遗传因子的两种配子。为验证自己的推测，孟德尔发明了“测交”技术。他分析，测交中隐性亲本仅能产生只含有一种隐性遗传因子的配子，不会对F1产生配子的显、隐性构成干扰。因此，如果他的假设成立，则应该会产生占比各半的两种后代。实验结果进一步证实了他提出假设的正确性。这项有创意的技术终于让F1产生配子的情况现出了真面目。

又如，恩吉尔曼“用显微镜看到了光合作用”。教师提出问题：有没有简易的办法能够实施监控植物光合作用的状况？

教师指导语：当时人们已经知道植物光合作用吸收光能释放氧气，但并不知道光的吸收发生在细胞什么部位，也不知道哪种波长对光合作用影响更大。实验研究的先决条件是确定合适的生物材料，特点需包括结构简单、对光合作用的发生有“指示作用”。实验者选择了好氧细菌（单细胞）、丝状绿藻（简单的多细胞）混合物，并使用了光学显微镜。当在黑暗环境中用极细光束照射载玻片上的混合生物，结果发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。在光束与混合物之间加一个三棱镜，造成将七色光谱在混合物上的“覆盖”效果，结果发现细菌纷纷聚集在红橙光和蓝紫光区域内。整个实验用到了光学显微镜观察、复色光色散技术。更重要的是设计了“让好氧细菌‘指示’光合作用强弱”的巧妙思路，有效地回避了人类对微观世界认识水平的不足，从而进一步推动了人类对光合作用的研究。

2 来自于生物新技术的发明或改良

如，转基因棉花的“庇护所技术”（也称“难民棉”技术）。教师提出问题：怎样能够延长某个优良作物品种的使用年限？

教师指导语：转基因抗虫棉被成功推广种植几年后棉农们发现，原来基本绝迹的棉铃虫数量呈现逐年增多的趋势。从生物进化的角度分析：棉铃虫种群中具有抗性个体的比例很小，然而在抗虫棉叶片毒蛋白的选择下，那些有抗性的棉铃虫活了下来，并成功地繁衍后代，从而使得具有抗性个体的比例越来越高。鉴于此，有人提出了一项“庇护所技术”：通过相邻种植一部分非抗虫棉，使得对毒蛋白敏感的个体也获得生存的机会，进而通过极少量存活的抗性个体与敏感个体杂交，大大地稀释了抗性基因的比例，最终实现延缓棉铃虫抗性进化的速率。这项技术在转基因作物的推广中已被广泛使用。在美国规定转基因棉花种植中必须有20%的区域种植普通非转基因棉花作为棉铃虫避护所。

又如，利用同位素示踪技术，跟踪分子，教师提出问题：怎样能够实现对某种分子在代谢过程中轨迹的实时跟踪呢？

教师指导语：放射性同位素技术出现于1940年代。仅关于DNA的研究，在高中生物教材中就有1952年Hershey等人研究噬菌体侵染细菌，1958年Meselson等人在大肠杆菌中证实DNA的半保留复制，1960年代Roy Britten发明DNA分子杂交等。

早期科学家对DNA的结构一无所知，更别提DNA是怎么复制的了。利用化学研究获知的“噬菌体由蛋白质和DNA组成，且DNA不含硫，蛋白质则基本不含磷”的特点，赫尔希等人用含有35S或32P的培养基分别培养感染噬菌体的细菌，从而把组成噬菌体的两种化合物成功地区分开来，为最终确定哪种物质是遗传物质奠定了基础。Meselson和Stahl则先后用15N和14N培养大肠杆菌，再对不同时期收集到的DNA分子进行密度梯度离心，通过比较试管中DNA的位置（密度大小）揭示了半保留复制的规律。DNA分子杂交技术以其高灵敏度和高特异性，在医学和分子生物学领域中被广泛使用（出于对同位素的安全性考虑，现在已经发展出了非同位素标记探针的方法替代）。

3 来自于作业习题中的研究背景

受到工作时间、内容的限制，生物学教师对生物学各领域最新的技术进展不太可能进行实时追踪。于是在平时作业练习题中，教师对遇到的技术和工程背景、情境“多说两句”就显得十分必要了。

如修饰红细胞，使其成为HIV的“陷阱细胞”。教师提出问题：怎样能够将病毒收集起来，“聚而歼之”？

［例1］HIV能通过细胞表面的CD4（一种受体蛋白）识别T细胞（图1甲）。如果给AIDS患者大量注射用CD4修饰过的红细胞，红细胞也会被HIV识别、入侵（图1乙）。因HIV在红细胞内无法增殖，红细胞便成为HIV的“陷阱细胞”。这为治疗AIDS提供了新的思路。据材料分析，下列叙述错误的是 （ ）

