研究型实验在高中生物教学中的实践效果及完善——以基因工程实验为例

杜 静，吕 乐

(1.首都师范大学附属育新学校，北京，100096；2.北京科技大学化学与生物工程学院，北京，100083)

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》中明确指出：生物学课程要求学生主动地参与学习过程，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设和发现规律等过程中习得生物学知识，养成理性思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践的能力。生物学课程是以提高学生生物学学科核心素养为宗旨的学科课程。[1]研究型实验可以培养学生运用知识的能力和研究能力，启蒙学生的研究兴趣和增强学生的创新欲望，是培养学生实践能力和创新能力、促进学生核心素养发展的重要途径和载体。[2]

基因工程前沿性强、实践性强，理论知识和研究对象抽象，学生理解起来有一定的困难，且基因工程实验操作繁琐、耗时长、成功率低。由于学时和实验条件的限制，一般学校会选择开设极少部分的实验，导致实验项目内容分散且连贯性不强。同时，由于没有参与前期实验内容的选择，学生不能很好地理解所做实验内容的目的和需要解决的问题。学生处于没有目的地做实验的状态，难以培养独立思考和解决问题的能力。针对以上问题，本研究在开发实验项目、改变授课模式等方面做了改进，让学生最大限度地经历完整的实验过程，从而提高实验教学质量，促进学生核心素养的形成。

一、开发综合型、连贯性强的研究型实验项目

传统的实验教学模式：教师按照课本和教学进度，安排学生的实验内容。实验前，教师先把实验内容和操作步骤讲一遍，强调学生在实验过程中的注意事项，然后让学生按照步骤开始实验。这种教学模式使学生始终处于被动地位，不能有效激发学生的学习主动性，剥夺了学生的思维空间。由于学生不能很好地理解所做实验内容的目的、意义以及实验过程中可能会出现的问题，学生的主体作用和积极性都得不到充分发挥，难以培养学生独立思考和解决问题的能力。[3]本研究将传统发酵技术，微生物的实验室培养、分离与计数，种群数量变化，DNA的提取与PCR扩增及分子鉴定优化整合，把这些单一、独立、不连贯的实验内容串联起来，开发综合型、连贯性较强的研究型实验项目。实验之前，教师对即将开设的综合型、连贯性较强的各个实验用实验流程图的形式进行总结，让学生了解实验环节间的相互关系，对每一个实验结果有个初步预期。这样的实验设计是环环相扣的，上个实验的结果是下一个实验的材料。学生了解实验的总体流程图后，就会明白每个实验的目的和意义，积极考虑如何得到预期的实验结果，增强实验的积极性和能动性。

如图1所示，完整的实验流程图使学生在未进行实际操作之前就对整个实验的原理和流程有了清楚且整体的认识，使学生真正理解实验目的，做到有目的性地解决问题，能更好地调动学生学习的主动性和积极性。通过实验设计、实验操作以及在实验过程中的认真思考，发现问题、解决问题的实际训练，教师能培养学生的基本实验能力和动手能力，培养科学严谨的精神，提高学生的生物学核心素养。

图1 实验项目设计流程

二、采用互联网+实验教学的授课模式解决课时不足的问题

受到课时的限制，一些耗时较长的生物学实验无法开展。例如，本研究涉及的实验项目不可能在某个教学周集中完成，教师需要合理安排，分期组织学生进行实验子项目。所以，选择生物校本选修课的学生可以向学校申请以长短课结合的方式在一学期的校本选修课中完成整个实验项目，教师则可以探索更合适的授课安排。具体授课模式如下。

(一)理论教学

结合教学进度，在学生开始实验前，教师对即将开展的综合实验内容进行讲解，为学生在开展实验前奠定相关的理论基础。这样的理论教学是必需的，引导学生在开展实验前进行独立思考和提出问题，是理论知识和实践认知的有机结合。如选修一传统发酵技术、微生物的实验室培养、基因工程的基本操作程序、DNA的粗提取与鉴定、PCR、琼脂糖电泳等理论知识是学生都需要掌握的。针对校本选修的第一节课，教师会以探究性学习的教学模式带领学生设计完整的实验流程图，让学生把理论知识与实际的研究项目有机结合起来。

