SnapGene軟件在高中生物學深度學習中的應用研究

［摘 要］深度學習注重批判理解、強調信息整合、促進知識建構、著意遷移運用、面向問題解決，是培養學生核心素養的重要途徑。在與“基因”這一核心概念相關的教學中運用SnapGene軟件，可以促進學生深度學習，實現對基因、蛋白質、基因表達、基因表達調控、基因工程等知識的結構化理解，進而提升學生應用知識分析和解決實際問題的能力。

［關鍵詞］深度學習；SnapGene軟件；高中生物學

［中圖分類號］" " G633.91" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0069-05

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下稱新課標）明確指出，學科目標從知識的理解與記憶轉變為學科核心素養的培育。新課標的實施，要求教師重新審視并優化學科教學的設計，圍繞學科大概念構建結構化的課程內容體系，以主題為引領實現課程內容的情境化教學，從而推動學生進行深度學習，促進核心素養的落實。新課標的“教學與評價建議”中強調充分利用信息技術提高課堂教學效率[1]。

在“互聯網+”時代背景下，借助NCBI數據庫和SnapGene軟件等網絡資源和工具，不僅可以豐富課堂教學形式，提升教學效率，還可以拓展學生的知識面，培養學生的自主學習能力。同時，通過創設實踐情境，能夠進一步培養學生解決實際問題的能力，從而推動學生深度學習。高中生物學教學中，“基因通常是有遺傳效應的DNA片段”和“基因工程的基本操作程序”等教學內容較為抽象。學生在學習這些抽象概念時，效率通常較低，且獲取的知識信息往往呈現碎片化狀態，因此他們在建構基因和基因工程相關概念時感到比較困難。本文基于深度學習理論，探索SnapGene軟件在基因和基因工程概念教學中的應用價值，并開發與利用大數據背景下的生物學教學資源，以期為廣大生物學教師的課堂教學提供有益的參考和借鑒。

一、深度學習——落實核心素養的重要途徑

深度學習的概念最早由瑞典教育心理學家費倫斯·馬頓和羅杰·薩爾喬提出，國內學者黎加厚（2005年）、吳秀娟（2012年）、安富海（2016年）等人也對深度學習進行了界定，他們指出深度學習具有注重批判理解、強調信息整合、促進知識建構、著意遷移運用、面向問題解決等基本特征[2]。教育部基礎教育課程教材發展中心的“深度學習總項目組”進一步將深度學習界定為：在教師的引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。在這個過程中，學生不僅掌握了學科的核心知識，還理解了學習的過程，把握了學科的本質及思想方法，并且形成了積極的內在學習動機、高級的社會性情感、積極的態度、正確的價值觀。深度學習是信息時代教學改革的必然選擇，也是培養核心素養的重要途徑[3-4]。

依據新課標，生物學科的深度學習具有以下特點：在學習目標上，強調生物學核心知識的獲得與結構化，生物學思想方法的建構，生命觀念、科學思維、科學探究及社會責任核心素養的發展；在學習過程上，提倡通過以探究性實驗為主的實踐活動，讓學生積極參與并完成挑戰性任務；在學習結果上，強調必備知識的掌握及關鍵能力、價值觀念的形成，特別是要形成面對現實復雜情境時能夠遷移與運用生物學思想方法解決實際問題的能力。因此，生物學科的深度學習可以理解為：在挑戰性主題情境中，學生通過探究性實驗為主的多種探究活動，理解并批判性地學習新的生物學知識，掌握生物學思想方法，并將其融入原有認知結構，從而建構結構化的知識體系，建立運用生物學思想方法解決問題的模型，同時將其應用到綜合復雜問題的解決過程中，促進生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等核心素養的發展。

二、SnapGene軟件在高中生物學教學中的適用性

SnapGene是一款基因研究中常用的軟件，主要用于分子生物學實驗設計、模擬和分析，功能極為多樣。

通過SnapGene軟件，學生可進行載體和目的基因的序列特征分析，包括相關的酶切位點、標簽、啟動子、終止子等功能元件的分析，并生成詳細的DNA序列文件。打開SnapGene軟件界面后，可見頂部菜單欄、側面常用工具欄以及底部選項卡菜單欄（如圖1）。

