學(xué)歷案－可視化專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)方案

摘要：學(xué)歷案是在班級(jí)教學(xué)情景下，基于學(xué)生立場(chǎng)，以學(xué)習(xí)目標(biāo)為起點(diǎn)、以教學(xué)評(píng)價(jià)為終點(diǎn)，圍繞學(xué)習(xí)主題設(shè)計(jì)的可視化專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)方案。學(xué)歷案設(shè)計(jì)內(nèi)容包含“學(xué)習(xí)主題／課時(shí)”“學(xué)習(xí)目標(biāo)”“評(píng)價(jià)任務(wù)”“學(xué)習(xí)過(guò)程”“檢測(cè)與練習(xí)”和“學(xué)后反思”六個(gè)方面。本文以PCR技術(shù)的科學(xué)發(fā)展史為主線設(shè)計(jì)學(xué)歷案，旨在培養(yǎng)學(xué)生的討論探究和批判思考能力，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力的提升。

關(guān)鍵詞：學(xué)歷案；學(xué)生立場(chǎng)；可視化學(xué)習(xí)方案

文章編號(hào)：1003-7586（2024）05-0078-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

學(xué)歷案是華東師范大學(xué)崔永漷教授在關(guān)注“新教學(xué)”問(wèn)題，落實(shí)“學(xué)習(xí)者中心”教學(xué)理念背景下提出的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)路徑。教師基于學(xué)情進(jìn)行專(zhuān)門(mén)預(yù)設(shè)，制定一份包含“學(xué)習(xí)主題／課時(shí)”“學(xué)習(xí)目標(biāo)”“評(píng)價(jià)任務(wù)”“學(xué)習(xí)過(guò)程”“檢測(cè)與練習(xí)”“學(xué)后反思”六個(gè)方面的學(xué)歷案。因此，學(xué)歷案不僅是課程計(jì)劃，更是學(xué)生形成新經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)新知識(shí)的可視化認(rèn)知地圖。

“多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增DNA片段”是人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教材”）第3章第2節(jié)的內(nèi)容。PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)是基因工程中最重要的核心技術(shù)之一，其在轉(zhuǎn)基因、基因測(cè)序等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本節(jié)課內(nèi)容包含PCR技術(shù)的原理、條件和過(guò)程，教學(xué)難點(diǎn)是PCR的過(guò)程。進(jìn)行本節(jié)課教學(xué)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移，要求學(xué)生能類(lèi)比體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程，理解很多技術(shù)發(fā)明的原型來(lái)源于自然界。在分析PCR過(guò)程時(shí)，要求學(xué)生具有批判性思維，能分析比較得出PCR條件與體內(nèi)DNA復(fù)制條件不同之處；要求學(xué)生具有建模思維，能通過(guò)建構(gòu)模型深入理解PCR過(guò)程并推理探討其中的一般規(guī)律。教師在進(jìn)行本節(jié)課的學(xué)歷案設(shè)計(jì)時(shí)，選擇以PCR技術(shù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史為主線，引導(dǎo)學(xué)生分析思考技術(shù)設(shè)計(jì)背后的原因，旨在培養(yǎng)學(xué)生討論探究和批判思考能力，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升。

1學(xué)習(xí)主題／課時(shí)

在確定學(xué)習(xí)主題時(shí)，教師要根據(jù)教材內(nèi)容和《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)》）的要求。本節(jié)課根據(jù)其知識(shí)的前后聯(lián)系和難度，確定將PCR技術(shù)單獨(dú)設(shè)置l學(xué)時(shí)進(jìn)行教學(xué)，將學(xué)習(xí)主題設(shè)計(jì)為：多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增DNA片段。

2學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）通過(guò)復(fù)習(xí)體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程，初步了解PCR技術(shù)的基本原理。

（2）通過(guò)分析科學(xué)史資料，體會(huì)生物科學(xué)技術(shù)發(fā)展的艱辛，逐步推導(dǎo)出PCR需要的條件。

（3）通過(guò)觀看PCR過(guò)程視頻，動(dòng)手構(gòu)建PCR反應(yīng)過(guò)程模型，嘗試分析PCR結(jié)果。

學(xué)習(xí)目標(biāo)要可觀察、可測(cè)量、可評(píng)價(jià)，每條都要能指向?qū)W科關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)。本節(jié)課的三個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)分別指向生命觀念、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任、科學(xué)思維。

3評(píng)價(jià)任務(wù)

基于“教－學(xué)－評(píng)一體化”的學(xué)歷案，教學(xué)設(shè)計(jì)要求遵循“有學(xué)習(xí)目標(biāo)，就有相應(yīng)的評(píng)價(jià)任務(wù)”原則，根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行檢驗(yàn)。評(píng)價(jià)任務(wù)要關(guān)注學(xué)生的學(xué)情，可以根據(jù)不同層級(jí)設(shè)置不同的評(píng)價(jià)任務(wù)，相同的評(píng)價(jià)任務(wù)可以設(shè)定不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本節(jié)課根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)任務(wù)如下。

（1）回顧體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程，獨(dú)立完成DNA復(fù)制知識(shí)點(diǎn)梳理。

