培養學生高階思維能力的教學設計示例

文章編號：1003-7586（2025）03-0018-04中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

高階思維能力與布盧姆教學目標分類中的分析、綜合、評價層次緊密相關，具體體現在學生學習過程中所展現的問題求解能力、決策能力、批判性思維以及創造性思維等多個維度。在生物學教學領域中為有效培養學生的高階思維能力，教師需要精心策劃并實施更加貼近真實情境且富有挑戰性的開放性任務，這些任務應能激勵學生充分發揮其能力與潛能。

“蛋白質工程的原理和應用\"是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》第3章第4節的內容。這一課程內容與科學技術的實際應用緊密相連，為教師提供了豐富的情境創設與實例教學素材。該課程不僅可以讓學生在基因工程知識的基礎上進行深化與拓展，而且為學生提供了一個將理論知識應用于實踐并解決實際問題的平臺，這對于培養學生高階思維能力尤為關鍵。

具體而言，本文以“蛋白質工程的原理和應用”一節內容為例，基于特定真實情境，創造性地設計并實施工程學手段以解決問題，不僅能夠增強學生的實踐操作能力，還能激發其創新思維，從而使其在解決實際問題中鍛煉并提升高階思維能力。2]

1教學內容分析及教學思路

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》針對本節提出了明確要求：概述人們根據基因工程原理，進行蛋白質設計和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質；舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。據此，筆者選取白細胞介素-2（IL-2）的蛋白質工程改造為教學背景，旨在引導學生構建蛋白質工程的基本思路示意圖。具體教學思路如圖1所示。

2教學目標

（1）通過模擬IL-2的改造過程，歸納蛋白質工程的基本思路，加深對結構和功能觀的認識。

（2）分析并討論重疊延伸PCR技術的示意圖，闡述該技術在IL-2的基因改造中的具體應用。

（3）正確認識科學技術對科學發展的促進作用，認同科學發展在解決人類醫療問題中的重要價值。

3教學過程

3.1創設情境，明確研究問題

教師提供材料1：1976年，科學家分離出一種能促進和維持細胞生長的多肽分子，該分子后被命名為白細胞介素-2（IL-2）。IL-2是一條單鏈多肽分子，主要由激活的 淋巴細胞分泌。借助DNA重組技術，研究人員已經在多種細胞體系中成功表達出有活性的IL-2，目前人源IL-2已經全部采用基因工程的方法生產。3]教師隨后提出問題： ① 鑒于內源性IL-2分泌量有限，無法滿足患者的需求，該如何獲得大量高純度的IL-2？ ② 結合基因工程的相關內容，闡述利用基因工程大量生產IL-2的4個關鍵步驟。

設計意圖：學生通過了解IL-2的基本信息回顧基因工程的基本流程，為后續深入學習蛋白質工程奠定理論基礎。

教師提供材料2：盡管以大腸桿菌為宿主細胞表達IL-2取得了顯著成效，但原核生物與真核生物間的顯著差異限制了其應用范圍。自1977年起，酵母細胞表達系統得到發展，尤其是畢赤酵母的應用顯著提升了IL-2的品質。3針對此材料，教師提出問題：材料中提及的“顯著差異”具體指什么？為何后續選擇酵母菌作為受體細胞？

設計意圖：教師引導學生從真核細胞與原核細胞在細胞器種類及基因結構上的差異進行思考，強調合理選擇實驗材料的重要性。

教師提供材料3：研究發現IL-2主要由 α 螺旋和$＼upbeta$ 螺旋構成，其中第58、105、125位為半胱氨酸，其空間結構主要依賴于第58位與第105位半胱氨酸殘基間形成的二硫鍵維持，但第125位半胱氨酸殘基易與第58位半胱氨酸殘基錯誤配對，導致IL-2的生物活性喪失。為提高IL-2活性，科學家將第125位半胱氨酸替換為絲氨酸或丙氨酸，此舉顯著增強了其生物活性和熱穩定性。4基于此，教師提出問題： ① 天然ⅡL-2在功能上存在哪些局限？ ② 科學家是從功能還是結構角度進行深入探究的？ ③ 科學家采取了何種改造策略？

設計意圖：教師通過設問，引導學生認識到蛋白質工程的興起源于現有蛋白質功能無法滿足人類需求，并基于結構與功能的關系，強調改造蛋白質功能應從其編碼基因人手，以此加深學生對“結構決定功能”這一生命觀念的認同。

3.2對IL-2基因進行改造

3.2.1 確定改造方案

教師提出以下兩種改造IL-2的方案，并要求學生對這兩種方案進行選擇并闡述其理由。

方案一：直接對IL-2的第125位氨基酸進行改造，例如將半胱氨酸替換為絲氨酸。

方案二：對IL-2第125位氨基酸所對應的脫氧核苷酸序列進行改造，即將編碼半胱氨酸的脫氧核苷酸序列替換為編碼絲氨酸的脫氧核苷酸序列。

設計意圖：學生回顧蛋白質和基因的結構知識，并通過分析比較認識蛋白質空間結構的復雜性，從而理解直接改造蛋白質的難度。此外，教師還可以從遺傳性的角度出發，引導學生思考：基因具有自我復制并遺傳給后代的能力，而蛋白質則無法通過復制遺傳給后代。因此，對IL-2基因進行改造是更為合理的選擇。

