［摘 要］深度學(xué)習(xí)注重批判理解、強(qiáng)調(diào)信息整合、促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)、著意遷移運(yùn)用、面向問題解決，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。在與“基因”這一核心概念相關(guān)的教學(xué)中運(yùn)用SnapGene軟件，可以促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因、蛋白質(zhì)、基因表達(dá)、基因表達(dá)調(diào)控、基因工程等知識(shí)的結(jié)構(gòu)化理解，進(jìn)而提升學(xué)生應(yīng)用知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力。

［關(guān)鍵詞］深度學(xué)習(xí)；SnapGene軟件；高中生物學(xué)

［中圖分類號(hào)］" " G633.91" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號(hào)］" " 1674-6058（2025）02-0069-05

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下稱新課標(biāo)）明確指出，學(xué)科目標(biāo)從知識(shí)的理解與記憶轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)科核心素養(yǎng)的培育。新課標(biāo)的實(shí)施，要求教師重新審視并優(yōu)化學(xué)科教學(xué)的設(shè)計(jì)，圍繞學(xué)科大概念構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的課程內(nèi)容體系，以主題為引領(lǐng)實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的情境化教學(xué)，從而推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)核心素養(yǎng)的落實(shí)。新課標(biāo)的“教學(xué)與評(píng)價(jià)建議”中強(qiáng)調(diào)充分利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率[1]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下，借助NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)和SnapGene軟件等網(wǎng)絡(luò)資源和工具，不僅可以豐富課堂教學(xué)形式，提升教學(xué)效率，還可以拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。同時(shí)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)實(shí)踐情境，能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，從而推動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。高中生物學(xué)教學(xué)中，“基因通常是有遺傳效應(yīng)的DNA片段”和“基因工程的基本操作程序”等教學(xué)內(nèi)容較為抽象。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些抽象概念時(shí)，效率通常較低，且獲取的知識(shí)信息往往呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)，因此他們?cè)诮?gòu)基因和基因工程相關(guān)概念時(shí)感到比較困難。本文基于深度學(xué)習(xí)理論，探索SnapGene軟件在基因和基因工程概念教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值，并開發(fā)與利用大數(shù)據(jù)背景下的生物學(xué)教學(xué)資源，以期為廣大生物學(xué)教師的課堂教學(xué)提供有益的參考和借鑒。

一、深度學(xué)習(xí)——落實(shí)核心素養(yǎng)的重要途徑

深度學(xué)習(xí)的概念最早由瑞典教育心理學(xué)家費(fèi)倫斯·馬頓和羅杰·薩爾喬提出，國(guó)內(nèi)學(xué)者黎加厚（2005年）、吳秀娟（2012年）、安富海（2016年）等人也對(duì)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行了界定，他們指出深度學(xué)習(xí)具有注重批判理解、強(qiáng)調(diào)信息整合、促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)、著意遷移運(yùn)用、面向問題解決等基本特征[2]。教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展中心的“深度學(xué)習(xí)總項(xiàng)目組”進(jìn)一步將深度學(xué)習(xí)界定為：在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅掌握了學(xué)科的核心知識(shí)，還理解了學(xué)習(xí)的過(guò)程，把握了學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，并且形成了積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、高級(jí)的社會(huì)性情感、積極的態(tài)度、正確的價(jià)值觀。深度學(xué)習(xí)是信息時(shí)代教學(xué)改革的必然選擇，也是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑[3-4]。

