基于真實情境下問題解決的PCR 專題復習

朱靈君

(海寧市高級中學 浙江嘉興 314400)

《普通高中生物學課程標準(2017 年版2020 年修訂)》中的核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。 此外,為了實現全面發展育人目標,教育部考試中心在2019 年發布了中國高考評價體系,將高考考查內容凝練為“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”。 其中生物學科的關鍵能力是指學生經過生物學的學習后,在應對與生物學相關知識的生活、生產實踐及科學探究等問題時,所必須具備的認識問題、分析問題、解決問題的能力。 下面以“實時熒光定量PCR 技術”一課的專題為例,闡述其教學過程。

1 教材分析及設計思路

PCR 技術是基因工程的重要技術手段,通過對浙科版高中生物學新舊教材對應章節的內容進行比較發現,關于PCR 的篇幅大大增加。 對近年來一些省市選考卷進行分析,不難發現考查的難點集中在PCR的引物選擇、對擴增結果的判斷和PCR 在現實情境問題中的應用。 例如,2018 年江蘇卷考查的引物設計、2021 年湖北卷考查的PCR 原理和2021 年全國甲卷和乙卷中考察的PCR 檢測應用。 選考的命題既體現了生物學學科核心素養的要求,也是對學生學科關鍵能力的一種考察。

本節課是選考前的二輪專題復習課,在此之前學生已經完成了系統的一輪復習,對病毒有關的免疫、中心法則、基因工程和PCR 技術的基礎知識有了較好的掌握,但對于如何綜合運用知識解決真實情境中問題的能力有待提高。 同時,相對于新授課,學生對復習課的積極性較低。 對于已經復習過的內容,如果仍采用傳統的記憶加練習的方式,難以激發學生的學習積極性。 此外,對于專題復習,應該在適當鞏固基礎知識的前提下,以在真實情境下解決實際問題為重點,提升學生遷移和運用知識的能力。

因此,本節課以核酸檢測中使用的實時熒光定量PCR 技術為情境,以“如何通過實時熒光定量PCR 進行新冠陽性診斷”為核心問題,設置多個課堂任務(圖1)。 通過小組合作論證的方式對實時熒光定量PCR 原理進行推導和運用,并對新冠肺炎病毒核酸診斷標準的變化進行討論,深化學生對PCR技術的理解與運用,發展學生的科學思維,落實關注生命健康的社會責任。

圖1 課堂教學脈絡

2 教學目標

(1) 通過模型搭建,鞏固PCR 相關基礎知識,掌握引物設計原則,培養學生的建模能力,演繹與推理的能力。

(2) 通過對實時熒光定量PCR 相關材料的討論,嘗試推測實時熒光定量PCR 技術的特點和原理,培養學生解決實際問題的能力,提升歸納與概括的科學思維。

(3) 通過對新冠核酸診斷標準的討論,落實關注生命健康的社會責任。

3 教學過程

3.1 任務一:推測實時熒光定量PCR 技術特點

教師在課堂上展示日常核酸檢測過程和核酸陰性報告圖片,引導學生關注檢測方法,并讓學生通過名稱推測實時熒光定量PCR 技術的特點,調動學生的好奇心和學習積極性。

完成情境建構后,教師引導學生將關注重點轉移到實時熒光定量PCR 這一檢測技術上。 雖然大部分學生都有核酸檢測的經歷,卻對于實時熒光定量PCR技術并不了解。 但同時,學生可以從該技術名稱中,較為容易地推測出該技術的特點,如實時可觀測性、觀測指標是熒光強度和熒光強度能定量分析這三個方面。 任務一的順利完成,能提升學生的自信心和參與課堂活動的積極性,為之后的課堂任務的順利進行奠定基礎。

設計意圖:用真實的情境呈現問題,營造問題解決的環境,能有效提高學生的學習積極性。 通過展示日常核酸檢測和核酸檢測陰性報告,可以使學生迅速融入課堂,提升學習積極性,也有利于之后課堂活動的展開。

3.2 任務二:通過論證,闡釋實時熒光定量PCR 技術的原理

任務一完成后,教師繼續展示有關實時熒光定量PCR 的原理簡圖(圖2)和熒光強度與PCR 循環次數的關系圖(圖3),并提出本節課的核心問題:如何通過實時熒光定量PCR 進行新冠病毒陽性診斷?

