福建 曾國陽

(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)》(以下簡稱《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、課堂教學(xué)及考試評價中。信息時代，數(shù)據(jù)已經(jīng)融入試卷講評課,避免了教師在講評課中的“主體化”“滿堂灌”等現(xiàn)象，使生物學(xué)試卷講評課更高效、更有針對性。學(xué)生不僅可以鞏固和梳理所學(xué)的知識,還可以進(jìn)一步深化學(xué)科核心素養(yǎng),同時反思學(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PCR技術(shù)擴(kuò)增獲取，但相關(guān)知識內(nèi)容比較抽象，學(xué)生在考試或練習(xí)作答時，常常出現(xiàn)差錯。筆者通過數(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)過程中，讓學(xué)生制作PCR擴(kuò)增后的簡易模型，通過課堂展示、講述、評價、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。

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?；卮鹣铝袉栴}：

圖1

(2)使用PCR技術(shù)擴(kuò)增抗旱基因時，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________個引物，只含一種引物的DNA分子一共有________個。

【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，班級得分率只有61.86%(圖2)。

圖2

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

圖3

美國教育學(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的知識內(nèi)容相聯(lián)系。日常教學(xué)過程中，教師結(jié)合課件及視頻展示PCR的過程，多次、反復(fù)講解，但學(xué)生作答的錯誤率還是很高，這說明以老師為主的講授，學(xué)生的學(xué)習(xí)效益不高。針對以上情況，筆者以學(xué)生為中心，通過課前布置任務(wù)、準(zhǔn)備材料、學(xué)生小組合作、制作PCR擴(kuò)增后的簡易模型、展示并講述評價模型等一系列活動，使學(xué)生積極主動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。

2.制作PCR擴(kuò)增后簡易模型

2.1課前提醒學(xué)生制作PCR擴(kuò)增后的簡易模型

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)生上臺展示第1、2次擴(kuò)增后的模型圖，同時結(jié)合課本知識講述相關(guān)內(nèi)容：擴(kuò)增時選擇圖4中1、3引物，在90～95 ℃高溫條件下，DNA兩條鏈的氫鍵斷開，退火至55～60 ℃時，引物的5′端與目的基因的3′端前段互補(bǔ)配對，加熱至70～75 ℃時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。

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，教師評價，先對學(xué)生的模型表示肯定，激勵學(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)：通過第3次擴(kuò)增，產(chǎn)生了2個頭尾整齊的目的基因。

2.2.3錯誤模型展示

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

圖6

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

3.引導(dǎo)提升，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

通過前面3次擴(kuò)增，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)除了原來兩條母鏈不含引物(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)個引物，每種引物各需要(2n-1)個。如果要從某個含有目的基因的DNA片段中擴(kuò)增出目的基因，則至少需要經(jīng)過3次擴(kuò)增，才能產(chǎn)生2個完整的目的基因；n次循環(huán)擴(kuò)增，產(chǎn)生2n個DNA分子，但兩條母鏈各自形成的子代DNA分子長短不齊，不完全是目的基因，數(shù)量為2n個，所以，只含有完整目的基因的有(2n-2n)個。整個過程是學(xué)生自主觀察發(fā)現(xiàn)、找出規(guī)律、建構(gòu)知識的過程。

4.延伸拓展，關(guān)注新冠疫情的防控過程

課堂教學(xué)不僅要完成《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求的知識內(nèi)容，還要能聯(lián)系社會中的“熱點(diǎn)事件”，突出過程性，讓學(xué)生在知識的發(fā)生、發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用過程中，在問題的分析、探索過程中完成學(xué)習(xí)，達(dá)成優(yōu)化學(xué)習(xí)的效果。聯(lián)系“新冠病毒”的防控過程，產(chǎn)生疑問“新冠病毒的核酸是如何被檢測的？”教師引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，小組講述相關(guān)知識，原來新冠病毒的核酸檢測采用的是“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到。

綜上，基于數(shù)據(jù)分析，獲取學(xué)生在作答過程中的表現(xiàn)情況，不僅可以診斷出教師在教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，而且能夠有針對性地了解學(xué)生對教材中某個知識點(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，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)知識體系。通過打印紙片對PCR擴(kuò)增過程進(jìn)行建模，不僅材料簡單、取材方便，學(xué)生在操作過程中如果出現(xiàn)差錯，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。整個過程中，學(xué)生不僅要動手操作，還要動腦思考，結(jié)合所學(xué)知識，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)知識的效果。