依據(jù)新課標(biāo)，生物學(xué)科的深度學(xué)習(xí)具有以下特點(diǎn)：在學(xué)習(xí)目標(biāo)上，強(qiáng)調(diào)生物學(xué)核心知識(shí)的獲得與結(jié)構(gòu)化，生物學(xué)思想方法的建構(gòu)，生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)的發(fā)展；在學(xué)習(xí)過(guò)程上，提倡通過(guò)以探究性實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生積極參與并完成挑戰(zhàn)性任務(wù)；在學(xué)習(xí)結(jié)果上，強(qiáng)調(diào)必備知識(shí)的掌握及關(guān)鍵能力、價(jià)值觀念的形成，特別是要形成面對(duì)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜情境時(shí)能夠遷移與運(yùn)用生物學(xué)思想方法解決實(shí)際問題的能力。因此，生物學(xué)科的深度學(xué)習(xí)可以理解為：在挑戰(zhàn)性主題情境中，學(xué)生通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，理解并批判性地學(xué)習(xí)新的生物學(xué)知識(shí)，掌握生物學(xué)思想方法，并將其融入原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，建立運(yùn)用生物學(xué)思想方法解決問題的模型，同時(shí)將其應(yīng)用到綜合復(fù)雜問題的解決過(guò)程中，促進(jìn)生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、SnapGene軟件在高中生物學(xué)教學(xué)中的適用性

SnapGene是一款基因研究中常用的軟件，主要用于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模擬和分析，功能極為多樣。

通過(guò)SnapGene軟件，學(xué)生可進(jìn)行載體和目的基因的序列特征分析，包括相關(guān)的酶切位點(diǎn)、標(biāo)簽、啟動(dòng)子、終止子等功能元件的分析，并生成詳細(xì)的DNA序列文件。打開SnapGene軟件界面后，可見頂部菜單欄、側(cè)面常用工具欄以及底部選項(xiàng)卡菜單欄（如圖1）。

頂部菜單欄可以訪問SnapGene軟件的所有功能；底部選項(xiàng)卡菜單欄屬于快捷鍵區(qū)域，可以快速訪問常見的文件操作和顯示設(shè)置；側(cè)面常用工具欄屬于快速訪問區(qū)，包含常用的功能按鍵，這些按鍵自上而下進(jìn)行了編號(hào)，其圖標(biāo)對(duì)應(yīng)的功能及應(yīng)用情境詳見表1。

三、SnapGene軟件在高中生物學(xué)深度學(xué)習(xí)中的應(yīng)用策略

（一）發(fā)揮SnapGene軟件可視化功能，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化

高中學(xué)生在學(xué)習(xí)基因和基因工程相關(guān)的抽象概念時(shí)效率通常較低，獲取的知識(shí)信息往往呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)。而借助SnapGene軟件進(jìn)行基因序列分析和載體結(jié)構(gòu)分析，可以直觀了解基因和載體的結(jié)構(gòu)、功能元件，實(shí)現(xiàn)微觀分子結(jié)構(gòu)的可視化教學(xué)。這種教學(xué)方式可加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，推動(dòng)知識(shí)之間的鏈接，進(jìn)而促進(jìn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。

在“基因通常是有遺傳效應(yīng)的DNA片段”這一遺傳學(xué)重要概念的學(xué)習(xí)中，學(xué)生往往容易理解基因的化學(xué)本質(zhì)和遺傳效應(yīng)，并形成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)與功能對(duì)應(yīng)關(guān)系，但容易忽視對(duì)基因結(jié)構(gòu)的深入剖析，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)基因編碼區(qū)和非編碼區(qū)的聯(lián)系理解不足，不清楚非編碼區(qū)的啟動(dòng)子和終止子的結(jié)構(gòu)關(guān)系，也不清楚編碼區(qū)的內(nèi)含子和外顯子的結(jié)構(gòu)關(guān)系。這種認(rèn)知狀態(tài)，不利于學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)基因突變、生物進(jìn)化和基因工程等相關(guān)知識(shí)，阻礙了知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，教師可以基于深度學(xué)習(xí)理論，借助SnapGene軟件直觀分析基因結(jié)構(gòu)，并在軟件中顯示基因序列的相關(guān)功能特征，運(yùn)用其可視化的特點(diǎn)，推動(dòng)學(xué)生知識(shí)概念的延伸和鏈接，促進(jìn)基因相關(guān)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。具體教學(xué)步驟如圖2所示。