图1 HIV识别、入侵被CD4修饰过的红细胞

A.HIV侵染T细胞会引发免疫缺陷综合征

B.红细胞可作为“陷阱细胞”与其结构有关

C.入侵到红细胞的HIV随红细胞凋亡后会被免疫系统清除

D.T细胞与红细胞发育成熟的场所相同

教师指导语：设法“收集”病原体聚而歼之，一直是免疫学家的梦想。题中的这项技术发明使梦想正在变成现实。成熟的红细胞生命周期短，不具有分裂能力，一旦出现病变信号，很容易被吞噬细胞识别和吞噬清除。对于HIV来说，原本入侵T淋巴细胞，就能大功告成；可一旦误入红细胞，非但自己的繁殖不能顺利实现，还陷入了红细胞的围困，并面临吞噬细胞的监控和“追杀”。答案选D。

又如，三倍体单性鱼高产无风险。教师提出问题：怎样兼顾好品种改良与生态安全？

［例2］淡水养殖中，养殖全雌鱼经济效益高。某科研部门利用雌核发育和性反转相结合的方法培育出了三倍体全雌鱼。图2为三倍体全雌鲫鱼的育种流程图。请据图分析回答：

图2 三倍体全雌鲫鱼的育种流程图

（1）图中培育雌核发育日本白鲫需先对精子进行________处理，再将它与卵子结合，并通过低温休克才能得到正常的二倍体雌核发育后代。低温休克处理的作用是____________。

（2）甲基睾丸酮（MT）为最常用的雄性化激素，利用它培育出了性反转雌核发育日本白鲫，其性染色体组成为_________（XY型性别决定），利用性反转技术可按照人们意愿生产单性鱼，在生态安全性方面的优点是______________________。

（3）图中性反转雌核发育白鲫与雌性异源四倍体杂交，得到全雌的三倍体鲫鱼，其生长速度快的原因可能是______________________________。

教师指导语：兼顾生态安全是育种学家改良品种的基本原则。本题涉及鱼类性别控制和三倍体鱼两项技术。在鱼类性别控制方案设计中，先利用灭活的精子激活卵子，使之染色体加倍而形成二倍体雌性子代（XX型）；再经诱导性反转后获得大量正常的单性雄鱼。在培育三倍体鱼方案中，先培育出异源四倍体（雌），再与雌核二倍体（雄）进行杂交。三倍体单性鱼技术在提高经济效益的同时，又以其不育特性而避免了对天然鱼类资源的干扰，具有较高的推广价值。

4 来自于师生自主研究课题的感悟

学生在技术和工程素养方面的提升水平很大程度上依赖于教师的指导能力。如果某位生物学教师对生物学领域的工程和技术的研究充满好奇和热情，那么他才有可能主动地将学到的这些东西运用到教学（特别是实验教学）中。如果师生有机会彼此分享课内外自主研究经验，会潜移默化地改变着每个学习者的技术和工程素养。

如，高中生物必修一教材“叶绿体中色素的提取和分离”实验中，不同版本教材都有关于制备滤纸条要“剪去两角”的要求，据说可使滤纸上色素带扩散得均匀整齐。然而，“是否真的需要剪角”以及“怎样剪角”一直困惑着师生。笔者带领部分学生开展了“滤纸条边缘形状与色素层析带整齐度关系”的研究。

在预设课题研究方案中，重点关注了工程和技术两方面。在设计要求方面，把滤纸条一端共设计了7种形状（表1），以不剪角的3号为分界，滤液线下部不同的末端形状对应着不同表面张力。为减少无关变量的干扰，设计了“不同形状同时浸入层析液”“同一形状多次重复”的实验要求。在技术层面，师生对“如何将滤液线划整齐”“精确剪角”等方面进行了重点培训和练习，只有那些形状规范、色素滤液线整齐的滤纸条才能被用于层析实验。

表1 7种滤纸条边缘形状

从实验结果中，得出了“剪去滤纸条两角的确能够使色素带平直”“滤液线的整齐度也是分离色素带平直的重要因素”等结论。

现在，每当进行这项实验的时候，教师总能给学生提供一些滤纸条的选择，每小组至少两组形状进行对照，可以选择“宽度不同、形状相似”“宽度相同与形状不同”等，还可以在提取色素、划滤液线的方法进行设计和改良。尽管每次学生做出的结果与之前进行的研究结果总有一定差异，但他们无形中已经在运用方案设计和技术选择了。该实验成了培养和提升学生技术与工程素养的新生长点。