基于深度学习的生物大分子教学设计与实施——以“核酸”教学为例

李健荣

（东莞松山湖未来学校 广东 东莞 523000）

一、问题提出

随着时代的发展，核酸在生命科学和医学的研究中发挥着日益重要的作用。在《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）中，“核酸”是主题2“生物大分子及合成高分子”的核心内容之一，［1］人教版高中化学选择性必修3 单独设立了“第三节核酸”，从组成、结构和生物功能三个方面详细介绍核酸，其中还包含2个“思考与讨论”模块、1个“资料卡片”模块和1个“科学·技术·社会”模块。相对于新教材，旧教材人教版高中化学选修5对核酸的内容仅仅进行简单介绍，在实际教学的过程中，许多教师对于“核酸”的教学内容也是简单带过，并没有深入探讨。

在高中生物课程中，学生在高一已经学习了核酸的相关内容，知道核酸包括DNA和RNA，知道其基本结构单元，对其生物功能有了系统性的了解，但是对核苷酸中戊糖、磷酸和碱基之间的连接方式，以及DNA 双螺旋结构形成时的碱基配对原理缺乏化学微观层面的认识。

本研究以中国知网为数据来源，以“核酸”和“教学设计”作为关键词，共获得相关文献90篇。其中，共有87篇论文是从生物课程教学的角度进行撰写，有3篇是从化学课程的角度进行撰写。田沺等人发表的“核酸二级结构的渐进式教学设计”［2］和王少儒等人发表的“关联法和类比法在生物化学教学中的应用”［3］针对的是大学生物化学课程，刘春萍等人发表的“师范专业认证背景下有机化学‘三段式’教学法的构建与实践”主要阐述了“三段式”教学法在旧教材中“糖类化合物”和“蛋白质和核酸”这两个章节中的实施情况。［4］

因此，在新课标的背景下，如何通过核酸等生物大分子的教学落实化学学科核心素养的培养成为现阶段急需解决的问题。于是，本研究以“核酸”教学为例创建生物大分子的教学范式，以深度学习和问题驱动为导向实现素养的发展，并根据素养培养情况设计调查问卷，用数据反馈教学成效，以期实现“教、学、评”一体化。

二、解决问题的教学设计

1.教学理念

深度学习是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程，是我国全面深化课程改革、落实学科核心素养的重要途径。［5］其中，真实的教学情境、思维的外显策略和教学的深度互动是落实“深度学习”教学的三要素。本研究在综合考虑教学内容特点、学生学情和素养课堂要素的基础上，围绕科学家发现和探究核酸的真实历程，引导学生在真实情境中思考质疑、提出问题和解决问题，在此过程中采取“合作探究”和“活动导学”的教学组织形式，充分发挥学生的主体地位。在教学手段上，本研究借助“磁性白板”和“分子模型”将学生的思维外显，并对外显的思维进行评价，从而发展学生的学科核心素养。

2.教评目标

新课标对“核酸”的教学提出了基本内容和学业水平要求，本研究在落实该要求的基础上，以培养化学学科核心素养为导向，设计相应的教学目标和评价目标，见表1。

表1 教学目标和评价目标

3.教学流程

“3×n”模式是基于问题解决理念、“教、学、评”一体化理念和情境教学理念以实现“素养为本”的教学。［6］“3×n”模式框架的横向维度为教学板块，纵向维度为教学环节，每个环节均由三个板块构成。本节课的“3×n”教学流程如图1所示。

图1 “3×7”教学流程图

本节课设置了7个主要教学环节：（1）教师展示新冠病毒的核酸检测，引出学习主题：核酸是什么？为什么检测核酸能确认病毒？学生根据在生物课程中已学的相关知识阐述核酸的生物功能及其基本组成单元；（2）教师引导学生类比酯类和蛋白质的成键特点，通过磁性白板提出戊糖、磷酸和碱基构成核苷酸分子的成键猜想；（3）学生通过宏观的分子模型搭建多聚核苷酸链（单链），借助宏观模型模拟磷酸二酯键的形成过程，体会借助宏观实物模型认识生物大分子微观结构的方法；（4）结合DNA结构的探究史，从微观层面分析DNA碱基配对的原理，并解释为什么碱基配对是A 配T，C 配G；（5）学生根据碱基配对原则构建DNA双螺旋结构模型；（6）学生结合教材“科学·技术·社会”模块的内容（聚合酶链反应PCR），系统地认识核酸检测原理，了解我国在核酸研究中所取得的骄人成绩；（7）回顾本节课的探究历程，构建生物大分子的认知模型。