教學(xué)中可以胰島素基因和Cry1Ac基因（BT毒蛋白基因）為例，首先從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取這兩種基因的序列，然后應(yīng)用SnapGene軟件進(jìn)行基因序列分析，引導(dǎo)學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)基因結(jié)構(gòu)的編碼區(qū)和非編碼區(qū)、編碼區(qū)的內(nèi)含子和外顯子、位于編碼區(qū)上游的啟動(dòng)子和位于編碼區(qū)下游的終止子（如圖3）。接下來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生討論、比較真核和原核基因結(jié)構(gòu)的差異，構(gòu)建胰島素基因和Cry1Ac基因結(jié)構(gòu)模型（如圖4）并進(jìn)行反思互評(píng)。這一過(guò)程旨在實(shí)現(xiàn)知識(shí)的鏈接、遷移和運(yùn)用，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化。

在教學(xué)“重組DNA技術(shù)的基本工具”時(shí)，教師可以以“pBI121質(zhì)?！睘槔瑏?lái)直觀分析質(zhì)粒載體的特征。通過(guò)SnapGene軟件觀察，可以發(fā)現(xiàn)pBI121質(zhì)粒含有卡那霉素抗性基因等標(biāo)記，T-DNA范圍（T-DNA左右邊界范圍）內(nèi)有啟動(dòng)子和終止子，啟動(dòng)子和終止子之間有XbaI、BamHI、XmaI、SmaI、SacI等酶切位點(diǎn)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的限制酶還可以觀察到各自的特異性識(shí)別序列（如圖5）。

這樣直觀、可視化的學(xué)習(xí)過(guò)程不僅可以加深學(xué)生對(duì)質(zhì)粒中復(fù)制原點(diǎn)、標(biāo)記基因、酶切位點(diǎn)這三大核心元件的理解，還可以進(jìn)一步關(guān)聯(lián)到T-DNA的轉(zhuǎn)座特性和表達(dá)載體中啟動(dòng)子的種類和啟動(dòng)頻率，促進(jìn)學(xué)生在具體情境下對(duì)知識(shí)的理解、運(yùn)用、分析和創(chuàng)造，促進(jìn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，推動(dòng)高階思維的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

（二）運(yùn)用SnapGene軟件的設(shè)計(jì)與模擬功能，培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度， 運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。新課標(biāo)要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題[5]。

SnapGene軟件具有豐富的設(shè)計(jì)功能，特別是其PCR引物設(shè)計(jì)和構(gòu)建表達(dá)載體的設(shè)計(jì)特性，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的推理演繹、分析歸納、模型建模等科學(xué)思維能力具有重要作用。在基因工程的教學(xué)中，構(gòu)建基因表達(dá)載體的相關(guān)知識(shí)較為抽象，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不佳。尤其是在學(xué)習(xí)PCR引物設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生面臨的最大障礙是對(duì)模板鏈方向的認(rèn)知不足，這導(dǎo)致他們無(wú)法確定DNA聚合酶的移動(dòng)方向，進(jìn)而引發(fā)引物設(shè)計(jì)方向的錯(cuò)誤。為了改善這一教學(xué)狀況，教師可以采用項(xiàng)目式教學(xué)模式（如圖6），以此推動(dòng)深度學(xué)習(xí)。

在SnapGene軟件的輔助下，學(xué)生通過(guò)小組討論和體驗(yàn)引物設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)引物的理解從抽象的“一段用于PCR擴(kuò)增的，能與擴(kuò)增片段互補(bǔ)結(jié)合的單鏈DNA片段”升級(jí)為具象化的“結(jié)合目的基因擴(kuò)增片段3′末端的特異性片段，并可在引物的5′端添加限制酶識(shí)別位點(diǎn)，通過(guò)PCR擴(kuò)增實(shí)現(xiàn)在目的基因兩端人為引入所需酶切位點(diǎn)”，從而實(shí)現(xiàn)概念的延伸與鏈接。通過(guò)模擬PCR過(guò)程和凝膠電泳過(guò)程，鞏固了PCR過(guò)程和DNA復(fù)制的概念，加深了學(xué)生對(duì)模板、引物、聚合酶和限制酶的理解，提升了其高階思維能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析能力。借助SnapGene軟件，學(xué)生可以直觀地對(duì)載體和目的基因進(jìn)行分析，確定合適的插入位點(diǎn)，選擇合適的酶切位點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)PCR擴(kuò)增獲得帶有酶切位點(diǎn)的目的基因片段，選擇合適的DNA連接酶進(jìn)行連接。這一系列分析、設(shè)計(jì)、模擬過(guò)程不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的歸納與概括、演繹與推理、批判性思維、創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維，還能有效推進(jìn)深度學(xué)習(xí)，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（三）通過(guò)SnapGene軟件進(jìn)行建模模擬，提升解決問題能力

