普通高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》育人价值

《生物技术与工程》育人价值 《生物技术与工程》是高中生物学课程的三个选择性必修模块之一。本模块的内容包括发酵工程、细胞工程、基因工程、生物技术的安全性与伦理问题等，在培养学生的核心素养方面具有独特的价值。本文结合人教版教材选材及编写的特点，试分析本模块的育人价值。

1．观念的视角：深化对生命观念的理解和应用，突出生命伦理观 1．1  运用生命观念解决实际问题 关于生命观念，《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）在描述时给出了两个层次。第一，学生应该在较好地理解生物学概念的基础上形成生命观念；
第二，能够用生命观念认识生物的多样性、统一性、独特性和复杂性，形成科学的自然观和世界观，并以此指导探究生命活动规律，解决实际问题。本模块无疑侧重在后一个层次，主要是运用之前学到的观念来解决实际问题。例如，无论进行什么类型的生物工程设计，既要考虑基因、细胞、生命体或生态系统的结构，也要考虑它们的各种功能，遵循改变结构去影响功能的思路，从而让生物工程更好地为人类服务，这体现了结构与功能观的运用。在讲述选择培养基时，提供的是在黄石国家公园热泉中发现DNA聚合酶的事例，这可以使学生对进化和适应观有更深入的了解。完成尿素分解菌培养基配方的设计及拓展应用题“你打算到什么环境中去寻找纤维素分解菌”、旁栏思考题“推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么”等也都需要运用进化与适应观。本模块也有一些内容是深化观念的，例如，教材介绍生物技术在建设生态文明、改善生存环境和保护生物多样性等方面发挥的重要作用，可以涵养学生的生态观。

1．2  基于生命观念利用和改造生物 本模块将让学生认识到人类不是随意地利用和改造生物，而是需要基于以下生命观念。第一，生命本身是变化的，因此是可以改变的。例如，遗传物质在传递过程中可以发生变化，这就给转基因的操作提供了可能。第二，生命活动的变化是有规律的，因此，人类对生物的利用和改造要合规律。［1］例如，在制作腐乳时要创造一定的湿度和温度、在制作泡菜时要用水密封泡菜坛、在制作果酒和果醋时要设置不同的温度等条件，这其实创造了适合特定微生物生长的条件。只有这样，微生物的生命活动才能正常进行。胚胎移植之所以能够进行，是因为经过发情处理的供体和受体所发生的生理变化相似，人类可以利用这样有规律的生理变化来进行操作。第三，人类对复杂的生命系统的认识是十分有限的，因此，利用和改造要慎重，要权衡其效益和风险，使其合目的。目的就是为人类造福，不仅是眼前的，也包括长远的。例如，教材中安排了不少关于权衡效益和风险的思考题，比如掌握了某种技术（如动物细胞融合技术），你想用这个技术解决哪些问题呢？解决这些问题的大致思路是怎样的？这样做会有什么风险？在用微生物发酵生产乙醇汽油时，会增加粮食短缺的风险吗？在用iPS细胞进行治疗时，它的分裂活性会给治疗带来什么样的风险？这些问题都是引导学生进行权衡。

1．3  生命伦理观 本模块可以涵养生命伦理观。人类的需求是永无止境的，在现有的、天然的生物无法满足人类的需求时，人类开始改造生物的基因、细胞，由此催生了基因工程、细胞工程。这涉及怎么去利用和改造现在的生命体，在利用和改造的过程中还可能产生安全性与伦理问题，它们都属于生命伦理观的范畴。例如，在进行发酵工程的基本环节分析时，引导学生思考“排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？”这直指生态伦理。如果诱导iPS细胞定向分化为生殖细胞的技术发展成熟，可能带来哪些问题？假如克隆人来了，会带来哪些伦理问题？设计“试管婴儿”、培育人兽嵌合体、进行胚胎的基因组编辑等，分别会带来什么样的伦理问题？这些问题，会使学生从个人与他人、个人与集体、个人与社会的各种利害关系等角度去思考应该建立怎样的道德规范，应该遵循怎样的原理和规则。

2．思维的视角：综合培养科学思维、技术思维、工程思维和伦理思维 从思维层面来看，本模块突出的是技术思维、工程思维和伦理思维。但对这些思维的培养，是离不开科学思维的，所以说本模块可以综合培养学生的科学思维、技术思维、工程思维和伦理思维。

