數(shù)據(jù)支持下以學生為中心的講評教學
——以PCR技術擴增建模為例

福建 曾國陽

(作者單位：福建省惠安第一中學)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)中提出了生物學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應貫穿于教材編寫、課堂教學及考試評價中。信息時代，數(shù)據(jù)已經(jīng)融入試卷講評課,避免了教師在講評課中的“主體化”“滿堂灌”等現(xiàn)象，使生物學試卷講評課更高效、更有針對性。學生不僅可以鞏固和梳理所學的知識,還可以進一步深化學科核心素養(yǎng),同時反思學習方法,使其進一步優(yōu)化和提升。

基因工程中，目的基因可以通過PCR技術擴增獲取，但相關知識內容比較抽象，學生在考試或練習作答時，常常出現(xiàn)差錯。筆者通過數(shù)據(jù)分析學生的試題作答情況，以學生為中心布置課前任務。在教學過程中，讓學生制作PCR擴增后的簡易模型，通過課堂展示、講述、評價、補充、延伸、拓展等步驟，幫助學生深度學習并掌握相關知識。

1.數(shù)據(jù)分析試題作答情況

【例1】(節(jié)選)雙子葉植物甲因含有抗旱基因而具有極強的抗旱性，植物乙抗旱性低。利用基因工程技術將甲的抗旱基因轉移至乙體內，可提高植物乙的抗旱性?；卮鹣铝袉栴}：

圖1

(2)使用PCR技術擴增抗旱基因時，可選擇圖1中A、B、C、D四種單鏈DNA片段中的________作為引物，此過程還需要________酶，但不需要解旋酶，而是利用________使DNA解旋。若進行n次循環(huán)的擴增，理論上至少需要________個引物，只含一種引物的DNA分子一共有________個。

【參考答案】(2)B、CTaq高溫 2n+1-2 2

例1為筆者所在學校高二下學期期末考試的試題節(jié)選，考查了PCR技術擴增的相關內容，筆者通過網(wǎng)上閱卷數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)學生的作答情況并不理想，班級得分率只有61.86%(圖2)。

圖2

筆者通過查閱個別學生答卷情況、與學生交流溝通、問卷調查等方式，發(fā)現(xiàn)多數(shù)學生對PCR技術擴增相關內容的理解不夠充分，導致作答錯誤，圖3為一位學生的答卷情況。

圖3

美國教育學家艾德格·戴爾的“記憶金字塔理論”認為不同的課堂組織方法使得學生所達到的學習效果也不相同。傳統(tǒng)課堂的被動式學習的學習效果最差，學生的記憶程度均在30%以下，而團隊學習、主動學習和參與式學習的學習效果較好，學生的記憶程度均在50%以上。PCR擴增技術是高中生物學教材選修3中的重點、難點內容，且與必修2的知識內容相聯(lián)系。日常教學過程中，教師結合課件及視頻展示PCR的過程，多次、反復講解，但學生作答的錯誤率還是很高，這說明以老師為主的講授，學生的學習效益不高。針對以上情況，筆者以學生為中心，通過課前布置任務、準備材料、學生小組合作、制作PCR擴增后的簡易模型、展示并講述評價模型等一系列活動，使學生積極主動地參與到了課堂教學中，突破了教學中的重難點知識。

2.制作PCR擴增后簡易模型

2.1課前提醒學生制作PCR擴增后的簡易模型

每2名學生為1組，每組1份材料，材料包括：30 cm×30 cm白色楞紙箱手工DIY材料厚硬紙板多塊、鉛筆、剪刀、尺子、雙面膠、若干份A4紙[內容如圖4,其中引物有4種(加粗表示)]。除目的基因頭尾及引物標出堿基外，其他堿基部分均用虛線表示。要求學生利用工具，剪、貼相關片段于硬紙板上，制作前3次擴增后的模型。

圖4

2.2課堂展示部分學生制作的模型

2.2.1第1、2次擴增后模型(圖略)

課堂上，教師檢查各小組學生完成情況，并讓某一小組的學生上臺展示第1、2次擴增后的模型圖，同時結合課本知識講述相關內容：擴增時選擇圖4中1、3引物，在90～95 ℃高溫條件下，DNA兩條鏈的氫鍵斷開，退火至55～60 ℃時，引物的5′端與目的基因的3′端前段互補配對，加熱至70～75 ℃時Taq酶從引物起始，利用4種原料沿著5′端到3′端的方向進行延伸，完成互補鏈的合成。教師加以補充并強調：無論DNA是體內復制還是體外復制，子鏈都是沿著5′端到3′端的方向進行延伸的。學生觀察發(fā)現(xiàn)第2次擴增后產(chǎn)生4個DNA分子，所形成的DNA分子雙鏈都不整齊，目的基因還未從DNA片段中完整擴增出來。

