學歷案－可視化專業(yè)學習方案

摘要：學歷案是在班級教學情景下，基于學生立場，以學習目標為起點、以教學評價為終點，圍繞學習主題設計的可視化專業(yè)學習方案。學歷案設計內容包含“學習主題／課時”“學習目標”“評價任務”“學習過程”“檢測與練習”和“學后反思”六個方面。本文以PCR技術的科學發(fā)展史為主線設計學歷案，旨在培養(yǎng)學生的討論探究和批判思考能力，從而實現(xiàn)學生綜合能力的提升。

關鍵詞：學歷案；學生立場；可視化學習方案

文章編號：1003-7586（2024）05-0078-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

學歷案是華東師范大學崔永漷教授在關注“新教學”問題，落實“學習者中心”教學理念背景下提出的專業(yè)學習路徑。教師基于學情進行專門預設，制定一份包含“學習主題／課時”“學習目標”“評價任務”“學習過程”“檢測與練習”“學后反思”六個方面的學歷案。因此，學歷案不僅是課程計劃，更是學生形成新經(jīng)驗和學習新知識的可視化認知地圖。

“多聚酶鏈式反應擴增DNA片段”是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》（以下簡稱“教材”）第3章第2節(jié)的內容。PCR（聚合酶鏈式反應）技術是基因工程中最重要的核心技術之一，其在轉基因、基因測序等領域都有廣泛應用。本節(jié)課內容包含PCR技術的原理、條件和過程，教學難點是PCR的過程。進行本節(jié)課教學時，引導學生進行知識遷移，要求學生能類比體內DNA復制過程，理解很多技術發(fā)明的原型來源于自然界。在分析PCR過程時，要求學生具有批判性思維，能分析比較得出PCR條件與體內DNA復制條件不同之處；要求學生具有建模思維，能通過建構模型深入理解PCR過程并推理探討其中的一般規(guī)律。教師在進行本節(jié)課的學歷案設計時，選擇以PCR技術的科學發(fā)現(xiàn)史為主線，引導學生分析思考技術設計背后的原因，旨在培養(yǎng)學生討論探究和批判思考能力，從而實現(xiàn)學生綜合素養(yǎng)的提升。

1學習主題／課時

在確定學習主題時，教師要根據(jù)教材內容和《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》）的要求。本節(jié)課根據(jù)其知識的前后聯(lián)系和難度，確定將PCR技術單獨設置l學時進行教學，將學習主題設計為：多聚酶鏈式反應擴增DNA片段。

2學習目標

（1）通過復習體內DNA復制過程，初步了解PCR技術的基本原理。

（2）通過分析科學史資料，體會生物科學技術發(fā)展的艱辛，逐步推導出PCR需要的條件。

（3）通過觀看PCR過程視頻，動手構建PCR反應過程模型，嘗試分析PCR結果。

學習目標要可觀察、可測量、可評價，每條都要能指向學科關鍵能力和核心素養(yǎng)。本節(jié)課的三個學習目標分別指向生命觀念、科學探究和社會責任、科學思維。

3評價任務

基于“教－學－評一體化”的學歷案，教學設計要求遵循“有學習目標，就有相應的評價任務”原則，根據(jù)學習目標設計一項或多項任務進行檢驗。評價任務要關注學生的學情，可以根據(jù)不同層級設置不同的評價任務，相同的評價任務可以設定不同的評價標準。本節(jié)課根據(jù)學習目標設計的評價任務如下。

（1）回顧體內DNA復制過程，獨立完成DNA復制知識點梳理。

（2）通過對資料展開分析，總結出PCR反應過程需要的條件，完成PCR過程表格。

（3）小組成員之間互相合作完成PCR過程模型，能推導出PCR結果的一般規(guī)律。

4學習過程

學習過程是教師為學生提供合適學習方法、設置有效學習途徑的過程。在教學實踐中，教師常常過于關注教學方法以及各種教學策略的選擇，以期達成預設的教學目標，卻忽視了課堂最重要的任務——培養(yǎng)學生自主學習能力。為此，學歷案中設置了學法建議，其目的在于指導學生如何自主達成學習目標，并提供了具體的學習方法建議和學習路徑指引，從而協(xié)助學生自主地掌握和運用學習方法。

4.1學法建議

PCR技術是一種體外DNA復制技術。學生由已有概念入手，提前復習體內DNA復制過程的相關內容。在課堂上仔細閱讀教師呈現(xiàn)的相關資料，運用科學思維分析資料內信息的邏輯性和關聯(lián)性，學會用知識遷移來思考新問題，能歸納出PCR過程需要的條件，并嘗試通過構建物理模型來模擬PCR過程。

4.2學前準備

學生復習體內DNA復制過程。

4.3課中學習

學生借助“教學支架”進行螺旋上升式的深度學習，教師促進學生從“現(xiàn)有水平”向“潛在發(fā)展水平”轉化。本節(jié)課以PCR技術的科學發(fā)現(xiàn)史為主線，以情境問題為串繩，引導學生通過歸納辨析、模擬建模等方法探究PCR技術的條件、過程和結果。