2．1  关于科学思维 科学思维的核心是理性思维，理性思维具有批判质疑、重实证、重逻辑等特点。批判质疑是理性思维主体的心理品质，因此有些研究者将英文“Critical thinking”译为“批判性思维”或“审辨式思维”，而有些研究者将其译为“理性思维”。这也就意味着，批判性思维的很多技能其实与理性思维的技能是一致的。20世纪90年代，国外有专家团队将解释、分析、评估、推理、说明和自我校正等6个技能列为批判性思维的核心技能。2000年之后（特别是2010年之后），西方发达国家出版的生物学教科书，绝大多数将批判性思维置于非常重要的地位，它们突出培养的批判性思维的技能有：辨析原因与结果、比较与对照、得出结论、预测后果、问题解决、证明合理的判断、分析、评估等，与专家们所提出的核心技能一致。

在本模块中，重点训练的批判性思维技能如下。

从核心技能上看，教材全方位训练了专家们所提出的核心技能。例如，通过“思维训练”（如评估论点的可信程度和评估获取证据的难度）、拓展思考题（如评估乙醇汽油对于粮食短缺的风险、iPS细胞应用的风险等）、复习与提高题（如评估检测冰激凌中大肠杆菌是否超标的实验设计思路）等，对学生的评估技能进行训练。基于检测番薯中是否有农杆菌基因和克隆羊多莉的实验数据的复习与提高题，主要训练学生基于证据推理的能力。在“探究·实践”中的“结果分析与评价”部分设计的很多思考题，如“如果你对结果不满意，应该如何改进？”，以及要求学生对实验方案进行完善等，可以训练“自我校正”的技能。还有很多习题及问题的设计是指向解释、分析等技能的，这里不再一一举例。可以说，几乎对所有问题的思考都离不开理性思维。

从思维进程上看，本模块突出了批判性思维的后期阶段的技能，如做决策。很多研究者认为，批判性思维的目标在于作出明智的决定、得出正确的结论，只有这样，学生未来才能成为一名理性的决策者、积极的问题解决者。教材中有不少习题引导学生思考如何作出决策。例如，关于如何提高甜叶菊繁育效率的拓展题、关于如何提高青蒿素类药物产量的复习与提高题等，教材中给出的信息不足以让学生明确地作出决策，需要学生考虑：影响你作出决策的关键因素是什么？以上哪些信息为你的决策提供了帮助？这些信息足够你做决策用吗？如果不够，你认为还应该获得哪些信息？你做决定时，是否考虑了备选方案？ 从难度上来看，搜集证据和评估证据是批判性思维的难点之一。教材特意就这个方面对学生进行了训练。例如，在“评估论点的可信程度”这个“思维训练”中，给出了这样的问题：如果要更加有力地支持或反驳水果“酵素”有益健康的论点，应该怎样获取证据？在探讨多莉羊早衰问题的拓展题中，要求“寻找支持各方观点的研究证据”。

另外，在第4章安排的“辩论会”栏目中，给出了辩论前的准备及辩论时的注意事项，这其实是对批判性思维要点的总结，如区分谣言与事实、区分事实与观点、要舍弃矛盾的证据、要进行符合逻辑的推理判断、要避免得出言过其实的结论等。

2．2  关于技术思维和工程思维 本模块的名称是“生物技术与工程”，毫无疑问，技术思维和工程思维会贯穿技术操作和工程实践的始终。

技术思维是解决技术问题的一种特有的思维活动，其实质内容是提出确定的创造或改造事物的方案或意见，涉及技术发明、技术设计或施工措施等过程。技术思维的过程是：需求分析→技术反思→技术原理→技术建构→技术系统。教材对一些技术的介绍就体现了这一思维路径。例如，基因工程（重组DNA技术）一章先提出了培育抗虫棉的需求；
然后指出用转基因技术可以培育抗虫棉，这一技术是在DNA分子水平上进行设计和施工；
接着介绍了若干构成技术的要素，如限制酶、连接酶、载体等；
进一步讲解了利用这些要素来建构基因工程的基本操作流程。技术往往具有一定的标准和规范，因此技术思维具有严谨性。教材中让学生进行微生物纯培养、分离与计数以及植物组织培养的实验，有的强调了技术涉及的安全准则，有的提示学生要进行规范的无菌操作、设置对照组、做好标记等，这些都有助于训练学生的规则意识，培养思维的严谨性。除了通过学习新技术来感悟技术思维，更重要的还是要让学生学会应用技术思维来解决实际生活中的问题。教材“动物细胞工程”和“胚胎工程”两节的习题中让学生选择使野驴“复生”的可行方案、思考运用现代生物技术人工繁育北方白犀牛等就反映了这一理念。

