徐 彤 （無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué) 江蘇無(wú)錫 214000）

STEM 素養(yǎng)是本世紀(jì)初為培養(yǎng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代人才由美國(guó)率先提出的教育目標(biāo)，他們?cè)噲D整合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）領(lǐng)域內(nèi)容的教學(xué)途徑和方法。迄今為止，培養(yǎng)有科學(xué)素養(yǎng)、有技術(shù)技能、有設(shè)計(jì)思維、有職業(yè)意愿、有人文品行的復(fù)合型人才，已成為全世界教育界的共識(shí)。然而由于學(xué)科分化已久，要真正實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的整合也絕非易事。即使在當(dāng)今美國(guó)，很多學(xué)校里科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和藝術(shù)等課程仍然是分開(kāi)進(jìn)行授課的。因此，中小學(xué)教師如果想要在提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)方面做些工作，恐怕在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，主陣地只能設(shè)在各自的學(xué)科課堂中了。

世界范圍內(nèi)的研究學(xué)者普遍意識(shí)到，在實(shí)際的社會(huì)分工中從事技術(shù)和工程的人數(shù)要遠(yuǎn)多于從事科學(xué)和數(shù)學(xué)的工作的人數(shù)。這就提醒教師要從STEM視角實(shí)施教學(xué)，尤其應(yīng)該注重增強(qiáng)技術(shù)和工程的比重。盡管在生產(chǎn)生活中的大多數(shù)問(wèn)題需要應(yīng)用多種學(xué)科的知識(shí)來(lái)共同解決，但其中，如何進(jìn)行合理的“工程設(shè)計(jì)”以及怎樣用好現(xiàn)有“技術(shù)”是最現(xiàn)實(shí)和直接的。這就涉及學(xué)習(xí)者的工程和技術(shù)兩方面的素養(yǎng)。

所謂技術(shù)與工程素養(yǎng)，是指使用、理解和評(píng)價(jià)技術(shù)的能力，以及提出解決方案和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需要的理解技術(shù)原理和策略的能力。不論是DNA雙螺旋模型的提出，證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典證據(jù)實(shí)驗(yàn)，還是孟德?tīng)枒{雜交實(shí)驗(yàn)和假說(shuō)-演繹推理發(fā)現(xiàn)遺傳定律，與其他自然學(xué)科一樣，生物學(xué)科的發(fā)展史中充滿了技術(shù)革新，以及各種工程設(shè)計(jì)的奇思妙想。從STEM的課程理念來(lái)講，在生物學(xué)教學(xué)中，如果教師能夠經(jīng)常從工程和技術(shù)的角度帶領(lǐng)學(xué)生一同剖析和體驗(yàn)豐富而充滿智慧的事例資源，對(duì)于培養(yǎng)和提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)方面會(huì)很有幫助。這些教學(xué)資源主要來(lái)自以下四個(gè)方面。

1 來(lái)自于教材科學(xué)史的經(jīng)典事例

例如，孟德?tīng)柊l(fā)明了測(cè)交技術(shù)。教師提出問(wèn)題：通過(guò)怎樣的手段才能確定F1產(chǎn)生配子的情況呢？

教師指導(dǎo)語(yǔ)：在設(shè)計(jì)豌豆一對(duì)相對(duì)性狀遺傳實(shí)驗(yàn)方案中，為了保持品系的純正，孟德?tīng)栂群蟀才帕瞬煌兎N親本的雜交及F1代的自交。當(dāng)出現(xiàn)F1代雜種性狀的一致性和F2代性狀重新傾向于親本的現(xiàn)象時(shí)，孟德?tīng)栂氲娇赡艿脑蚴牵涸陔s種F1產(chǎn)生生殖細(xì)胞的時(shí)候，成對(duì)的遺傳因子會(huì)發(fā)生兩兩分離現(xiàn)象，產(chǎn)生各含一種遺傳因子的兩種配子。為驗(yàn)證自己的推測(cè)，孟德?tīng)柊l(fā)明了“測(cè)交”技術(shù)。他分析，測(cè)交中隱性親本僅能產(chǎn)生只含有一種隱性遺傳因子的配子，不會(huì)對(duì)F1產(chǎn)生配子的顯、隱性構(gòu)成干擾。因此，如果他的假設(shè)成立，則應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生占比各半的兩種后代。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了他提出假設(shè)的正確性。這項(xiàng)有創(chuàng)意的技術(shù)終于讓F1產(chǎn)生配子的情況現(xiàn)出了真面目。

