促进学生关键能力发展的教学策略

摘 要 本文以“PCR”一节课的教学为例，在生物学课堂教学中主要通过情境感知、观察讨论、理解解释，完善应用等环节促进学生关键能力的发展。

关键词 关键能力 生物学教学   新常态

《普通高中课程标准（2020年修订版）》中学科核心素养部分中明确指出，学生应通过学科学习逐步形成正确的价值观、必备品格和关键能力[1]。关键能力不仅关乎学生的学科知识掌握，更涉及他们在实际生活中运用知识解决问题的能力，包括思维与创新能力、‌实践与操作能力和‌跨学科融合能力等。生物学课堂是知识教学的场域，更是关键能力发展的主阵地。那么在常态课教学中如何促进学生关键能力的发展呢？

一、创设情境，感知概念

教师根据学情和教学内容，创设契合的情境，情境可以是实验、生活素材、调查访谈、新闻播报、中华传统文化、生物科学史、科学技术的最新研究资料等，学生基于已有的证据和逻辑思维感知概念[2]。

例如，为学生展示PCR仪，播放PCR过程模拟视频，结合2022年诺贝尔生理学或医学奖授予斯万特·帕博（Svante．Pääbo），以表彰他在“关于已灭绝人类基因组和人类进化的发现”方面的贡献让学生感知概念，PCR是基因工程中最重要的发明之一，是一项生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。它能以极少量的DNA为模板，在几小时内复制出上百万份的DNA拷贝。1993年，K．Mullis因PCR获得诺贝尔化学奖。感知概念：PCR技术实现特异DNA片段扩增的原理是什么？和细胞内DNA复制过程有哪些区别？

二、观察讨论，形成概念

学生分组实验或教师演示实验或模型构建或利用现代教学工具还原科学家的探究过程，学生进行操作并进行细致的观察，根据结果分析、比对，思考讨论问题，形成概念。例如，本节课由于条件限制无法实际开展PCR实验的学校可以让学生在NOBOOK虚拟实验室中对PCR过程模拟操作，体验PCR的技术流程。NOBOOK虚拟实验作为一种先进的教学工具，将抽象的或囿于高中学校实验室的条件而无法开展的实验，通过模拟将抽象的生物学知识转化为直观生动的实验场景，帮助学生更好地理解和掌握知识，提高课堂教学效率。同时可让学生讨论以下问题，形成概念：

1.PCR反应需要在一定的缓冲溶液中才能进行，需提供哪些条件？一轮循环经历哪几个步骤？

2.引物的作用是什么？设计引物的原则有哪些？

3.TaqDNA聚合酶的作用是什么？DNA聚合酶需要Mg2+激活，Mg2+浓度对PCR扩增效率有什么影响？

4.进行PCR扩增时，加入4种脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）而不是脱氧核苷酸，其原因是什么？

【参考答案】

1.模板、引物、4种脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）和耐高温的DNA聚合酶（TaqDNA聚合酶）等    ①变性（双链DNA解聚为2条单链）→②复性（2种引物通过碱基互补配对与2条单链DNA结合）→③延伸（形成2条新的互补链）

2.引物的作用是使DNA聚合酶从3' 端开始连接脱氧核苷酸  应根据目的基因两端的脱氧核苷酸序列来设计引物。设计引物时需要注意长度适宜、引物中GC含量适宜、引物自身与引物之间不能存在互补序列，常见引物长度为18～30bp，引物越短，非特异性扩增率越高

3.催化DNA链的延伸   扩增缓冲液中的Mg2+浓度过高会降低PCR扩增的特异性，若Mg2+浓度过低，扩增出目的基因的数量少

4.dNTP能为子链延伸过程提供能量和原料（或脱氧核苷酸只能作为原料不能提供能量）

三、理解解释，完善概念

讲给别人听是最好的学习方式。联系生活实际，运用逻辑思维进行思考分析，作出合理的解释说明。教师提供多元化的观点引导学生展开必要的讨论或争论，表达交流，贯穿评价等，完善概念，使知识体系更加清晰，促进学生关键能力的培养和发展。可设计以下问题：