圖2 實時熒光定量PCR 原理

圖3 熒光強度與PCR 循環關系

接著,教師以學案的方式給出小組論證主張表(表1),引導學生進行三個子任務的論證:探針在什么情況下會發光? 探針為什么能特異性的標識目標DNA? 熒光強度與哪些因素有關?

表1 小組論證主張表

設計意圖:論證是指圍繞某一論題,利用科學的方法收集證據,解釋和聯系證據、評價自己及他人的證據與觀點之間的相關性,促進思維的共享與交鋒,最終達成共識的活動。 小組合作論證是課堂教學中突破難點、解決復雜問題的方式之一。 在論證的過程中,學生通過主張、質疑、舉證和修訂,既模擬了科學研究的過程,也完成了思維的碰撞和整合。 根據最近發展區理論,讓學生嘗試解決略高于其當前能力的問題,有助于提升學生的能力。 因此,為避免小組討論論證程度低、方向偏離等狀況的出現,在本任務中教師提供了一定的論證范式,并以子任務的方式提供支架,將復雜問題化解為位于學生最近發展區中的問題,從而助力學生解決問題。

3.3 任務三:架構PCR 體系,選擇適宜的引物

教師在學案上列出與PCR 過程可能有關的試劑和材料(圖4),要求學生通過小組合作的方式完成三個子任務:選取合適的試劑與材料,構建PCR 體系;選取恰當的引物組合;指出下述引物存在的問題。

圖4 PCR 過程相關的試劑和材料

設計意圖:由于PCR 體系所需的試劑、材料較多,并且該過程較為復雜,與學生已經學習過的細胞內DNA 的復制既有聯系、也有區別。 在專題復習的過程中,學生容易出現排斥知識點的識記或出現知識混淆、錯記和遺漏等問題。 因此教師可以讓學生通過小組合作的方式構建和展示PCR 模型,將事實性知識轉化為解決問題的方法,對相關知識進行有效整合。

3.4 任務四:討論新冠核酸診斷標準的變化

教師展示Ct 值的定義和《新型冠狀病毒肺炎診療方案(第九版)》中關于新冠病毒核酸檢測陽性標準中Ct 值從40 降為35 的相關內容,引導學生就新冠病毒核酸檢測陽性標準Ct 值的改變,對新冠陽性的界定標準是更嚴格還是更寬松這一問題展開討論。

設計意圖:通過任務二和任務三,學生對實時熒光定量PCR 的原理有所掌握,在課堂的末尾,學生通過對新冠核酸檢測標準的討論,可以提升運用知識解決實際問題的能力,同時教師通過引導學生從多角度看待社會問題,落實了關注生命健康的社會責任。 最后,本節課以新冠核酸檢測為情境,又以檢測標準為結課方式,使整節課首尾照應,形成一個整體。

4 教學反思

高三復習課的目標,不僅包括學生知識的綜合和應用,還應有科學思維和探究能力的提升。 本節課涉及的真實情境符合學生的認知邏輯,教師通過四個任務,層層遞進地引導學生將所學內容與情境建立聯系。 在此過程中,學生運用所學知識及科學探究的方式解決問題,并自主架構模型、分析問題、建立聯系和進行推理,對相關知識的理解水平從辨認、識別等低級水平提升到了了解本質和內在聯系、能遷移和應用知識、解決實際問題的高階水平,從而達成了教學目標,落實了生物學學科核心素養。 依據文中的情境,可以整合落實的知識內容進行擴展。例如,引物設計原則中可以增加對PCR 過程中目標DNA 數量、使用的引物數量和探針數量的計算復習等。

與傳統教學模式相比,論證式教學更有利于鼓勵學生通過表達來展示自身的內在思維,激發學生的科學實踐感,建立學生的學習成就感。 通過來自真實情境的論證資料,有利于學生展開小組論證。教師需要在教學設計過程中依據教學目標和學生情況,設置好明確的教學支架,并在課堂論證過程中給予學生更多的信任,讓論證更加充分,思維建設更加完善。