工程思维是指人类在工程实践过程中所进行的思维活动。工程实践一般会经历规划设计、建设实施以及消费使用三个阶段。

工程规划设计是对工程的构思和设想，这一阶段的思维侧重于创造性和筹划性。例如，教材介绍了米尔斯坦和科勒创造性地设计了将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合获得能产生单克隆抗体的杂交瘤细胞的方案。在进行工程规划、决策或风险评估时，不但要预估该工程近期的和直接的结果，还要预估远期的和间接的结果；
既要预估正面的效益，又要预估可能产生的负面影响。例如，教材在“到社会中去”栏目中安排了如下的情境与思考：“有了抗虫棉是否就可以一劳永逸、高枕无忧呢？科研工作者在没有发现棉铃虫出现抗性之前，就应该想办法应对。他们想出的延缓棉铃虫对Bt抗虫蛋白产生抗性的措施有哪些？这些措施的原理是什么？有效吗？”在工程设计时还应该思考工程理想与工程实践两者间矛盾的解决方案，包括对工程目的和实现途径的思考、工程合理性的思考等。例如，教材安排了“查阅资料、专利文献等了解：哪些成果已经在生产实践上得以应用，其经济价值如何？哪些成果还没有在生产实践中得以推广，其限制因素是什么？”这样的问题。

在建设实施环节，应从工程设计时的创新思维转向从项目的常规性、稳定性、安全性、可控制性等方面进行考虑。例如，教材在介绍发酵工程的基本环节时，指出现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的多种参数进行监测和控制，并能进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态，还让学生思考“在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？”这是对工程的安全性进行的思考。

当工程进入消费应用阶段，就会受到大众对其效益、安全性等各方面的检验和评价，这就涉及对保证工程产生正面效益、成果安全可靠、对工程或其相关技术进行修正或发展等方面的思考。例如，本模中提到胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理问题，因而限制了它在医学上的应用，之后科学家培养出了应用前景优于胚胎干细胞的iPS细胞；
基因工程已经步入产业化发展阶段，具有巨大的生产力和发展潜力，我们要严格规范操作流程，科学、客观地评估风险，才能让基因工程永葆生机。

科学思维、技术思维与工程思维作为科学、技术与工程三种不同的社会实践活动过程中的思维活动，它们之间必然存在着区别。表1从思维的出发点、思维主体、思维动力、思维路径、思维成果的表现形式几个方面对三者进行了比较。

表1  科学思维、技术思维与工程思维的区别 比较项目 科学思维 技术思维 工程思维 思维的出发点 从日常生活、自然现象或实验现象提出的科学问题 人类生产生活中产生的某种技术问题 人类生产生活中的某种需求或是工程实践中提出的工程问题 思维主体 科学共同体（如科学家）
技术共同体（如发明家）
工程共同体（包括决策者、投资者、管理者、工程师、工人等）
思维动力 好奇心、求知欲等 求新、求巧、求精的工具理性驱动 求效益、求优化的价值驱动 思维路径 提出问题→作出假设→验证→再假设……直到接近现象的本质 分析→抽象→想象思维→综合……直到获得新技术或创造出新方法 需求（问题）分析→设计方案→实施→优化方案→再实施……直到获得理想的工程成果 思维成果的表现形式 科学理论、定律、规律等，它是普遍的、人类共有的 发明、专利、技术诀窍，技术文献或论文，它具有知识产权或独占权，也可交流 设计图纸、规划蓝图、操作方案等，无法做到人类共享 技术思维、工程思维和科学思维虽然有区别，但它们也存在着相互渗透、相互影响的关系。它们在思维的逻辑性、严谨性、科学性等方面具有高度的一致性，思维方式也有很多共通之处，如分析与综合、模型与建模等方面。工程思维是在遵循科学思维与技术思维规律的基础上，吸收与采纳了人文思维、社会思维、艺术思维等众多思维智慧成果而形成的一种综合性思维，它涵盖了科学思维与技术思维的内容、面向解决更为复杂的工程问题；
它的深化和发展会拓展和升华科学思维与技术思维。教材中提出了一系列问题，如在“到社会中去”让学生思考“当把少量制作转化为大规模生产时，需要解决哪些实际问题？你能从中体会到技术与工程的区别和联系吗？”“在产物分离和提取方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？”在讲啤酒的工业化生产时，提到的“我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？”等，就是让学生在思考、回答问题的过程中体会技术思维与工程思维的区别与联系。