2.2.2第3次擴增后模型(圖5)

圖5

學生展示擴增3次后的模型圖，教師評價，先對學生的模型表示肯定，激勵學生學習的信心，再引導學生觀察擴增3次后的模型圖，詢問學生是否發(fā)現(xiàn)不一樣的DNA片段。學生發(fā)現(xiàn)：通過第3次擴增，產(chǎn)生了2個頭尾整齊的目的基因。

2.2.3錯誤模型展示

英國心理學家貝恩布里奇曾說“錯誤人皆有之,作為教師不利用是不可原諒的?！闭n堂中的“錯誤”如果利用好,會產(chǎn)生更多的思維碰撞,使課堂更加精彩。對“錯誤”的研究是非常有必要的，因為錯誤往往是學生思維的真實反映,讓學生充分展示思維過程,才能探求其產(chǎn)生錯誤的內在因素,而集體共同識錯、思錯和糾錯的過程,也會生成一種更加真實、更有價值的教學資源。所以，教師除了展示正確的模型圖外，也應該及時發(fā)現(xiàn)學生錯誤的制作方法，圖6為某學生在制作第1次擴增時出現(xiàn)錯誤的模型圖。

圖6

教師啟發(fā)學生思考、討論，讓學生自己解決問題，學生發(fā)現(xiàn)原來是因為選擇了不正確的引物，認為子鏈從3′端開始延伸或延伸方向不正確，才導致無法將目的基因從DNA片段中擴增出來。

3.引導提升，構建數(shù)學模型

通過前面3次擴增，學生觀察發(fā)現(xiàn)除了原來兩條母鏈不含引物(圖中引物均加粗表示)外，其他子鏈都含有引物。因此，n次循環(huán)擴增，理論上需要(2n+1-2)個引物，每種引物各需要(2n-1)個。如果要從某個含有目的基因的DNA片段中擴增出目的基因，則至少需要經(jīng)過3次擴增，才能產(chǎn)生2個完整的目的基因；n次循環(huán)擴增，產(chǎn)生2n個DNA分子，但兩條母鏈各自形成的子代DNA分子長短不齊，不完全是目的基因，數(shù)量為2n個，所以，只含有完整目的基因的有(2n-2n)個。整個過程是學生自主觀察發(fā)現(xiàn)、找出規(guī)律、建構知識的過程。

4.延伸拓展，關注新冠疫情的防控過程

課堂教學不僅要完成《課程標準》要求的知識內容，還要能聯(lián)系社會中的“熱點事件”，突出過程性，讓學生在知識的發(fā)生、發(fā)現(xiàn)、應用過程中，在問題的分析、探索過程中完成學習，達成優(yōu)化學習的效果。聯(lián)系“新冠病毒”的防控過程，產(chǎn)生疑問“新冠病毒的核酸是如何被檢測的？”教師引導學生查閱相關資料，小組講述相關知識，原來新冠病毒的核酸檢測采用的是“RT-PCR技術”(逆轉錄熒光PCR技術)，因為新冠病毒的遺傳物質為RNA，且在體外高溫條件下容易被分解，故需要把病毒的遺傳物質逆轉錄為DNA之后，以cDNA為模板，用新冠病毒的特異性引物合成DNA，達到擴增cDNA的目的。擴增的病毒DNA片段因能夠發(fā)出熒光而被儀器檢測到。

綜上，基于數(shù)據(jù)分析，獲取學生在作答過程中的表現(xiàn)情況，不僅可以診斷出教師在教學過程中出現(xiàn)的問題，而且能夠有針對性地了解學生對教材中某個知識點的掌握程度、理解誤差。教師可以根據(jù)不同的生物學知識，創(chuàng)設適宜學生理解、掌握的教學情境，以學生為中心建構知識體系。通過打印紙片對PCR擴增過程進行建模，不僅材料簡單、取材方便，學生在操作過程中如果出現(xiàn)差錯，還可以“自我反思”，總結“經(jīng)驗和教訓”；還可以多次重新制作，直至學生獲得最滿意的結果。整個過程中，學生不僅要動手操作，還要動腦思考，結合所學知識，最終獲得準確的模型，達到了深度學習相關生物學知識的效果。