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(diào)信息整合、促進知識建構(gòu)、著意遷移運用、面向問題解決，是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)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(xiàn)對基因、蛋白質(zhì)、基因表達、基因表達調(diào)控、基因工程等知識的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)閷W科核心素養(yǎng)的培育。新課標的實施，要求教師重新審視并優(yōu)化學科教學的設計，圍繞學科大概念構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的課程內(nèi)容體系，以主題為引領實現(xiàn)課程內(nèi)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(yǎng)的落實。新課標的“教學與評價建議”中強調(diào)充分利用信息技術(shù)提高課堂教學效率[1]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下，借助NCBI數(shù)據(jù)庫和SnapGene軟件等網(wǎng)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(yǎng)學生的自主學習能力。同時，通過創(chuàng)設實踐情境，能夠進一步培養(yǎng)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(nèi)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(xiàn)碎片化狀態(tài)，因此他們在建構(gòu)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(fā)與利用大數(shù)據(jù)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(yǎng)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(nèi)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(diào)信息整合、促進知識建構(gòu)、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(fā)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(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)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(zhì)及思想方法，并且形成了積極的內(nèi)在學習動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)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(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑[3-4]。

依據(jù)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(diào)生物學核心知識的獲得與結(jié)構(gòu)化，生物學思想方法的建構(gòu)，生命觀念、科學思維、科學探究及社會責任核心素養(yǎng)的發(fā)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(zhàn)性任務；在學習結(jié)果上，強調(diào)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(xiàn)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(zhàn)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(jié)構(gòu)，從而建構(gòu)結(jié)構(gòu)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(yǎng)的發(fā)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(cè)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(qū)域，可以快速訪問常見的文件操作和顯示設置；側(cè)面常用工具欄屬于快速訪問區(qū)，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(fā)揮SnapGene軟件可視化功能，促進知識結(jié)構(gòu)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(xiàn)碎片化狀態(tài)。而借助SnapGene軟件進行基因序列分析和載體結(jié)構(gòu)分析，可以直觀了解基因和載體的結(jié)構(gòu)、功能元件，實現(xiàn)微觀分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)和遺傳效應，并形成簡單的結(jié)構(gòu)與功能對應關系，但容易忽視對基因結(jié)構(gòu)的深入剖析，這導致學生對基因編碼區(qū)和非編碼區(qū)的聯(lián)系理解不足，不清楚非編碼區(qū)的啟動子和終止子的結(jié)構(gòu)關系，也不清楚編碼區(qū)的內(nèi)含子和外顯子的結(jié)構(gòu)關系。這種認知狀態(tài)，不利于學生后續(xù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的編碼區(qū)和非編碼區(qū)、編碼區(qū)的內(nèi)含子和外顯子、位于編碼區(qū)上游的啟動子和位于編碼區(qū)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(jié)構(gòu)的差異，構(gòu)建胰島素基因和Cry1Ac基因結(jié)構(gòu)模型（如圖4）并進行反思互評。這一過程旨在實現(xiàn)知識的鏈接、遷移和運用，促進知識結(jié)構(gòu)化。

在教學“重組DNA技術(shù)的基本工具”時，教師可以以“pBI121質(zhì)粒”為例，來直觀分析質(zhì)粒載體的特征。通過SnapGene軟件觀察，可以發(fā)現(xiàn)pBI121質(zhì)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(nèi)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(zhì)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(lián)到T-DNA的轉(zhuǎn)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(chuàng)造，促進知識的結(jié)構(gòu)化，推動高階思維的發(fā)展，實現(xiàn)深度學習。

（二）運用SnapGene軟件的設計與模擬功能，培養(yǎng)科學思維

科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)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(fā)展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)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(gòu)建表達載體的設計特性，對于培養(yǎng)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(gòu)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(fā)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(jié)合的單鏈DNA片段”升級為具象化的“結(jié)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(xiàn)在目的基因兩端人為引入所需酶切位點”，從而實現(xiàn)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(yǎng)學生的歸納與概括、演繹與推理、批判性思維、創(chuàng)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(yǎng)。

（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(xiàn)實生活問題[6]。為了達成這些目標，教師可以創(chuàng)設與生產(chǎn)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(shù)的基本工具”的遷移應用，也是學習蛋白質(zhì)工程的基礎，更是構(gòu)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(diào)查結(jié)果顯示，學生對于PCR過程、凝膠電泳、表達載體構(gòu)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(xiàn)狀，教學中教師可以提出胰島素的醫(yī)療需求問題、抗蟲棉的生產(chǎn)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(gòu)建、抗蟲棉pBI121-Cry1Ac表達載體構(gòu)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(xiàn)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(gòu)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(qū)動下，學生通過體驗SnapGene軟件、利用NCBI數(shù)據(jù)庫進行分析和構(gòu)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(fā)展，加深了對生物學思想方法的理解和感悟，實現(xiàn)了深度學習，提升了學科素養(yǎng)。

在使用NCBI數(shù)據(jù)庫和SnapGene軟件等網(wǎng)絡資源實施教學時，還可以進一步拓展到蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預測軟件（SWISS-MODEL）。這些網(wǎng)絡資源能夠從概念出發(fā)，通過結(jié)構(gòu)化內(nèi)容鏈接，實現(xiàn)能力螺旋式上升和素養(yǎng)內(nèi)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(shù)據(jù)庫鏈接廣泛，其內(nèi)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(nèi)容時，應仔細篩選，確保所選內(nèi)容適用于課堂教學，以避免陷入教學誤區(qū)。

［" "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(yǎng)[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）