又如，恩吉爾曼“用顯微鏡看到了光合作用”。教師提出問(wèn)題：有沒(méi)有簡(jiǎn)易的辦法能夠?qū)嵤┍O(jiān)控植物光合作用的狀況？

教師指導(dǎo)語(yǔ)：當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道植物光合作用吸收光能釋放氧氣，但并不知道光的吸收發(fā)生在細(xì)胞什么部位，也不知道哪種波長(zhǎng)對(duì)光合作用影響更大。實(shí)驗(yàn)研究的先決條件是確定合適的生物材料，特點(diǎn)需包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)光合作用的發(fā)生有“指示作用”。實(shí)驗(yàn)者選擇了好氧細(xì)菌（單細(xì)胞）、絲狀綠藻（簡(jiǎn)單的多細(xì)胞）混合物，并使用了光學(xué)顯微鏡。當(dāng)在黑暗環(huán)境中用極細(xì)光束照射載玻片上的混合生物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)菌只向葉綠體被光束照射到的部位集中。在光束與混合物之間加一個(gè)三棱鏡，造成將七色光譜在混合物上的“覆蓋”效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)菌紛紛聚集在紅橙光和藍(lán)紫光區(qū)域內(nèi)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)用到了光學(xué)顯微鏡觀察、復(fù)色光色散技術(shù)。更重要的是設(shè)計(jì)了“讓好氧細(xì)菌‘指示’光合作用強(qiáng)弱”的巧妙思路，有效地回避了人類(lèi)對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)水平的不足，從而進(jìn)一步推動(dòng)了人類(lèi)對(duì)光合作用的研究。

2 來(lái)自于生物新技術(shù)的發(fā)明或改良

如，轉(zhuǎn)基因棉花的“庇護(hù)所技術(shù)”（也稱“難民棉”技術(shù)）。教師提出問(wèn)題：怎樣能夠延長(zhǎng)某個(gè)優(yōu)良作物品種的使用年限？

教師指導(dǎo)語(yǔ)：轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉被成功推廣種植幾年后棉農(nóng)們發(fā)現(xiàn)，原來(lái)基本絕跡的棉鈴蟲(chóng)數(shù)量呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì)。從生物進(jìn)化的角度分析：棉鈴蟲(chóng)種群中具有抗性個(gè)體的比例很小，然而在抗蟲(chóng)棉葉片毒蛋白的選擇下，那些有抗性的棉鈴蟲(chóng)活了下來(lái)，并成功地繁衍后代，從而使得具有抗性個(gè)體的比例越來(lái)越高。鑒于此，有人提出了一項(xiàng)“庇護(hù)所技術(shù)”：通過(guò)相鄰種植一部分非抗蟲(chóng)棉，使得對(duì)毒蛋白敏感的個(gè)體也獲得生存的機(jī)會(huì)，進(jìn)而通過(guò)極少量存活的抗性個(gè)體與敏感個(gè)體雜交，大大地稀釋了抗性基因的比例，最終實(shí)現(xiàn)延緩棉鈴蟲(chóng)抗性進(jìn)化的速率。這項(xiàng)技術(shù)在轉(zhuǎn)基因作物的推廣中已被廣泛使用。在美國(guó)規(guī)定轉(zhuǎn)基因棉花種植中必須有20%的區(qū)域種植普通非轉(zhuǎn)基因棉花作為棉鈴蟲(chóng)避護(hù)所。

又如，利用同位素示蹤技術(shù)，跟蹤分子，教師提出問(wèn)題：怎樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某種分子在代謝過(guò)程中軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤呢？

教師指導(dǎo)語(yǔ)：放射性同位素技術(shù)出現(xiàn)于1940年代。僅關(guān)于DNA的研究，在高中生物教材中就有1952年Hershey等人研究噬菌體侵染細(xì)菌，1958年Meselson等人在大腸桿菌中證實(shí)DNA的半保留復(fù)制，1960年代Roy Britten發(fā)明DNA分子雜交等。

