福建 曾國(guó)陽(yáng)

(作者單位：福建省惠安第一中學(xué))

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中提出了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應(yīng)貫穿于教材編寫(xiě)、課堂教學(xué)及考試評(píng)價(jià)中。信息時(shí)代，數(shù)據(jù)已經(jīng)融入試卷講評(píng)課,避免了教師在講評(píng)課中的“主體化”“滿堂灌”等現(xiàn)象，使生物學(xué)試卷講評(píng)課更高效、更有針對(duì)性。學(xué)生不僅可以鞏固和梳理所學(xué)的知識(shí),還可以進(jìn)一步深化學(xué)科核心素養(yǎng),同時(shí)反思學(xué)習(xí)方法,使其進(jìn)一步優(yōu)化和提升。

基因工程中，目的基因可以通過(guò)PCR技術(shù)擴(kuò)增獲取，但相關(guān)知識(shí)內(nèi)容比較抽象，學(xué)生在考試或練習(xí)作答時(shí)，常常出現(xiàn)差錯(cuò)。筆者通過(guò)數(shù)據(jù)分析學(xué)生的試題作答情況，以學(xué)生為中心布置課前任務(wù)。在教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生制作PCR擴(kuò)增后的簡(jiǎn)易模型，通過(guò)課堂展示、講述、評(píng)價(jià)、補(bǔ)充、延伸、拓展等步驟，幫助學(xué)生深度學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)知識(shí)。

1.數(shù)據(jù)分析試題作答情況

【例1】(節(jié)選)雙子葉植物甲因含有抗旱基因而具有極強(qiáng)的抗旱性，植物乙抗旱性低。利用基因工程技術(shù)將甲的抗旱基因轉(zhuǎn)移至乙體內(nèi)，可提高植物乙的抗旱性?；卮鹣铝袉?wèn)題：

圖1

(2)使用PCR技術(shù)擴(kuò)增抗旱基因時(shí)，可選擇圖1中A、B、C、D四種單鏈DNA片段中的________作為引物，此過(guò)程還需要________酶，但不需要解旋酶，而是利用________使DNA解旋。若進(jìn)行n次循環(huán)的擴(kuò)增，理論上至少需要________個(gè)引物，只含一種引物的DNA分子一共有________個(gè)。

【參考答案】(2)B、CTaq高溫 2n+1-2 2

例1為筆者所在學(xué)校高二下學(xué)期期末考試的試題節(jié)選，考查了PCR技術(shù)擴(kuò)增的相關(guān)內(nèi)容，筆者通過(guò)網(wǎng)上閱卷數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的作答情況并不理想，班級(jí)得分率只有61.86%(圖2)。

圖2

筆者通過(guò)查閱個(gè)別學(xué)生答卷情況、與學(xué)生交流溝通、問(wèn)卷調(diào)查等方式，發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生對(duì)PCR技術(shù)擴(kuò)增相關(guān)內(nèi)容的理解不夠充分，導(dǎo)致作答錯(cuò)誤，圖3為一位學(xué)生的答卷情況。

圖3

美國(guó)教育學(xué)家艾德格·戴爾的“記憶金字塔理論”認(rèn)為不同的課堂組織方法使得學(xué)生所達(dá)到的學(xué)習(xí)效果也不相同。傳統(tǒng)課堂的被動(dòng)式學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果最差，學(xué)生的記憶程度均在30%以下，而團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果較好，學(xué)生的記憶程度均在50%以上。PCR擴(kuò)增技術(shù)是高中生物學(xué)教材選修3中的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，且與必修2的知識(shí)內(nèi)容相聯(lián)系。日常教學(xué)過(guò)程中，教師結(jié)合課件及視頻展示PCR的過(guò)程，多次、反復(fù)講解，但學(xué)生作答的錯(cuò)誤率還是很高，這說(shuō)明以老師為主的講授，學(xué)生的學(xué)習(xí)效益不高。針對(duì)以上情況，筆者以學(xué)生為中心，通過(guò)課前布置任務(wù)、準(zhǔn)備材料、學(xué)生小組合作、制作PCR擴(kuò)增后的簡(jiǎn)易模型、展示并講述評(píng)價(jià)模型等一系列活動(dòng)，使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到了課堂教學(xué)中，突破了教學(xué)中的重難點(diǎn)知識(shí)。

