高中生物自制教具的開發與應用案例研究
——以基因工程為例

◇安慶師范大學生命科學學院 潘美敬 李思悅 范志強

高中生物課程具有理論性強、知識性強、抽象、微觀、知識點龐雜的特點。同時，生物教學配套的演示教具不足，更加重了學生的理解難度，使部分學生在學習過程中被動接受、機械記憶。自制教具在很大程度上可以彌補以上不足。本文以基因工程教具的開發與應用為例，重點闡述如何利用教具提升學生的學習效果，論述自制教具開發的重要意義、對學生核心素養養成的重要作用以及教具使用過程中的教學建議等。

生物學科知識具有理論性強、知識性較強的特點，知識點龐雜，需要不斷積累[1]，且有些生命現象并不是短時間就可以完成的，我們很難在短時間內來完成對一個生命現象的觀察[2]。如何讓學生在有限的時間內理解知識、獲取技能并在此基礎上得以全面發展是本文想要探究的問題。自制教具作為很好的形象化材料，是對教科書的有益補充。它彌補了在教學中，由于缺乏器材，很多生命現象的解釋只能靠口頭表述，造成教師解釋的很累，但學生依然一知半解的問題，可以有效激發學生的積極性、提高課堂效率等。

1 自制教具的特點和開發意義

1.1 自制教具的特點和作用

自制教具具有科學直觀性、經濟性、靈活多樣性、針對性和創新性的特點[3]。教具可以將抽象、微觀的生物學知識以宏觀的形式展現在學生面前，使教學內容更加直觀。自制教具的選材很多，如舊卡紙、泡沫箱等，既可以避免浪費又可以調動教師的主觀能動性。

自制教具可以加深學生對生物知識的理解、促進學生的思考分析能力。自制教具能彌補生物儀器的不足、激發學生的想象探究能力，豐富生物學習的情感、增強學生的學習興趣[4]。教師在通過指導學生觀察這些直觀教具中設疑，從而把復雜、抽象的概念簡明化、形象化。直觀教具能夠給學生一種新鮮感，使學生注意力集中、思維活躍，從而順利地解決重、難點知識[5]。

1.2 自制教具對教學的意義和效果

（1）理論意義。2014年3月，教育部印發《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，基本原則包括“整合利用各種資源”“堅持繼承創新”“積極開拓,大膽試驗”[6]。2016年9月,教育部提出了學生發展的六大核心素養—人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當和實踐創新[7]，明確了當代學生適應終身發展和社會發展所需的品格與能力，為教師進行教育教學提供了重要思路和指南。2017年頒布的《普通高中生物課程標準》明確提出了從生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任來闡述高中生物教學的四維目標[8]。不難看出，我們的教育正在加快轉型，而自制教具以其獨有的特點，將在新一輪課程改革中發揮怎樣的優勢，值得我們挖掘。

（2）現實意義：高中生物教學方式的積極探索。我們能感受到國家對課程改革的決心之強、力度之大。在這樣一個背景下，我們的學生怎樣才能真正享受到教育政策的“紅利”，需要每個教師在教學踐行過程中認真琢磨、深入思考。我們面臨的最大挑戰以及需要下大力氣解決的難題，都在教學環節上[9]。我們要跳出原來教學中“重理論、輕實踐”的舊思想，盡量規避學生“死記硬背、動手就廢”的“假會”現象，利用好自制教具，讓它在素質教育的大潮中發揮應有的作用。

2 以“基因工程”相關章節為例的自制教具案例

2.1 PCR技術教具

（1）制作背景：PCR技術是基因工程中一項應用十分廣泛且非常重要的技術。無論是新人教版還是舊人教版教材，在基因工程的相關學習中，PCR技術一直是重點、難點，尤其是“延伸”過程，存在著老師講不明白、學生聽不懂，最終草草了事的情況。這打消了一些學生的學習積極性，也有損教師在學生心目中的形象。本著迎難而上，解決PCR技術教學中的難點問題，同時鞏固基礎知識的想法，PCR技術教具開發的想法應運而生。

（2）示意圖及使用：如圖1所示，1鏈和2鏈分別代表DNA的兩條鏈，藍色部分是目的基因。PCR技術前提是要知道“一段含目的基因的脫氧核苷酸序列”來設計引物，教師可以利用磁片隨機設置該序列進行PCR技術的講解，如圖2所示。需要注意的是，引物長度一般在15-30個堿基之間，但為了使演示更簡明，我們僅以5個堿基作為示范，此處需要向學生簡單說明。

