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培养学生高阶思维能力的教学设计示例

文章编号：1003-7586（2025）03-0018-04中图分类号：G633.91文献标识码：B

高阶思维能力与布卢姆教学目标分类中的分析、综合、评价层次紧密相关，具体体现在学生学习过程中所展现的问题求解能力、决策能力、批判性思维以及创造性思维等多个维度。在生物学教学领域中为有效培养学生的高阶思维能力，教师需要精心策划并实施更加贴近真实情境且富有挑战性的开放性任务，这些任务应能激励学生充分发挥其能力与潜能。

“蛋白质工程的原理和应用\是人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》第3章第4节的内容。这一课程内容与科学技术的实际应用紧密相连，为教师提供了丰富的情境创设与实例教学素材。该课程不仅可以让学生在基因工程知识的基础上进行深化与拓展，而且为学生提供了一个将理论知识应用于实践并解决实际问题的平台，这对于培养学生高阶思维能力尤为关键。

具体而言，本文以“蛋白质工程的原理和应用”一节内容为例，基于特定真实情境，创造性地设计并实施工程学手段以解决问题，不仅能够增强学生的实践操作能力，还能激发其创新思维，从而使其在解决实际问题中锻炼并提升高阶思维能力。2]

1教学内容分析及教学思路

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》针对本节提出了明确要求：概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质；举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。据此，笔者选取白细胞介素-2（IL-2）的蛋白质工程改造为教学背景，旨在引导学生构建蛋白质工程的基本思路示意图。具体教学思路如图1所示。

（1）通过模拟IL-2的改造过程，归纳蛋白质工程的基本思路，加深对结构和功能观的认识。

（2）分析并讨论重叠延伸PCR技术的示意图，阐述该技术在IL-2的基因改造中的具体应用。

（3）正确认识科学技术对科学发展的促进作用，认同科学发展在解决人类医疗问题中的重要价值。

3.1创设情境，明确研究问题

教师提供材料1：1976年，科学家分离出一种能促进和维持细胞生长的多肽分子，该分子后被命名为白细胞介素-2（IL-2）。IL-2是一条单链多肽分子，主要由激活的淋巴细胞分泌。借助DNA重组技术，研究人员已经在多种细胞体系中成功表达出有活性的IL-2，目前人源IL-2已经全部采用基因工程的方法生产。3]教师随后提出问题：①鉴于内源性IL-2分泌量有限，无法满足患者的需求，该如何获得大量高纯度的IL-2？②结合基因工程的相关内容，阐述利用基因工程大量生产IL-2的4个关键步骤。

设计意图：学生通过了解IL-2的基本信息回顾基因工程的基本流程，为后续深入学习蛋白质工程奠定理论基础。

教师提供材料2：尽管以大肠杆菌为宿主细胞表达IL-2取得了显著成效，但原核生物与真核生物间的显著差异限制了其应用范围。自1977年起，酵母细胞表达系统得到发展，尤其是毕赤酵母的应用显著提升了IL-2的品质。3针对此材料，教师提出问题：材料中提及的“显著差异”具体指什么？为何后续选择酵母菌作为受体细胞？

设计意图：教师引导学生从真核细胞与原核细胞在细胞器种类及基因结构上的差异进行思考，强调合理选择实验材料的重要性。

教师提供材料3：研究发现IL-2主要由α螺旋和$＼upbeta$螺旋构成，其中第58、105、125位为半胱氨酸，其空间结构主要依赖于第58位与第105位半胱氨酸残基间形成的二硫键维持，但第125位半胱氨酸残基易与第58位半胱氨酸残基错误配对，导致IL-2的生物活性丧失。为提高IL-2活性，科学家将第125位半胱氨酸替换为丝氨酸或丙氨酸，此举显著增强了其生物活性和热稳定性。4基于此，教师提出问题：①天然ⅡL-2在功能上存在哪些局限？②科学家是从功能还是结构角度进行深入探究的？③科学家采取了何种改造策略？

设计意图：教师通过设问，引导学生认识到蛋白质工程的兴起源于现有蛋白质功能无法满足人类需求，并基于结构与功能的关系，强调改造蛋白质功能应从其编码基因人手，以此加深学生对“结构决定功能”这一生命观念的认同。

3.2对IL-2基因进行改造

3.2.1确定改造方案

教师提出以下两种改造IL-2的方案，并要求学生对这两种方案进行选择并阐述其理由。

方案一：直接对IL-2的第125位氨基酸进行改造，例如将半胱氨酸替换为丝氨酸。

方案二：对IL-2第125位氨基酸所对应的脱氧核苷酸序列进行改造，即将编码半胱氨酸的脱氧核苷酸序列替换为编码丝氨酸的脱氧核苷酸序列。

设计意图：学生回顾蛋白质和基因的结构知识，并通过分析比较认识蛋白质空间结构的复杂性，从而理解直接改造蛋白质的难度。此外，教师还可以从遗传性的角度出发，引导学