2.制作PCR擴(kuò)增后簡(jiǎn)易模型

2.1課前提醒學(xué)生制作PCR擴(kuò)增后的簡(jiǎn)易模型

每2名學(xué)生為1組，每組1份材料，材料包括：30 cm×30 cm白色楞紙箱手工DIY材料厚硬紙板多塊、鉛筆、剪刀、尺子、雙面膠、若干份A4紙[內(nèi)容如圖4,其中引物有4種(加粗表示)]。除目的基因頭尾及引物標(biāo)出堿基外，其他堿基部分均用虛線表示。要求學(xué)生利用工具，剪、貼相關(guān)片段于硬紙板上，制作前3次擴(kuò)增后的模型。

圖4

2.2課堂展示部分學(xué)生制作的模型

2.2.1第1、2次擴(kuò)增后模型(圖略)

課堂上，教師檢查各小組學(xué)生完成情況，并讓某一小組的學(xué)生上臺(tái)展示第1、2次擴(kuò)增后的模型圖，同時(shí)結(jié)合課本知識(shí)講述相關(guān)內(nèi)容：擴(kuò)增時(shí)選擇圖4中1、3引物，在90～95 ℃高溫條件下，DNA兩條鏈的氫鍵斷開(kāi)，退火至55～60 ℃時(shí)，引物的5′端與目的基因的3′端前段互補(bǔ)配對(duì)，加熱至70～75 ℃時(shí)Taq酶從引物起始，利用4種原料沿著5′端到3′端的方向進(jìn)行延伸，完成互補(bǔ)鏈的合成。教師加以補(bǔ)充并強(qiáng)調(diào)：無(wú)論DNA是體內(nèi)復(fù)制還是體外復(fù)制，子鏈都是沿著5′端到3′端的方向進(jìn)行延伸的。學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)第2次擴(kuò)增后產(chǎn)生4個(gè)DNA分子，所形成的DNA分子雙鏈都不整齊，目的基因還未從DNA片段中完整擴(kuò)增出來(lái)。

2.2.2第3次擴(kuò)增后模型(圖5)

圖5

學(xué)生展示擴(kuò)增3次后的模型圖，教師評(píng)價(jià)，先對(duì)學(xué)生的模型表示肯定，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，再引導(dǎo)學(xué)生觀察擴(kuò)增3次后的模型圖，詢問(wèn)學(xué)生是否發(fā)現(xiàn)不一樣的DNA片段。學(xué)生發(fā)現(xiàn)：通過(guò)第3次擴(kuò)增，產(chǎn)生了2個(gè)頭尾整齊的目的基因。

2.2.3錯(cuò)誤模型展示

英國(guó)心理學(xué)家貝恩布里奇曾說(shuō)“錯(cuò)誤人皆有之,作為教師不利用是不可原諒的。”課堂中的“錯(cuò)誤”如果利用好,會(huì)產(chǎn)生更多的思維碰撞,使課堂更加精彩。對(duì)“錯(cuò)誤”的研究是非常有必要的，因?yàn)殄e(cuò)誤往往是學(xué)生思維的真實(shí)反映,讓學(xué)生充分展示思維過(guò)程,才能探求其產(chǎn)生錯(cuò)誤的內(nèi)在因素,而集體共同識(shí)錯(cuò)、思錯(cuò)和糾錯(cuò)的過(guò)程,也會(huì)生成一種更加真實(shí)、更有價(jià)值的教學(xué)資源。所以，教師除了展示正確的模型圖外，也應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生錯(cuò)誤的制作方法，圖6為某學(xué)生在制作第1次擴(kuò)增時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的模型圖。