情境導入：2020年春節(jié)期間新冠疫情暴發(fā)，為了控制疫情蔓延，醫(yī)務工作者通過采集咽拭子等方法對重點人群進行篩查。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，很難被精確檢測到。因此，采集到核酸后，首先需要對其進行數(shù)量擴增，以提高檢測的靈敏度。醫(yī)務工作者如何對核酸進行擴增呢？

教師通過設置咽拭子采集檢測這個情境，拋出問題。學生很快會聯(lián)想到已學過的核酸增殖方式——DNA復制。教師播放DNA復制過程的視頻，讓學生總結體內DNA復制的條件。

4.3.1活動一：閱讀資料并進行分析，探索PCR過程

資料一 1970年華裔科學家吳瑞在對樣本DNA測序時，首先利用待定的引物與樣本DNA分子上的目標序列進行雜交，然后通過DNA聚合酶進行聚合脫氧核苷酸鏈式延伸，從而可以合成一條新DNA鏈。通過對這些延伸產(chǎn)物進行分析，就可以推斷出樣本DNA分子的序列信息，這也是人類首次成功對噬菌體DNA進行了測序。

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

資料二 1971年印度裔科學家科拉納（Har.Gobind Khorana）首先提出進行核酸體外擴增的新思路。他認為可以將DNA變性解鏈，再與合適的引物雜交，然后用DNA聚合酶進行延伸引物，最后通過重復循環(huán)這一過程就可以在類輸環(huán)境下復制和擴增DNA序列，從而模擬體內生物學的復制機制。

教師提問：細胞內DNA如何變性解鏈？使DNA變性解鏈還有什么方法？

資料三 1973年，臺灣學生錢嘉韻在辛辛那提大學生物系讀研期間，從美國黃石國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菌。這種細菌被定義為嗜熱菌（Thermus aquaticus），該菌能在75℃的高溫中生活繁衍。

教師提問：嗜熱菌生活在這種環(huán)境，說明嗜熱菌體內酶維持活性的條件有什么特點？對研究體外DNA擴增過程有何啟發(fā)？

資料四 1983年，美國科學家穆里斯（Kary R.Mullis）開著汽車行駛在盤旋公路上，不斷經(jīng)過兩邊的路燈，突然激發(fā)了他的靈感。如果擴增DNA片段時，同時添加兩條引物，那么只要引物充足，理論上就可以無限循環(huán)地擴增下去。提出雙引物方法想法后，1985年穆里斯通過不斷改變溫度，誘發(fā)DNA鏈的變性解鏈與復合，進而模擬體內DNA復制的變性、雜交和延伸等關鍵過程，最終發(fā)明PCR技術，并以此獲得諾貝爾獎。

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

4.3.2活動二：總結出PCR反應過程需要的條件，完成表格

教師播放PCR反應過程視頻，學生之間相互討論，歸納PCR反應步驟及目的，并完成表1。

4.3.3活動三：構建PCR過程模型

教師提供磁貼制作的四種堿基和酶模型（見圖1），指導學生動手構建PCR過程模型，尤其是注意熱穩(wěn)定DNA聚合酶作用的方向及特點。學生分析PCR二輪后的結果，并進一步討論探究擴增n輪后的結果，完成表2的內容。

5檢測與練習

檢測與練習可以檢測學生學習目標是否達成，并鞏固已掌握的知識，根據(jù)功能可分為檢測題、鞏固題和提高題。根據(jù)本節(jié)學習目標設計如下題目。

例題1 在抗擊新冠疫情過程中進行核酸檢測時，需要大量使用PCR檢測試劑盒實現(xiàn)DNA的擴增和檢測。PCR過程與細胞內的DNA復制過程相比，主要有兩點不同，它們是（ ）。

①PCR過程需要的引物是人工合成的DNA單鏈；⑦PCR過程不需要DNA聚合酶；③PCR過程中DNA解旋不依靠解旋酶，而是通過對反應溫度的控制來實現(xiàn)；④PCR過程不需要解旋，直接以雙鏈DNA為模板進行復制，

A.①② B.①③ C.③④ D.②③

例題2 PCR過程一般要經(jīng)過三十多次循環(huán)，從第二輪循環(huán)開始，上一次循環(huán)的產(chǎn)物也作為模板參與反應，由引物Ⅰ延伸而成的DNA單鏈作模板時（ ）。

A.仍與引物Ⅰ結合進行DNA子鏈的延伸

B.與引物Ⅱ結合進行DNA子鏈的延伸

C.同時與引物Ⅰ和引物Ⅱ結合進行子鏈的延伸

D.無需與引物結合，在酶的作用下從頭合成子鏈

例題3 （多選）利用PCR技術將某小段DNA分子擴增n代，需（ ）。

A.測定DNA分子兩端的核苷酸序列，以便設計引物對

B.2n-1對引物參與子代DNA分子的合成

C.向反應體系中加入解旋酶、DNA聚合酶等

D.保持反應體系溫度恒定，確保擴增的正常進行

6學后反思

學后反思能讓學生反思自己學習知識的過程，思考梳理已學知識，并診斷自身存在的問題。本節(jié)課設計的反思建議為：請學生自主梳理本主題知識體系，繪制出PCR過程圖。