2．3  伦理思维 科学思维是为了探究事物本质及其相互联系以及事物变化和发展的规律，人们对有关信息进行加工和处理的思维；
伦理思维则是关乎个人与他人、个人与集体、个人与社会的各种利害关系及其行为应该如何的一种思维方式。前者一般是由人们天然的兴趣和好奇心等因素促使形成的，后者的形成多出于责任心、同情心或嫉妒心等心理因素。前者指向自然世界，后者不单指向自然世界，更主要的是还反作用于人类自身（更多是指向人文世界）。在进行生物技术与工程操作时，应该思考人类的行为、技术和工程如何更符合人类的利益，包括近期利益和远期利益、局部利益和整体利益等。［1］这些都属于伦理思维的范畴。伦理思维与科学思维也有共同点，它们是密切相关的。如果没有联想、类比、反思等科学思维，就不可能有成熟的伦理思维及其关怀的对象。

在教材中，训练学生伦理思维的素材有很多。例如，让学生通过思考“排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？”“假如克隆人来了，会带来哪些伦理问题？”“通过‘设计试管婴儿’救治自己的孩子，是否合乎伦理？”“如果未来培育出‘人兽嵌合体’，它是不是也会面临与克隆人一样的伦理问题？”“对人类胚胎进行基因组编辑会带来哪些伦理问题？”等问题，培养关心人类和社会的伦理思维。这样学生未来在走上工作岗位时，能够既热爱自己所从事的事业，又关注人类的和平和正义事业，立志通过自己的不懈努力，为人类社会创造出更多、更美好的财富。

3．探究与实践的视角：发展探究与实践能力，理解科学的过程和本质 教材安排了很多活动，包括6个“探究·实践”，2个思维训练，13个“思考·讨论”，1个课外实践，1个辩论会等。通过这些活动，可以较全面、真实地培养学生的科学探究能力，较严格、多方位地培养学生的实际操作能力，并能促进学生对科学过程和科学本质的理解。

3．1  较全面、真实地发展学生的科学探究能力 教材安排的需要学生动手实践的活动比较多，大多数实验的目的不是去解释某个现象，而是通过技术层面的操作获得产品。很多探究活动的写法具有开放性，这使学生具有很大的自主权，由于最终要获取某项“产品”，具有“实战演练”的性质，因此可以全方位地提升学生的科学探究能力。在很多情况下，学生需要获取某种成果或产品，并拥有改进成果或产品的机会，而不是认识理论或进行简单的数据整理。这种真实性，给他们带来了压力和挑战。自我评价，相互评价，合作协调、小结反思等，也自然地贯串于完成任务的全过程。

除了实际动手操作的探究活动，教材中的理论性探究也占据重要的位置，可以发展学生搜集分析资料、口头交流、辩论等方面的能力。以开放性讨论和课堂科学辩论形态呈现的“动嘴”活动，以书面形式进行科学论证的“动笔”活动，可以促进学生将动手能力、动脑能力和动嘴（笔）能力紧密结合。

3．2  较严格、多方位地培养学生的实际操作能力 教材中安排的“探究·实践”活动的出色完成，既依赖于实验方案设计的正确，还需要一丝不苟的、精确而细致的操作。在以下方面，教师对学生应严格要求，将有利于提升学生的实际操作能力，并保证探究活动的顺利完成。