5.增加预变性和最后一次循环结束时72℃延伸7-10min的原因是什么？

6.PCR扩增过程中，为什么说退火（复性）温度的设定是成败的关键？

7.实验室利用PCR技术扩增目的基因，若无任何产物生成，可能的原

因有哪些？若得到非特异性产物，可能的原因有哪些？

【参考答案】

5.常在第一轮循环前先94 ℃处理5分钟，预变性使DNA充分变性，以利于引物更好地和模板结合，激活热稳定性DNA聚合酶。最后一次循环结束时72℃延伸7-10min，使子链得到充分延伸，使目的基因的扩增更加充分，提高反应效率

6.退火是让引物通过碱基互补配对与单链DNA结合，退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关，长度相同但G-C含量高的引物需要设定更高的退火温度。退火温度高特异性强，但过高会破坏引物与模板的碱基互补配对，退火温度低产量高，但过低可造成引物与模板错配，非特异性产物增加。

四、迁移应用，强化概念

学科知识经过学习理解和应用，并进行迁移创新的进阶学习，加快了知识向能力的转变进程。通过资料或例题分析，如扩增目的基因、研究基因表达、扩增微小的DNA量来检测病原体、诊断遗传病、亲子鉴定、确定家族关系、人类遗骸的鉴定、犯罪嫌疑人身份鉴定，甚至可以扩增古代生物化石组织中的DNA等，回扣课前导入的情境，学生讨论交流，从解题到解决问题。应用实例如下：

1.PCR技术可用于临床的病毒检测。为检测病人是否感染了某种病毒，如果你是医生应进行怎样的操作？

【参考答案】④采集病人组织样本→②从病人组织样本中提取DNA→③利用PCR技术扩增DNA片段→①分析PCR扩增结果

2.采用RT－PCR技术（逆转录荧光PCR技术）可以进行RNA病毒的核酸检测也可以研究基因的表达情况。在PCR反应体系中，包含1对特异性引物及1个Taqman探针，该探针为一寡核苷酸链，两端分别标记一个报告荧光基因（一种能与双链DNA结合的荧光染料）R和一个淬灭荧光基团Q。通过对若干次循环后荧光信号强度的测定，可以推测出起始模板DNA的含量。正确的操作流程是什么？

【参考答案】从组织中提取RNA→将RNA逆转录为cDNA→PCR扩增cDNA→探针与cDNA结合→引物与cDNA3'端结合并延伸→水解探针，R与Q分离→随着DNA产物增多，染料发出荧光强度也相应增加，通过外推法判断原始的DNA量。

3.多重PCR是在同一PCR反应体系里加入2对以上引物，针对多个DNA模板或同一模板的不同区域，同时扩增出多个目的基因的PCR技术。多重PCR技术可用于检测特定基因序列的存在或缺失，也可用于多种病原微生物的同时检测或某些遗传病的鉴定等，检测效率高。如杜氏肌营养不良（DMD）基因的多个外显子都可能发生基因突变，表现出相似的病症。如何借助多重PCR技术诊断患者基因中哪些外显子发生了突变？

【参考答案】根据不同外显子分别设计引物做多重 PCR，根据扩增产物的电泳结果，可以判断病人的 DMD 基因发生突变的外显子。

另外，可让学生课后查阅资料，综述PCR的拓展技术，如重叠延伸PCR、定点诱变PCR、同源重组PCR等，并列表分析、比较。

结束语 对标生物学学科核心素养，在课堂教学中通过学生具身学习，在真实的情境中感知概念，通过实验、探究、模型建构或资料分析等形成概念，通过小组讨论或争辩、展示交流等活动解释并完善概念，再应用概念解决问题，从问题出发，到问题的思考，再到问题的解决，从而发激发学生的高阶思维，实现深度学习，促进学生关键能力的发展。

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020修订）[M].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]黄子珊，许桂清．基于概念转变的高中物理演示实验POEA教学策略[Ｊ]．中学物理教与学，2024（4）：20.

＊基金项目：江苏省中小学教学研究第十三期课题“核心素养视阈下的生物学科高阶思维能力评价研究”，课题编号：2019JK13—L303。

作者简介：鲁华（1968-），大学本科学历，女，高级教师，江苏东海，生物研训员，主要从事生物学教育教学研究。