早期科學(xué)家對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)一無(wú)所知，更別提DNA是怎么復(fù)制的了。利用化學(xué)研究獲知的“噬菌體由蛋白質(zhì)和DNA組成，且DNA不含硫，蛋白質(zhì)則基本不含磷”的特點(diǎn)，赫爾希等人用含有35S或32P的培養(yǎng)基分別培養(yǎng)感染噬菌體的細(xì)菌，從而把組成噬菌體的兩種化合物成功地區(qū)分開(kāi)來(lái)，為最終確定哪種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。Meselson和Stahl則先后用15N和14N培養(yǎng)大腸桿菌，再對(duì)不同時(shí)期收集到的DNA分子進(jìn)行密度梯度離心，通過(guò)比較試管中DNA的位置（密度大?。┙沂玖税氡Ａ魪?fù)制的規(guī)律。DNA分子雜交技術(shù)以其高靈敏度和高特異性，在醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域中被廣泛使用（出于對(duì)同位素的安全性考慮，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了非同位素標(biāo)記探針的方法替代）。

3 來(lái)自于作業(yè)習(xí)題中的研究背景

受到工作時(shí)間、內(nèi)容的限制，生物學(xué)教師對(duì)生物學(xué)各領(lǐng)域最新的技術(shù)進(jìn)展不太可能進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。于是在平時(shí)作業(yè)練習(xí)題中，教師對(duì)遇到的技術(shù)和工程背景、情境“多說(shuō)兩句”就顯得十分必要了。

如修飾紅細(xì)胞，使其成為HIV的“陷阱細(xì)胞”。教師提出問(wèn)題：怎樣能夠?qū)⒉《臼占饋?lái)，“聚而殲之”？

［例1］HIV能通過(guò)細(xì)胞表面的CD4（一種受體蛋白）識(shí)別T細(xì)胞（圖1甲）。如果給AIDS患者大量注射用CD4修飾過(guò)的紅細(xì)胞，紅細(xì)胞也會(huì)被HIV識(shí)別、入侵（圖1乙）。因HIV在紅細(xì)胞內(nèi)無(wú)法增殖，紅細(xì)胞便成為HIV的“陷阱細(xì)胞”。這為治療AIDS提供了新的思路。據(jù)材料分析，下列敘述錯(cuò)誤的是 （ ）

圖1 HIV識(shí)別、入侵被CD4修飾過(guò)的紅細(xì)胞

A.HIV侵染T細(xì)胞會(huì)引發(fā)免疫缺陷綜合征

B.紅細(xì)胞可作為“陷阱細(xì)胞”與其結(jié)構(gòu)有關(guān)

C.入侵到紅細(xì)胞的HIV隨紅細(xì)胞凋亡后會(huì)被免疫系統(tǒng)清除

D.T細(xì)胞與紅細(xì)胞發(fā)育成熟的場(chǎng)所相同

教師指導(dǎo)語(yǔ)：設(shè)法“收集”病原體聚而殲之，一直是免疫學(xué)家的夢(mèng)想。題中的這項(xiàng)技術(shù)發(fā)明使夢(mèng)想正在變成現(xiàn)實(shí)。成熟的紅細(xì)胞生命周期短，不具有分裂能力，一旦出現(xiàn)病變信號(hào)，很容易被吞噬細(xì)胞識(shí)別和吞噬清除。對(duì)于HIV來(lái)說(shuō)，原本入侵T淋巴細(xì)胞，就能大功告成；可一旦誤入紅細(xì)胞，非但自己的繁殖不能順利實(shí)現(xiàn)，還陷入了紅細(xì)胞的圍困，并面臨吞噬細(xì)胞的監(jiān)控和“追殺”。答案選D。

又如，三倍體單性魚(yú)高產(chǎn)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。教師提出問(wèn)題：怎樣兼顧好品種改良與生態(tài)安全？

［例2］淡水養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖全雌魚(yú)經(jīng)濟(jì)效益高。某科研部門(mén)利用雌核發(fā)育和性反轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法培育出了三倍體全雌魚(yú)。圖2為三倍體全雌鯽魚(yú)的育種流程圖。請(qǐng)據(jù)圖分析回答：

圖2 三倍體全雌鯽魚(yú)的育種流程圖

（1）圖中培育雌核發(fā)育日本白鯽需先對(duì)精子進(jìn)行________處理，再將它與卵子結(jié)合，并通過(guò)低溫休克才能得到正常的二倍體雌核發(fā)育后代。低溫休克處理的作用是____________。