圖1

圖2

教師進行演示講解后，可以多次改變引物，讓學生以小組為單位上臺進行演示，加強學生對PCR過程的理解和對DNA復制機制的認識。

2.2 “人胰島素基因導入大腸桿菌、酵母菌比較”教具

（1）制作背景：“基因工程”這部分知識涉及到非常多重點、難點。在“目的基因的篩選與獲取”中，許多同學不能很好理解基因組文庫、cDNA文庫的區別；在“基因表達載體的構建”中，很多同學不能牢記質粒載體的特點，也不能理解為什么要用雙酶切而不是單酶切。為了解決以上問題，同時讓學生對轉基因有個更整體的把握，開發新的教具勢在必行。

（2）示意圖及使用：圖3表示目的基因：左側表示基因文庫基因，右側表示cDNA基因。該磁質教具用于講解基因文庫基因和cDNA文庫基因的異同。圖4表示質粒載體。圖5展示該教具還可以用來演示目的基因的選擇和基因表達載體的構建過程。

圖3

圖4

圖5

以“人胰島素基因導入大腸桿菌”為例來講解目的基因的選擇和基因表達載體的構建。①首先引導學生思考并討論該選擇基因組文庫還是cDNA文庫，二者有何不同。②然后引導學生思考并討論如何構建基因表達載體，讓他們學會如何選取限制性核酸內切酶來進行切割，以及為什么。③以小組為單位討論，并使用該磁質教具完成完成目的基因的選擇和基因表達載體的構建。

3 學生的學習效果

（1）提高感性認識，助力解決重難點。高中生物學的很多知識較為抽象、離學生生活較遠，學生在認知上存在很大困難。學生在將新知識同化到大腦中之前，需要將新知識與原有的經驗聯系起來。教具的使用恰好能化抽象為具象，刺激學生的感官，為學生提供大量感性認識，幫助學生建立新知識與舊有經驗的連結。以PCR技術教具的使用為例，學生普遍感受到原來難以理解的知識理解了，難以記憶的重點記住了。

（2）增加課堂活躍度，化被動學習為主動學習。教具的使用能夠明顯提升學生的課堂熱情，化被動學習為主動學習。學習的過程是一個自主建構的過程，教師只是學生學習上的幫助者和引領著，只有當學生主動投入到學習中去，才能有效提高學習效率。教具的使用增加了課堂活躍度，激發了學生的學習動機，切實提高了課堂轉化率。

（3）引發好奇心，培養動手能力。在使用教具教學的過程中，學生對于自制教具的制作過程和制作原理很感興趣，對于自己動手制備教具躍躍欲試。教師可以充分發揮學生們的好奇心，布置課后作業，既能鞏固課堂知識又能培養學生的動手能力。

（4）因一節課愛上一門課。很多學生表示，教具的使用使課堂變得生動活潑、晦澀的內容不再枯燥，自己體會到了生物學的魅力，對生物學接下來的學習充滿了興趣和期待。這對于教師來說是非常大的收獲。好的教師不僅能夠教授知識，更應該培養學生的學習興趣，為學生生物學素養的養成以及終身學習打下良好的基礎。

4 教學過程利用自制教具的相關建議

（1）教師應多鉆研教材、教學，應用盡用自制教具，在需要展示教具的地方盡可能找到合適的教具，沒有合適的教具，教師要發揮創造性進行自制教具。

（2）自制教具的選材應廣泛、易得、便于復制。自制教具的材料盡量從日常生活中獲取。日常生活中無法滿足的材料，也要選取那些便宜、容易購得的替代物。這樣教師以身作則，培養學生節約、樸素的精神品質，同時也便于學生進行復制和二次創作。

（3）引導學生制作自制教具要注意方法。學生通過制作自制教具可以鞏固知識、提高動手能力、培養發現問題解決問題的能力等。但是教師不應該一開始就強制學生制作教具，而是應該先通過自己制作的美觀教具引發學生的積極性。也不應選擇過難的教具讓學生制作，可以先讓學生用簡單的教具進行練手，讓學生獲得成就感后，再逐漸加深難度。可以聯合本年級其他的生物教師開展自制教具比賽，讓學生自選本學期的章節進行教具設計，設置一二三等獎和優秀獎，讓參與的同學都能獲得榮譽感。任何活動應該本著提高學生學習熱情、增加學生自主學習能力的角度進行設計。

（4）教具要明確、重點清晰。教具的使用是為了幫助學生更好理解相關知識點，因此一定要重點清晰、符合邏輯，要讓學生理解圖畫、模型或動畫的意思。構圖上要講究美觀大方，線條及顏色的選擇要有區分度。教具的制作要大氣，要讓后排的同學也能看清。

教育是一門需要教師鉆研一生的學問和藝術，教師要有積極探索的精神和毅力。自制教具對于學生發展的好處是顯而易見的，教師應重視自制教具的在實際中的使用和研究。