頂部菜單欄可以訪問SnapGene軟件的所有功能；底部選項卡菜單欄屬于快捷鍵區域，可以快速訪問常見的文件操作和顯示設置；側面常用工具欄屬于快速訪問區，包含常用的功能按鍵，這些按鍵自上而下進行了編號，其圖標對應的功能及應用情境詳見表1。

三、SnapGene軟件在高中生物學深度學習中的應用策略

（一）發揮SnapGene軟件可視化功能，促進知識結構化

高中學生在學習基因和基因工程相關的抽象概念時效率通常較低，獲取的知識信息往往呈現碎片化狀態。而借助SnapGene軟件進行基因序列分析和載體結構分析，可以直觀了解基因和載體的結構、功能元件，實現微觀分子結構的可視化教學。這種教學方式可加深學生對知識的理解，推動知識之間的鏈接，進而促進知識的結構化。

在“基因通常是有遺傳效應的DNA片段”這一遺傳學重要概念的學習中，學生往往容易理解基因的化學本質和遺傳效應，并形成簡單的結構與功能對應關系，但容易忽視對基因結構的深入剖析，這導致學生對基因編碼區和非編碼區的聯系理解不足，不清楚非編碼區的啟動子和終止子的結構關系，也不清楚編碼區的內含子和外顯子的結構關系。這種認知狀態，不利于學生后續學習基因突變、生物進化和基因工程等相關知識，阻礙了知識的結構化。在設計教學時，教師可以基于深度學習理論，借助SnapGene軟件直觀分析基因結構，并在軟件中顯示基因序列的相關功能特征，運用其可視化的特點，推動學生知識概念的延伸和鏈接，促進基因相關知識的結構化。具體教學步驟如圖2所示。

教學中可以胰島素基因和Cry1Ac基因（BT毒蛋白基因）為例，首先從NCBI數據庫中獲取這兩種基因的序列，然后應用SnapGene軟件進行基因序列分析，引導學生直觀認識基因結構的編碼區和非編碼區、編碼區的內含子和外顯子、位于編碼區上游的啟動子和位于編碼區下游的終止子（如圖3）。接下來，引導學生討論、比較真核和原核基因結構的差異，構建胰島素基因和Cry1Ac基因結構模型（如圖4）并進行反思互評。這一過程旨在實現知識的鏈接、遷移和運用，促進知識結構化。

在教學“重組DNA技術的基本工具”時，教師可以以“pBI121質粒”為例，來直觀分析質粒載體的特征。通過SnapGene軟件觀察，可以發現pBI121質粒含有卡那霉素抗性基因等標記，T-DNA范圍（T-DNA左右邊界范圍）內有啟動子和終止子，啟動子和終止子之間有XbaI、BamHI、XmaI、SmaI、SacI等酶切位點，點擊對應的限制酶還可以觀察到各自的特異性識別序列（如圖5）。

這樣直觀、可視化的學習過程不僅可以加深學生對質粒中復制原點、標記基因、酶切位點這三大核心元件的理解，還可以進一步關聯到T-DNA的轉座特性和表達載體中啟動子的種類和啟動頻率，促進學生在具體情境下對知識的理解、運用、分析和創造，促進知識的結構化，推動高階思維的發展，實現深度學習。

（二）運用SnapGene軟件的設計與模擬功能，培養科學思維

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度， 運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。新課標要求學生在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題[5]。

SnapGene軟件具有豐富的設計功能，特別是其PCR引物設計和構建表達載體的設計特性，對于培養學生的推理演繹、分析歸納、模型建模等科學思維能力具有重要作用。在基因工程的教學中，構建基因表達載體的相關知識較為抽象，學生的學習效果不佳。尤其是在學習PCR引物設計時，學生面臨的最大障礙是對模板鏈方向的認知不足，這導致他們無法確定DNA聚合酶的移動方向，進而引發引物設計方向的錯誤。為了改善這一教學狀況，教師可以采用項目式教學模式（如圖6），以此推動深度學習。