（2）甲基睪丸酮（MT）為最常用的雄性化激素，利用它培育出了性反轉(zhuǎn)雌核發(fā)育日本白鯽，其性染色體組成為_(kāi)________（XY型性別決定），利用性反轉(zhuǎn)技術(shù)可按照人們意愿生產(chǎn)單性魚(yú)，在生態(tài)安全性方面的優(yōu)點(diǎn)是______________________。

（3）圖中性反轉(zhuǎn)雌核發(fā)育白鯽與雌性異源四倍體雜交，得到全雌的三倍體鯽魚(yú)，其生長(zhǎng)速度快的原因可能是______________________________。

教師指導(dǎo)語(yǔ)：兼顧生態(tài)安全是育種學(xué)家改良品種的基本原則。本題涉及魚(yú)類(lèi)性別控制和三倍體魚(yú)兩項(xiàng)技術(shù)。在魚(yú)類(lèi)性別控制方案設(shè)計(jì)中，先利用滅活的精子激活卵子，使之染色體加倍而形成二倍體雌性子代（XX型）；再經(jīng)誘導(dǎo)性反轉(zhuǎn)后獲得大量正常的單性雄魚(yú)。在培育三倍體魚(yú)方案中，先培育出異源四倍體（雌），再與雌核二倍體（雄）進(jìn)行雜交。三倍體單性魚(yú)技術(shù)在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，又以其不育特性而避免了對(duì)天然魚(yú)類(lèi)資源的干擾，具有較高的推廣價(jià)值。

4 來(lái)自于師生自主研究課題的感悟

學(xué)生在技術(shù)和工程素養(yǎng)方面的提升水平很大程度上依賴于教師的指導(dǎo)能力。如果某位生物學(xué)教師對(duì)生物學(xué)領(lǐng)域的工程和技術(shù)的研究充滿好奇和熱情，那么他才有可能主動(dòng)地將學(xué)到的這些東西運(yùn)用到教學(xué)（特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)）中。如果師生有機(jī)會(huì)彼此分享課內(nèi)外自主研究經(jīng)驗(yàn)，會(huì)潛移默化地改變著每個(gè)學(xué)習(xí)者的技術(shù)和工程素養(yǎng)。

如，高中生物必修一教材“葉綠體中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)中，不同版本教材都有關(guān)于制備濾紙條要“剪去兩角”的要求，據(jù)說(shuō)可使濾紙上色素帶擴(kuò)散得均勻整齊。然而，“是否真的需要剪角”以及“怎樣剪角”一直困惑著師生。筆者帶領(lǐng)部分學(xué)生開(kāi)展了“濾紙條邊緣形狀與色素層析帶整齊度關(guān)系”的研究。

在預(yù)設(shè)課題研究方案中，重點(diǎn)關(guān)注了工程和技術(shù)兩方面。在設(shè)計(jì)要求方面，把濾紙條一端共設(shè)計(jì)了7種形狀（表1），以不剪角的3號(hào)為分界，濾液線下部不同的末端形狀對(duì)應(yīng)著不同表面張力。為減少無(wú)關(guān)變量的干擾，設(shè)計(jì)了“不同形狀同時(shí)浸入層析液”“同一形狀多次重復(fù)”的實(shí)驗(yàn)要求。在技術(shù)層面，師生對(duì)“如何將濾液線劃整齊”“精確剪角”等方面進(jìn)行了重點(diǎn)培訓(xùn)和練習(xí)，只有那些形狀規(guī)范、色素濾液線整齊的濾紙條才能被用于層析實(shí)驗(yàn)。

表1 7種濾紙條邊緣形狀

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，得出了“剪去濾紙條兩角的確能夠使色素帶平直”“濾液線的整齊度也是分離色素帶平直的重要因素”等結(jié)論。

現(xiàn)在，每當(dāng)進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師總能給學(xué)生提供一些濾紙條的選擇，每小組至少兩組形狀進(jìn)行對(duì)照，可以選擇“寬度不同、形狀相似”“寬度相同與形狀不同”等，還可以在提取色素、劃濾液線的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和改良。盡管每次學(xué)生做出的結(jié)果與之前進(jìn)行的研究結(jié)果總有一定差異，但他們無(wú)形中已經(jīng)在運(yùn)用方案設(shè)計(jì)和技術(shù)選擇了。該實(shí)驗(yàn)成了培養(yǎng)和提升學(xué)生技術(shù)與工程素養(yǎng)的新生長(zhǎng)點(diǎn)。