（2）通過(guò)對(duì)資料展開(kāi)分析，總結(jié)出PCR反應(yīng)過(guò)程需要的條件，完成PCR過(guò)程表格。

（3）小組成員之間互相合作完成PCR過(guò)程模型，能推導(dǎo)出PCR結(jié)果的一般規(guī)律。

4學(xué)習(xí)過(guò)程

學(xué)習(xí)過(guò)程是教師為學(xué)生提供合適學(xué)習(xí)方法、設(shè)置有效學(xué)習(xí)途徑的過(guò)程。在教學(xué)實(shí)踐中，教師常常過(guò)于關(guān)注教學(xué)方法以及各種教學(xué)策略的選擇，以期達(dá)成預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，卻忽視了課堂最重要的任務(wù)——培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。為此，學(xué)歷案中設(shè)置了學(xué)法建議，其目的在于指導(dǎo)學(xué)生如何自主達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，并提供了具體的學(xué)習(xí)方法建議和學(xué)習(xí)路徑指引，從而協(xié)助學(xué)生自主地掌握和運(yùn)用學(xué)習(xí)方法。

4.1學(xué)法建議

PCR技術(shù)是一種體外DNA復(fù)制技術(shù)。學(xué)生由已有概念入手，提前復(fù)習(xí)體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程的相關(guān)內(nèi)容。在課堂上仔細(xì)閱讀教師呈現(xiàn)的相關(guān)資料，運(yùn)用科學(xué)思維分析資料內(nèi)信息的邏輯性和關(guān)聯(lián)性，學(xué)會(huì)用知識(shí)遷移來(lái)思考新問(wèn)題，能歸納出PCR過(guò)程需要的條件，并嘗試通過(guò)構(gòu)建物理模型來(lái)模擬PCR過(guò)程。

4.2學(xué)前準(zhǔn)備

學(xué)生復(fù)習(xí)體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程。

4.3課中學(xué)習(xí)

學(xué)生借助“教學(xué)支架”進(jìn)行螺旋上升式的深度學(xué)習(xí)，教師促進(jìn)學(xué)生從“現(xiàn)有水平”向“潛在發(fā)展水平”轉(zhuǎn)化。本節(jié)課以PCR技術(shù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史為主線，以情境問(wèn)題為串繩，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)歸納辨析、模擬建模等方法探究PCR技術(shù)的條件、過(guò)程和結(jié)果。

情境導(dǎo)入：2020年春節(jié)期間新冠疫情暴發(fā)，為了控制疫情蔓延，醫(yī)務(wù)工作者通過(guò)采集咽拭子等方法對(duì)重點(diǎn)人群進(jìn)行篩查。然而，這種方法也存在一定局限性。即使是確診患者，咽拭子采集的病毒核酸的量也很少，很難被精確檢測(cè)到。因此，采集到核酸后，首先需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)量擴(kuò)增，以提高檢測(cè)的靈敏度。醫(yī)務(wù)工作者如何對(duì)核酸進(jìn)行擴(kuò)增呢？

教師通過(guò)設(shè)置咽拭子采集檢測(cè)這個(gè)情境，拋出問(wèn)題。學(xué)生很快會(huì)聯(lián)想到已學(xué)過(guò)的核酸增殖方式——DNA復(fù)制。教師播放DNA復(fù)制過(guò)程的視頻，讓學(xué)生總結(jié)體內(nèi)DNA復(fù)制的條件。

4.3.1活動(dòng)一：閱讀資料并進(jìn)行分析，探索PCR過(guò)程

資料一 1970年華裔科學(xué)家吳瑞在對(duì)樣本DNA測(cè)序時(shí)，首先利用待定的引物與樣本DNA分子上的目標(biāo)序列進(jìn)行雜交，然后通過(guò)DNA聚合酶進(jìn)行聚合脫氧核苷酸鏈?zhǔn)窖由欤瑥亩梢院铣梢粭l新DNA鏈。通過(guò)對(duì)這些延伸產(chǎn)物進(jìn)行分析，就可以推斷出樣本DNA分子的序列信息，這也是人類(lèi)首次成功對(duì)噬菌體DNA進(jìn)行了測(cè)序。

教師提問(wèn)：體外合成一條DNA鏈需要添加什么物質(zhì)作為引物？為什么需要添加引物？

資料二 1971年印度裔科學(xué)家科拉納（Har.Gobind Khorana）首先提出進(jìn)行核酸體外擴(kuò)增的新思路。他認(rèn)為可以將DNA變性解鏈，再與合適的引物雜交，然后用DNA聚合酶進(jìn)行延伸引物，最后通過(guò)重復(fù)循環(huán)這一過(guò)程就可以在類(lèi)輸環(huán)境下復(fù)制和擴(kuò)增DNA序列，從而模擬體內(nèi)生物學(xué)的復(fù)制機(jī)制。

