聚焦科学思维,打造基因工程专题复习新模式

安徽

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》通过凸显生物学核心概念的教学以培养学生的生物学核心素养，在教学中教师要围绕核心概念的教学培养学生的科学思维、科学探究方法，在此基础上形成生命观念和社会责任，因此，核心素养也是高考考查的核心目标。在高三复习阶段，教师教学中如何既能避免题海战术又能培养学生的生物学核心素养呢？笔者认为要根据不同的专题特点侧重培养核心素养的某个方面，而无需刻意追求面面俱到。因此，笔者根据人教版教材选修3基因工程专题在高考生物全国卷中的命题特点有针对性的围绕科学思维这一核心素养进行培养，并通过真题、课堂、模拟“三位一体”合理操纵学生的思维活动，提高学生科学思维的能力，使复习过程更有针对性、有效性。

一、基于科学思维考查基因工程专题的高考真题研究

1.科学思维的含义

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

2.高考真题中基于科学思维方法的考查方式

纵观新课标实施以来的2017年和2018年全国卷6套试题第38题的考查内容，只有2018年全国卷Ⅲ是细胞工程内容，其余全部是基因工程内容，因此基因工程专题是选修3复习的重中之重。试题中问题的设置考查识记内容的趋势减弱，多以“启示是”“原因是”“证明了”的形式设问，这充分体现了对学生科学思维这一核心素养的考查。

3.高考真题中涉及的科学思维方法的典例解析

通过对近两年高考题分析可知，基因工程内容的考查特点为题干中信息提供少而在设问中提供更为丰富，并且信息内容相对独立，这样就使提供的信息更开放，问题设置更灵活，更有利于对学生科学思维这一核心素养的考查。特别是2018年比2017年设问字数明显增多，其中提供的信息更丰富，使科学思维方法的考查更为系统化、综合化。考查科学思维采用比较分析、逻辑推理、因果分析等多种方法，还涉及信息获取、知识迁移等多种能力。

3.1 比较、分类和类比

概念：比较方法是确定对象之间的相同点和差异点，做到异中求同、同中求异。分类方法是在比较的基础上根据共同点将事物归合为较大的类；再根据差异点将事物划分为较小的类。类比方法是在比较和分类的基础上根据两个对象之间在某些属性方面相同从而推测它们在其他方面也可能相同。

【例1】（2017年，全国卷Ⅰ，第38题节选）（3）若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体。因为与家蚕相比，大肠杆菌具有__________（答出两点即可）等优点。

【解析】比较原核细胞和真核细胞，找出不同点并归纳出大肠杆菌更优越的地方。

【答案】繁殖快、容易培养

3.2 归纳与演绎

概念：归纳是以个别对象具有某一属性为前提推出该类对象也具有该属性为结论，是从个别到一般的推理。演绎指从一般原理推出个别事物的未知属性，是从一般到个别的推理。

【例2】（2017年，全国卷Ⅰ，第38题节选）（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是______________________________。

【解析】根据肺炎双球菌转化实验是DNA从S型细菌转移到R型细菌中，基因工程也是把目的基因转移到另一生物细胞内，从而归纳出二者的共有属性。

【答案】DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体

【例3】（2018年，全国卷Ⅰ，第38题节选）（2）体外重组的质粒可通过 Ca2+参与的_________方法导入大肠杆菌细胞；而体外重组的噬菌体 DNA 通常需与________组装成完整噬菌体后，才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中，可作为重组噬菌体宿主细胞的是________。

【解析】由病毒侵染的一般原理推断出噬菌体载体导入细胞也应是一个侵染过程，也需要完整的病毒结构，也要有宿主细胞的特异性。

【答案】转化 外壳蛋白（或噬菌体蛋白） 细菌

3.3 分析和综合

概念：分析是把事物的整体或过程分解为各个要素，分别加以研究的思维方法和思维过程。综合就是把分解开的各个要素结合起来，组成一个整体的思维过程。

【例4】（2018年，浙江省11月份选考，第32题（二）节选）（3）某小组应用基因工程方法开展适用于该生态工程的抗虫植物改良研究。为提高将重组DNA分子导入受体细胞的效率，除考虑导入方法、筛选条件、防止污染外，还需考虑的因素有_________（答出 2 点即可）。