圖6

教師啟發(fā)學(xué)生思考、討論，讓學(xué)生自己解決問(wèn)題，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原來(lái)是因?yàn)檫x擇了不正確的引物，認(rèn)為子鏈從3′端開(kāi)始延伸或延伸方向不正確，才導(dǎo)致無(wú)法將目的基因從DNA片段中擴(kuò)增出來(lái)。

3.引導(dǎo)提升，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

通過(guò)前面3次擴(kuò)增，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)除了原來(lái)兩條母鏈不含引物(圖中引物均加粗表示)外，其他子鏈都含有引物。因此，n次循環(huán)擴(kuò)增，理論上需要(2n+1-2)個(gè)引物，每種引物各需要(2n-1)個(gè)。如果要從某個(gè)含有目的基因的DNA片段中擴(kuò)增出目的基因，則至少需要經(jīng)過(guò)3次擴(kuò)增，才能產(chǎn)生2個(gè)完整的目的基因；n次循環(huán)擴(kuò)增，產(chǎn)生2n個(gè)DNA分子，但兩條母鏈各自形成的子代DNA分子長(zhǎng)短不齊，不完全是目的基因，數(shù)量為2n個(gè)，所以，只含有完整目的基因的有(2n-2n)個(gè)。整個(gè)過(guò)程是學(xué)生自主觀察發(fā)現(xiàn)、找出規(guī)律、建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程。

4.延伸拓展，關(guān)注新冠疫情的防控過(guò)程

課堂教學(xué)不僅要完成《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求的知識(shí)內(nèi)容，還要能聯(lián)系社會(huì)中的“熱點(diǎn)事件”，突出過(guò)程性，讓學(xué)生在知識(shí)的發(fā)生、發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用過(guò)程中，在問(wèn)題的分析、探索過(guò)程中完成學(xué)習(xí)，達(dá)成優(yōu)化學(xué)習(xí)的效果。聯(lián)系“新冠病毒”的防控過(guò)程，產(chǎn)生疑問(wèn)“新冠病毒的核酸是如何被檢測(cè)的？”教師引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，小組講述相關(guān)知識(shí)，原來(lái)新冠病毒的核酸檢測(cè)采用的是“RT-PCR技術(shù)”(逆轉(zhuǎn)錄熒光PCR技術(shù))，因?yàn)樾鹿诓《镜倪z傳物質(zhì)為RNA，且在體外高溫條件下容易被分解，故需要把病毒的遺傳物質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄為DNA之后，以cDNA為模板，用新冠病毒的特異性引物合成DNA，達(dá)到擴(kuò)增cDNA的目的。擴(kuò)增的病毒DNA片段因能夠發(fā)出熒光而被儀器檢測(cè)到。

綜上，基于數(shù)據(jù)分析，獲取學(xué)生在作答過(guò)程中的表現(xiàn)情況，不僅可以診斷出教師在教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，而且能夠有針對(duì)性地了解學(xué)生對(duì)教材中某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度、理解誤差。教師可以根據(jù)不同的生物學(xué)知識(shí)，創(chuàng)設(shè)適宜學(xué)生理解、掌握的教學(xué)情境，以學(xué)生為中心建構(gòu)知識(shí)體系。通過(guò)打印紙片對(duì)PCR擴(kuò)增過(guò)程進(jìn)行建模，不僅材料簡(jiǎn)單、取材方便，學(xué)生在操作過(guò)程中如果出現(xiàn)差錯(cuò)，還可以“自我反思”，總結(jié)“經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)”；還可以多次重新制作，直至學(xué)生獲得最滿意的結(jié)果。整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅要?jiǎng)邮植僮?，還要?jiǎng)幽X思考，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，最終獲得準(zhǔn)確的模型，達(dá)到了深度學(xué)習(xí)相關(guān)生物學(xué)知識(shí)的效果。