(二)实验技能培训

教师对学生进行一些基本实验技术的培训，使学生掌握微生物培养、基因工程操作的基本实验技能，如培养基的配制、接种与培养，分光光度计的使用，琼脂糖凝胶电泳的操作，DNA提取，PCR等基本实验，避免学生实验技能操作的不规范或者由于操作不当导致实验结果不正确。

(三)应用互联网+技术，改革教学手段

充分利用网络信息可以为教学和学生的学习提供丰富的资源和便捷的途径。[4]为解决课时不足、学生实验操作不熟练等问题，教师可以采取如下措施：(1)通过录制短视频的方式制作相关实验内容的微课，主要包括试剂配制、培养基的配制、分光光度计的使用、血球计数板计数、DNA基因组提取、PCR扩增及电泳实验等内容。微课录制后发给学生，要求学生就微课中的相关内容进行学习、思考、小组讨论。[5]微课的发布方便学生反复观看，特别是比较复杂的实验内容，学生可以在实验过程中多次重复播放，加深对实验操作流程的印象。(2)为学生提供一些微信公众号(如Medsci、生物勘探、解旋酶等)和生命科学论坛(如生物谷、丁香园、小木虫等)，让学生自行了解基因工程的前沿知识。[6](3)在微信群推送NCBI的链接，指导学生在网上进行PCR引物的设计和酵母菌的序列比对。(4)在校本选修课开展实验的时候，组织小组成员进行合理分工并实施实验内容，教师负责实验实施全过程的指导，解决实验中学生遇到的疑问，纠正实验操作过程中的错误。结果表明，“互联网+实验教学”能够促进学生对相关实验原理和操作技能的掌握，实验教学更促进学生动手能力、团队协作和解决问题能力的提升，长短课结合，解决了课时不足的问题，提升了教学效果。

三、基因工程教学实验的不足及完善

由于研究型实验在高中课程中的开设时间尚短，许多课程和实验的设置还处于起步阶段，相关经验不足，实践过程中还存在着一些不容忽视的问题。其中，存在实验课程的设计以教师主导为主、学生参与实验设计机会少的问题。在目前阶段的实验课程中，一般由教师制订实验方案而非学生自己思考设计。这虽然是基于学生当前阶段的能力和知识储备决定的，但将一部分实验方案交由学生制订能够更好地锻炼其思考能力，加深其对相关知识的理解。[7]另外，虽然在第一节课就完成了整个实验流程，但受限于对理论知识的理解不深入，学生在后续的实验过程中仍存在无法完全理解实验原理和目的、为了实验而做实验的现象。虽然教师录制了相关实验操作的微课，但由于基因工程实验具有取样操作严格、试剂需要量少、各组分加入量要精确等特点，学生的基本实验技能相对欠缺，学生的实验屡次不成功。因此，教师需要加强对学生基本技能的培训：移液器的正确使用方法、实验试剂的配制及实验材料的高温灭菌、试剂的正确加入方法和顺序等。历经一个学期，选择校本选修班的学生基本完成了整个研究型实验，但如何使全年级学生经历完整的研究型实验过程，在常规教学内容安排、教学时间调整、实验室开放等方面仍然是值得探索的一个课题。

四、总结

随着当代生命科学的整体快速发展，相关的前沿技术越来越多地渗入普通高中的教学中。基因工程作为不可忽视的重要部分，对学生掌握实验技能的要求不断提高，因此开展基因工程教学实验十分必要。教师通过设计目标明确的综合型、研究型实验，强调以学生为主导的自主学习，让学生为完成目的明确的实验内容而自主开展实验，对微生物实验室培养、基因工程实验的设计思路和操作过程有了逐步深入的了解。研究型实验的教学有助于学生理解基本理论知识，引发学生思考，促进学生独立思考和自主学习能力的提高，有助于提高学生的生物学核心素养。