在SnapGene軟件的輔助下，學生通過小組討論和體驗引物設計過程，對引物的理解從抽象的“一段用于PCR擴增的，能與擴增片段互補結合的單鏈DNA片段”升級為具象化的“結合目的基因擴增片段3′末端的特異性片段，并可在引物的5′端添加限制酶識別位點，通過PCR擴增實現在目的基因兩端人為引入所需酶切位點”，從而實現概念的延伸與鏈接。通過模擬PCR過程和凝膠電泳過程，鞏固了PCR過程和DNA復制的概念，加深了學生對模板、引物、聚合酶和限制酶的理解，提升了其高階思維能力、實驗設計和分析能力。借助SnapGene軟件，學生可以直觀地對載體和目的基因進行分析，確定合適的插入位點，選擇合適的酶切位點，進而通過PCR擴增獲得帶有酶切位點的目的基因片段，選擇合適的DNA連接酶進行連接。這一系列分析、設計、模擬過程不僅有助于培養學生的歸納與概括、演繹與推理、批判性思維、創造性思維等科學思維，還能有效推進深度學習，落實生物學學科核心素養。

（三）通過SnapGene軟件進行建模模擬，提升解決問題能力

高中生物學的課程目標包括掌握科學探究的思路和方法，善于從實踐的層面探討或嘗試解決現實生活問題[6]。為了達成這些目標，教師可以創設與生產生活實踐相關的問題情境，預設并生成問題鏈，借助SnapGene軟件進行模擬，提升學生解決問題的能力。

“基因工程的基本操作程序”是對“重組DNA技術的基本工具”的遷移應用，也是學習蛋白質工程的基礎，更是構建“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，學情反饋和訪談調查結果顯示，學生對于PCR過程、凝膠電泳、表達載體構建和酶切等概念完全是機械性記憶。此部分的實驗活動常常受限于器材和試劑而難以展開。

針對這一現狀，教學中教師可以提出胰島素的醫療需求問題、抗蟲棉的生產需求問題，預設相應的問題鏈，再利用SnapGene軟件模擬胰島素高效基因表達載體構建、抗蟲棉pBI121-Cry1Ac表達載體構建（如圖8）以及雙酶切電泳鑒定等活動。

在建模及模擬實踐過程中，可以更為直觀地呈現各類理論知識，并將其應用于實踐。通過實踐遷移運用學科知識，驗證生物學思想方法，可提高學生的參與度，使他們在多場景遷移運用中不斷提升解決問題的能力，進而促進學生深度學習。

SnapGene軟件憑借其強大的功能，如序列信息解析、PCR引物設計、表達載體構建和凝膠電泳模擬等，在高中基因及基因工程相關概念的深度學習中具有廣泛的應用價值。在實際問題導向和問題鏈任務的驅動下，學生通過體驗SnapGene軟件、利用NCBI數據庫進行分析和構建表達載體等活動，促進了知識的鏈接、遷移和運用，進而推動了高階思維發展，加深了對生物學思想方法的理解和感悟，實現了深度學習，提升了學科素養。

在使用NCBI數據庫和SnapGene軟件等網絡資源實施教學時，還可以進一步拓展到蛋白質三維結構預測軟件（SWISS-MODEL）。這些網絡資源能夠從概念出發，通過結構化內容鏈接，實現能力螺旋式上升和素養內化的貫通，為學生進入大學學習生物學提供了重要的過渡和銜接。然而，需要注意的是，SnapGene軟件和NCBI數據庫鏈接廣泛，其內容范圍和深度遠遠超出了中學教學的要求。因此，教師在選擇教學內容時，應仔細篩選，確保所選內容適用于課堂教學，以避免陷入教學誤區。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1][5][6]" 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

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

[3]" 劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養[M].北京：教育科學出版社，2018.

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

（責任編輯" " 羅" " 艷）