高中生物學(xué)的課程目標(biāo)包括掌握科學(xué)探究的思路和方法，善于從實(shí)踐的層面探討或嘗試解決現(xiàn)實(shí)生活問題[6]。為了達(dá)成這些目標(biāo)，教師可以創(chuàng)設(shè)與生產(chǎn)生活實(shí)踐相關(guān)的問題情境，預(yù)設(shè)并生成問題鏈，借助SnapGene軟件進(jìn)行模擬，提升學(xué)生解決問題的能力。

“基因工程的基本操作程序”是對(duì)“重組DNA技術(shù)的基本工具”的遷移應(yīng)用，也是學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)，更是構(gòu)建“基因工程賦予生物體新的遺傳特性”這一大概念的核心。然而，學(xué)情反饋和訪談?wù){(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)于PCR過(guò)程、凝膠電泳、表達(dá)載體構(gòu)建和酶切等概念完全是機(jī)械性記憶。此部分的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)常常受限于器材和試劑而難以展開。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，教學(xué)中教師可以提出胰島素的醫(yī)療需求問題、抗蟲棉的生產(chǎn)需求問題，預(yù)設(shè)相應(yīng)的問題鏈，再利用SnapGene軟件模擬胰島素高效基因表達(dá)載體構(gòu)建、抗蟲棉pBI121-Cry1Ac表達(dá)載體構(gòu)建（如圖8）以及雙酶切電泳鑒定等活動(dòng)。

在建模及模擬實(shí)踐過(guò)程中，可以更為直觀地呈現(xiàn)各類理論知識(shí)，并將其應(yīng)用于實(shí)踐。通過(guò)實(shí)踐遷移運(yùn)用學(xué)科知識(shí)，驗(yàn)證生物學(xué)思想方法，可提高學(xué)生的參與度，使他們?cè)诙鄨?chǎng)景遷移運(yùn)用中不斷提升解決問題的能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

SnapGene軟件憑借其強(qiáng)大的功能，如序列信息解析、PCR引物設(shè)計(jì)、表達(dá)載體構(gòu)建和凝膠電泳模擬等，在高中基因及基因工程相關(guān)概念的深度學(xué)習(xí)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際問題導(dǎo)向和問題鏈任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)SnapGene軟件、利用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析和構(gòu)建表達(dá)載體等活動(dòng)，促進(jìn)了知識(shí)的鏈接、遷移和運(yùn)用，進(jìn)而推動(dòng)了高階思維發(fā)展，加深了對(duì)生物學(xué)思想方法的理解和感悟，實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)，提升了學(xué)科素養(yǎng)。

在使用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)和SnapGene軟件等網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)施教學(xué)時(shí)，還可以進(jìn)一步拓展到蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件（SWISS-MODEL）。這些網(wǎng)絡(luò)資源能夠從概念出發(fā)，通過(guò)結(jié)構(gòu)化內(nèi)容鏈接，實(shí)現(xiàn)能力螺旋式上升和素養(yǎng)內(nèi)化的貫通，為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)生物學(xué)提供了重要的過(guò)渡和銜接。然而，需要注意的是，SnapGene軟件和NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接廣泛，其內(nèi)容范圍和深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了中學(xué)教學(xué)的要求。因此，教師在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)仔細(xì)篩選，確保所選內(nèi)容適用于課堂教學(xué)，以避免陷入教學(xué)誤區(qū)。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1][5][6]" 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 安富海.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[3]" 劉月霞，郭華.深度學(xué)習(xí)：走向核心素養(yǎng)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018.

[4]" 郭華.深度學(xué)習(xí)及其意義[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

（責(zé)任編輯" " 羅" " 艷）