【解析】把导入过程涉及的要素分解为载体、受体细胞、培养条件、人为操作等因素就可以找到一些合理的满足要求的答案。

【答案】重组DNA的质量和浓度、受体细胞的生长状态与密度

3.4 因果分析

概念：因果分析是根据因果关系由原因推测结果或者由结果推测原因的过程。

【例5】（2017年，全国卷Ⅰ，第38题节选）（1）某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白 A，其原因是____________________________。

【解析】由结果推测原因，结果是目的蛋白未表达。从题干信息寻找原因是原核细胞表达中无法切去内含子序列，从而无法得到目的蛋白。

【答案】基因A有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出蛋白A

3.5 模型与建模

概念：模型是一种可对认识事物的本质属性和相互关系进行研究的科学方法，也是对认识对象所作的简化的概括性描述。

【例6】（2018年，全国卷Ⅱ，第38题节选）（1）据图推断，该团队在将甲插入质粒P0时，使用了两种限制酶，这两种酶是______。使用这两种酶进行酶切是为了保证_______，也是为了保证_______。

【解析】题图是一个表达载体的结构模型，通过分析该模型中给出的限制酶的位置，选择合适的限制酶，既保证不破坏目的基因，也能保证目的基因插入到载体的正确位置。

【答案】E1和E4 甲的完整 甲与载体正确连接

3.6 抽象与概括

概念：抽象指抽取客观事物的一般本质属性。概括指把抽取出来的个别事物根据本质属性连接起来归结至全类事物的共性。

【例7】（2018年，海南卷，第31题节选）（4）通常，基因工程操作主要有4个步骤，即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。因此，基因工程的含义可概括为_______。

【解析】要求写出基因工程的概念看似是考查学生是否能记住教材中的概念内容，其实不然，本题还列出了基因工程的四个步骤，这本是学生很熟悉的内容完全不必要给出，此处给出的深意就是通过四个步骤抽象概括出基因工程的概念。

【答案】按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品

3.7 批判性思维

概念：批判性思维是理性的反思性的思维，是对存在的观点论断进行反思并找寻证据的过程。

【例8】（2018年，江苏卷，第29题节选）（4）乙产生的 ATP 被甲利用时，可参与的代谢过程包括_______（填序号）。

①C3的还原 ②内外物质运输

③H2O裂解释放O2④酶的合成

【解析】本题是典型的考查学生批判性思维能力的试题。高中教学中学生已形成了光合作用暗反应消耗的ATP由光反应提供的观点，造成了学生对本道题的选择性困难。本题需要学生通过题目中的提示信息来反思该观点，并得出线粒体在一定条件下也可为叶绿体的暗反应供能的结论。

【答案】①②④

二、基于科学思维方法培养的基因工程专题的针对性复习策略

课堂是培养学生核心素养的“主阵地”，关键问题是点燃思维的“火把”，因此，通过在课堂上设置问题进行生生对话、师生对话，可有效培养学生科学思维的能力。

1.“四步法”问题设置模型的构建，以问题启发思维

第一步：依据《课程标准》列出核心概念

根据专题内容确定本专题聚焦的核心概念，并以高度概括的语言进行陈述性表达。

例如：

核心概念5：基因工程赋予生物新的遗传特性。

核心概念5.2：蛋白质工程是基因工程的延伸。

第二步：列出指向核心概念的系列子概念

教师在设计教学方案时将陈述式的核心概念转换成问题的形式，这些问题的答案直接指向核心概念，此类问题一般答案较开放，不易回答，但起到提纲挈领的作用。

例如：（1）为什么基因工程又叫作DNA重组技术？

（2）蛋白质工程为什么是基因工程的延伸？

第三步：提出回答关键问题需要解决的子问题

基于学生已有的认知水平，指向核心概念的关键问题有时并不能直接回答。在回答关键问题之前，需要解决回答关键问题所需的子问题。这些问题是需要通过课堂教学在教师的主导下进行师生对话或者生生交流来促进学生思考得以解决。教师在设计问题时要通过相关操纵性语言引导学生的科学思维方式，如“比较”“分类”“推测”“原因”“构建”“概括”等。