教師提問(wèn)：細(xì)胞內(nèi)DNA如何變性解鏈？使DNA變性解鏈還有什么方法？

資料三 1973年，臺(tái)灣學(xué)生錢(qián)嘉韻在辛辛那提大學(xué)生物系讀研期間，從美國(guó)黃石國(guó)家森林公園的一處火山溫泉——大棱鏡溫泉中發(fā)現(xiàn)了一種能在高溫條件下生存的細(xì)菌。這種細(xì)菌被定義為嗜熱菌（Thermus aquaticus），該菌能在75℃的高溫中生活繁衍。

教師提問(wèn)：嗜熱菌生活在這種環(huán)境，說(shuō)明嗜熱菌體內(nèi)酶維持活性的條件有什么特點(diǎn)？對(duì)研究體外DNA擴(kuò)增過(guò)程有何啟發(fā)？

資料四 1983年，美國(guó)科學(xué)家穆里斯（Kary R.Mullis）開(kāi)著汽車(chē)行駛在盤(pán)旋公路上，不斷經(jīng)過(guò)兩邊的路燈，突然激發(fā)了他的靈感。如果擴(kuò)增DNA片段時(shí)，同時(shí)添加兩條引物，那么只要引物充足，理論上就可以無(wú)限循環(huán)地?cái)U(kuò)增下去。提出雙引物方法想法后，1985年穆里斯通過(guò)不斷改變溫度，誘發(fā)DNA鏈的變性解鏈與復(fù)合，進(jìn)而模擬體內(nèi)DNA復(fù)制的變性、雜交和延伸等關(guān)鍵過(guò)程，最終發(fā)明PCR技術(shù)，并以此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

教師提闡：從材料中看出，PCR技術(shù)關(guān)鍵的環(huán)境因素是什么？添加的兩條引物是否一樣？PCR技術(shù)的發(fā)現(xiàn)歷程對(duì)我們有什么啟發(fā)？

4.3.2活動(dòng)二：總結(jié)出PCR反應(yīng)過(guò)程需要的條件，完成表格

教師播放PCR反應(yīng)過(guò)程視頻，學(xué)生之間相互討論，歸納PCR反應(yīng)步驟及目的，并完成表1。

4.3.3活動(dòng)三：構(gòu)建PCR過(guò)程模型

教師提供磁貼制作的四種堿基和酶模型（見(jiàn)圖1），指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建PCR過(guò)程模型，尤其是注意熱穩(wěn)定DNA聚合酶作用的方向及特點(diǎn)。學(xué)生分析PCR二輪后的結(jié)果，并進(jìn)一步討論探究擴(kuò)增n輪后的結(jié)果，完成表2的內(nèi)容。

5檢測(cè)與練習(xí)

檢測(cè)與練習(xí)可以檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)是否達(dá)成，并鞏固已掌握的知識(shí)，根據(jù)功能可分為檢測(cè)題、鞏固題和提高題。根據(jù)本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下題目。

例題1 在抗擊新冠疫情過(guò)程中進(jìn)行核酸檢測(cè)時(shí)，需要大量使用PCR檢測(cè)試劑盒實(shí)現(xiàn)DNA的擴(kuò)增和檢測(cè)。PCR過(guò)程與細(xì)胞內(nèi)的DNA復(fù)制過(guò)程相比，主要有兩點(diǎn)不同，它們是（ ）。

①PCR過(guò)程需要的引物是人工合成的DNA單鏈；⑦PCR過(guò)程不需要DNA聚合酶；③PCR過(guò)程中DNA解旋不依靠解旋酶，而是通過(guò)對(duì)反應(yīng)溫度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；④PCR過(guò)程不需要解旋，直接以雙鏈DNA為模板進(jìn)行復(fù)制，

A.①② B.①③ C.③④ D.②③

例題2 PCR過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)三十多次循環(huán)，從第二輪循環(huán)開(kāi)始，上一次循環(huán)的產(chǎn)物也作為模板參與反應(yīng)，由引物Ⅰ延伸而成的DNA單鏈作模板時(shí)（ ）。

A.仍與引物Ⅰ結(jié)合進(jìn)行DNA子鏈的延伸

B.與引物Ⅱ結(jié)合進(jìn)行DNA子鏈的延伸

C.同時(shí)與引物Ⅰ和引物Ⅱ結(jié)合進(jìn)行子鏈的延伸

D.無(wú)需與引物結(jié)合，在酶的作用下從頭合成子鏈

例題3 （多選）利用PCR技術(shù)將某小段DNA分子擴(kuò)增n代，需（ ）。

A.測(cè)定DNA分子兩端的核苷酸序列，以便設(shè)計(jì)引物對(duì)

B.2n-1對(duì)引物參與子代DNA分子的合成

C.向反應(yīng)體系中加入解旋酶、DNA聚合酶等

D.保持反應(yīng)體系溫度恒定，確保擴(kuò)增的正常進(jìn)行

6學(xué)后反思

學(xué)后反思能讓學(xué)生反思自己學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程，思考梳理已學(xué)知識(shí)，并診斷自身存在的問(wèn)題。本節(jié)課設(shè)計(jì)的反思建議為：請(qǐng)學(xué)生自主梳理本主題知識(shí)體系，繪制出PCR過(guò)程圖。