3.2.2獲取第125位半胱氨酸對應的脫氧核苷酸序列

在此階段，教師向學生介紹了獲取基因序列的方法，即通過訪問美國國家生物技術信息中心（NCBI）網站，獲取IL-2的cDNA序列。

教師提出問題：鑒于一個密碼子由三個連續堿基構成，如何確定IL-2的cDNA序列中第125位半胱氨酸所對應的堿基位置？學生經過計算分析，可以得出結論：第125位半胱氨酸在IL-2的cDNA序列中的對應位置是第373至第375位堿基，且在NCBI網站上可以找到其對應的序列為“ACA”。

3.2.3推測出改造后的IL-2基因的序列

根據材料3所述，對IL-2的氨基酸序列進行改造的具體措施是將第125位半胱氨酸替換為絲氨酸或丙氨酸。

教師提供畢赤酵母對絲氨酸密碼子的偏好性數據（見表1），要求學生基于這些數據選擇一個合適的密碼子，并進一步推測出改造后的IL-2基因序列（見圖2）。

3.2.4利用定點突變技術改造IL-2基因

教師提供材料4：重疊延伸PCR技術要使用4條引物（A、B、C、D），其中引物B和C包含與模板鏈不互補的突變位點。具體操作步驟包括：首先分別選取2種引物進行PCR1和PCR2反應，隨后將這2個反應的產物混合，在不添加額外引物的情況下進行PCR3反應，最終獲得含有預定突變位點的DNA片段。基于此，教師提出了以下問題供學生思考： ① 在PCR1和PCR2階段，應如何選擇如圖3所示的引物組合？ ② 混合并復性后，應選圖3中a、b哪種產物作為PCR3的模板？鑒于PCR3反應過程中不使用引物，子鏈的延伸機制是怎樣的？

注：圖中\"\"為堿基序列變化點。

設計意圖：學生通過分析，理解重疊延伸PCR技術的原理，為后續在復雜基因序列背景下解決IL-2基因的定向改造問題奠定基礎。

為實施這一教學活動，教師預先準備了3個信封：信封1包含8個引物序列，其中4個符合實驗要求，其余4個作為干擾項；信封2含有8個序列，其中4個序列是PCR1和PCR2反應后獲得的DNA單鏈，其余4個為干擾序列；信封3則裝有4個序列，分別是定點誘變后的IL-2的兩條單鏈序列及兩條干擾序列。隨后，學生以小組為單位，利用重疊延伸PCR技術對IL-2第125位半胱氨酸對應的堿基序列進行定點誘變實驗。學生需從各信封中挑選出正確序列，并使用雙面膠將其粘貼在學習單相應的方框內（見圖4）。

設計意圖：通過運用已掌握的技能解決新問題，學生不僅能夠創新實踐，還能充分經歷高階學習過程。在解決該問題時，學生需通過觀察、思考、討論來分析問題，并在動手嘗試、比對、質疑的過程中，對選擇的正確性或錯誤性進行判斷并相互評價，最終經修正后得出結論。

3.3改造后IL-2的表達和鑒定

科學家成功構建了IL-2基因表達載體，并將其導入畢赤酵母中，實現了熱穩定性高、活性強的IL-2的表達。

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3.4構建蛋白質工程的基本思路示意圖回顧本節內容，學生根據提示構建了蛋白質工

程的基本思路示意圖（見圖5）。

設計意圖：通過提煉和整合本節課的主要環節，學生能夠將知識串聯形成一個連貫的模式。小組間的交流討論有助于修正和改進模型，且在構建模型的過程中，學生的創造性思維得到了發展。

4教學反思

本節課以蛋白質工程的基本實施思路為主線，引導學生不斷發現問題、解構問題、解決問題。學生在體驗教師設計的科學研究過程后，能夠構建出蛋白質工程的基本思路，從而發展高階思維能力。此外，學生在科學研究中能夠深刻體會到生命觀念對科學研究的指導作用，以及科技進步對科學發展和人類生活的積極影響。這些積極的體驗能夠幫助學生未來投身于生命科學領域的研究。

參考文獻

[1]王小明，布盧姆認知目標分類學（修訂版）的核心素養思想探析[J].現代基礎教育研究，2018，29（1）：80-86.

[2]劉曉飛，邢慧麗.提升學生工程學思維的“基因工程”二輪復習教學設計[J].生物學教學，2024，49（5）：38-42.

[3]鄭建華.白介素-2研究進展[J].海峽藥學，2006（3）：1-3.

[4]梁家欣，羅中欽，聶東宋，等.白介素2研究進展[J.湖南理工學院學報（自然科學版），2022，35（2）：18-21.

[5]徐亦淳.畢赤酵母密碼子偏好對蛋白表達、分泌和結構的影響[D].上海：華東理工大學，2021.