第四步：学以致用，提出基于概念的理解可以进一步解决的问题

为了进一步巩固和检验学生对相应概念的理解，笔者建议提出基于对相应概念的理解可以进一步回答的拓展性问题，以及可以解决哪些实际应用的问题给学生提供学以致用的机会。

例如：（1）能否用基因工程技术生产单克隆抗体？（2）如何获取一个融合基因？

2.基因工程专题的问题驱动思维的导学案设计

表 基因工程的导学案设计

三、设计基于科学思维素养考查的仿真题模拟演练

【原创题1】科学家成功把水母的荧光蛋白（GFP）基因转入到烟草中而生产出发光烟草，为生产发光植物进行夜晚照明提供了丰富的想象空间。

（1）研究者提取水母的总RNA时，为了防止RNA被降解，在提取过程中需要加入_______________抑制剂，并通过一系列技术获取水母荧光蛋白的cDNA，该过程需要________酶和______________酶的催化。

（2）研究者采用了农杆菌转化法把GFP基因导入到烟草中，因此，需要把 GFP 基因先接入 Ti质粒的______序列中，插入到该序列的原因是_____________________________________。

（3）mRNA的某些序列有时也会发生配对形成局部双链结构导致外源蛋白在翻译过程中发生了提前终止，原因是双链结构影响了翻译中的__________________（填细胞器）的行为，导致翻译无法继续进行。

（4）在进行个体水平鉴定时，发现荧光强度较低，请从中心法则的角度分析可能的原因：_______________________________。

【参考答案及考查科学思维】

（1）RNA酶 逆转录 DNA聚合（科学原理的理解）

（2）T-DNA 携带目的基因进入受体细胞并整合到染色体上（因果分析）

（3）核糖体（分析综合）

续表

（4）启动子的效率低，转录或翻译过程受影响等（答案合理即可）（演绎推理）

【原创题2】科学家从人胰腺的cDNA文库中获取了人的胰岛素基因并导入到大肠杆菌的细胞，依赖大肠杆菌高效率地表达胰岛素，有效地降低了胰岛素的生产成本。

（1）胰岛B细胞合成的胰岛素能分泌到细胞外，该工程菌合成的胰岛素不能分泌到细胞外的原因是和胰岛B细胞相比该工程菌缺乏________________________（填细胞结构）。

（2）cDNA文库是以特定的组织或细胞的mRNA为模板，逆转录形成的互补DNA（cDNA）与适当的载体（常用噬菌体或质粒载体）连接后转化受体菌形成重组DNA菌群，这样包含着细胞全部mRNA信息的cDNA集合称为该组织或细胞的cDNA文库。那么文库中构建的重组载体和导入大肠杆菌的胰岛素基因表达载体相比缺少的序列有_______________________（填两种）。

（3）研究者选取了转基因大肠杆菌的单克隆菌落进行培养后提取了质粒进行测序，测序的目的是检测目的基因是否发生___________________________。

（4）请解释大肠杆菌生产的胰岛素和人体内提取的胰岛素有相同的生物学效应的原因是__________________________。

【参考答案及考查科学思维】

（1）内质网、高尔基体等参与分泌的结构（比较分析能力、知识迁移能力）

（2）启动子、终止子（比较分析能力、获取信息能力）

（3）基因突变

（4）共用相同的一套遗传密码翻译的蛋白结构相同