·认清操作的目的和原理；

·了解操作对象和工具的性质；

·熟悉操作的顺序和要领；

·观察和分析操作的效果；

·多次练习操作，熟能生巧；

·杜绝不安全的操作行为。

3．3  较深入地理解科学的过程和本质 课标在“教学建议”里，以举例子的形式给出了高中生物学适合教授的科学本质的内涵。教科书呈现的素材，是将这些内涵具体化了。“从社会中来”“到社会中去”和“与生物学有关的职业”等栏目的名称本身就反应了科学本质观，集中体现了科学本质中的多方面内涵；
教科书中关于科学史的内容，对于学生理解科学过程和科学本质具有相当重要的作用。［7］例如，每章的“科技探索之路”概述了相关领域的发展历程，集中展现了科学具有开放性、科学知识可能随着研究的深入而改变、科学是创造性的工作、科学会对社会产生重要影响等多方面的内涵。

当学生进行探究实践时，对于科学过程和科学本质的理解将会更加深入。例如，学生基于某一个假说去搜集证据，这渗透了科学是一种独特的认识方式，需要有效的证据去支持假说。学生以自己喜欢的方式去搜集证据，模拟了“科学家可以以他们喜欢的方式，基于一定的原则创造性地进行观察和测量”。探究实践中的艰辛，也能在一定程度上说明“科学是一项呕心沥血的工作，是人类的尝试与努力”。科学具有公开性，科学结果出来以后，要向公众公布。实验数据出来之后，学生要工整地写出自己的结论、证据及推理的过程，并向全班汇报，在这个过程中，他们正确使用科学术语的能力也得到了培养。科学具有精确性，清晰地交流是从事科学工作的基本条件。将观点准确表述出来的过程、呈现资料的过程都可以促进学生反省、思考并建构新的知识。当一些观点需要写出来或公布时，作者要进行深入的、基于事实与原理的思考，并进行符合逻辑的呈现。这些过程，同样也能加深学生对科学本质的理解。另外，科学家的主观性、科学方法的多元性、科学的可重复性等科学本质的内涵也都能在学生进行探究实践的过程中得以反映。

4．责任的视角：引导关注科学技术的应用，增强社会责任感 本模块在社会责任方面的侧重点是：运用生物技术解决生产、环境保护及人类健康问题；
理性地运用生物技术，不要滥用；
要关注生物技术的安全性和伦理问题。

社会责任建立在对祖国和家乡热爱的基础上，因此社会责任教育首先是爱国主义教育。教材有机融入了丰富的体现现代科技自信、社会关爱、生物相关政策认同、以及弘扬中华优秀传统文化等的内容。例如，以我国取得的克隆猴的研究成果作为章首页，让学生看到了我国的科技实力，有助于增强他们的民族自豪感和自信心；
在引入小节内容时，用到了描述兰花的优美古文、《西游记》中的经典片段，这是在渗透中华优秀传统文化，增强学生的文化自信。

社会责任教育可以体现在科学精神、科学态度和科学价值观等方面，教材从这些角度进行了渗透，同时渗透了生态文明教育和健康教育。例如，教材“科学家访谈”里，提到的“共需、共有、共为、共享”的人类基因组计划的精神，体现了科学家的责任担当；
教材里多处讲到，生物技术在建设生态文明、改善环境和保护生物多样性等方面的作用；
提出的“你认为该泡菜在什么时间食用比较合适？”的问题则渗透了健康教育。教材第4章“生物技术的安全性和伦理问题”及其他章节中设计的对相关伦理问题的讨论，更是直指科学技术的社会责任问题。让学生热爱社会主义祖国，树立为民族振兴和社会进步作出贡献的远大志向，对自己的行为负责，具有社会责任感，是生物学课程贯穿始终的目标。

本模块的社会责任教育还体现在以下2个方面。

（1）关注科学技术的应用。本模块教材并非仅介绍纯粹的生物科学技术，而是紧密结合着社会生活、生产和发展的现实需求来引导学生的学习。例如，教材每节开篇的“从社会中来”栏目中都创设了一个来自社会实际的背景，提出问题启发学生思考；
节最后的“到社会中去”栏目中有让学生探讨有关技术应用的内容。这不仅能较好地唤起学生的学习兴趣，还能帮助学生树立关注社会问题的意识，提高对生物科学技术在社会应用中正负两方面影响的认识。

（2）培养并树立与时俱进的观念。教材在选择内容时，把时代性放在了突出的位置，介绍了大量最新的生物科技研究进展，这可以让学生深切感受到现代生物科学技术是在创新和革新中不断发展的。培养并树立与时俱进的观念，不仅是学习本模块的需要，也是学生步入社会取得成功的需要。