三、教学实录

1.展现核酸检测，了解核酸组成

教师展现新冠病毒核酸检测的图片（见图2），引起学生对本节课学习主题的关注，拉近化学课堂与生活的距离。

图2 新冠病毒核酸检测

【教师】核酸是什么？为什么检测核酸能确认感染病毒？

【学生】核酸是生命体的遗传物质，是遗传信息的载体。因为每一种生物的遗传信息都具有特征性，所以检测核酸能确认病毒的种类。

教师呈现核酸的研究史：早在1868年，生物学家米歇尔发现细胞核中含有一种富含磷和氮的物质，取名为“核素”。后来人们发现它呈酸性，因此改叫“核酸”。

【教师】根据之前生物课程的学习，构成核酸基本单元是什么？

【学生】核苷酸分子。

【教师】核苷酸分子由什么构成？不同的核苷酸分子有什么区别？

【学生】核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸构成的。其中，戊糖可分为核糖和脱氧核糖两种，分别对应RNA和DNA。RNA的碱基为A、U、C、G，DNA的碱基为A、T、C、G。

2.提出成键猜想，小组分析原因

【教师】通过之前生物课程的学习，各位同学对核酸的组成、分类和生物功能已经有一定的认识。现在请各位同学以小组为单位，类比酯类和蛋白质的成键方式，猜测脱氧核糖、腺嘌呤和磷酸的结合方式，并将猜想书写在磁性白板。

学生以小组为单位讨论碱基、戊糖和磷酸的成键方式，并将猜想写在磁性白板上进行展示，见图3。

图3 学生提出碱基、戊糖和磷酸成键方式的猜想

教师和学生对各小组提出的猜想进行评价（见图4），共同分析碱基、戊糖和磷酸的成键方式。

图4 教师对学生的猜想进行评价

【教师】通过刚才的分析，我们知道碱基的-NH-与脱氧核糖1’-C 的羟基进行脱水缩合形成糖苷键，磷酸的羟基与脱氧核糖5’-C的羟基进行脱水缩合形成磷酸酯键（见图5），从而形成脱氧核苷酸分子。

3.借助宏观模型，模拟成键过程

【教师】根据高一的生物知识，我们知道DNA中的脱氧核糖和磷酸是交替连接的。请大家结合脱氧核苷酸的结构分析多个核苷酸单体是如何形成多聚脱氧核苷酸链（单链）？

【学生】根据分子结构，多个核苷酸分子是通过脱水缩合形成聚合物的，其中一个脱氧核苷酸3’-C 的羟基与另一个脱氧核苷酸的磷酸羟基通过脱水缩合形成新的化学键。

【教师】大家的分析是正确的，形成的这个化学键叫做磷酸二酯键（见图5）。现在请大家根据核苷酸缩合成键的特点，使用分子模型拼接出多聚脱氧核苷酸链（单链）。

图5 脱氧核苷酸中碱基、戊糖和磷酸的成键过程

学生以小组为单位使用DNA 分子模型拼接多聚脱氧核苷酸链（单链），见图6。教师和学生对各小组拼接的分子模型进行评价。

图6 多聚脱氧核苷酸链（单链）模型

4.基于微观角度，分析配对原则

教师呈现核酸的研究史：在1952年，生物化学家查哥夫通过实验证明，DNA分子中的碱基A与T，G与C 的数量是相同的。在1953年，沃森和克里克利用DNA 晶体X 射线衍射等数据表明DNA 不是单链结构，而是由两条多聚脱氧核苷酸链形成双螺旋结构。

【教师】根据核酸的研究史和碱基配对的结构示意图（见图7），请同学们分析碱基“A配T，G配C”的原因。

图7 碱基配对的结构示意图

【学生】从结构图可以发现，两条链上的碱基是通过氢键作用相互结合的，其中腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）形成两个氢键，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）形成三个氢键，所以相同氢键数的碱基才能配对。

【教师】分析得很好！其实除了氢键外，碱基的空间大小也是重要的影响因素。由于要保持DNA 内两条多聚脱氧核苷酸链的间距不变，必定是一个双环结构的嘌呤与一个单环结构的嘧啶进行匹配，才能保证碱基对的长度大致相同，形成强度相似的氢键，从而使DNA的体系能量降低，提高结构稳定性。

5.结合科学历史，探究螺旋结构

【教师】根据碱基配对原则，请各小组在之前拼接的多聚脱氧核苷酸单链模型的基础上组合出DNA 双螺旋结构模型。

学生拼接出DNA双螺旋结构模型，见图8。教师和学生对各小组拼接的模型进行评价。

图8 DNA双螺旋结构模型

6.了解前沿科技，认识核酸检测

【教师】通过本节课的学习，我们对于DNA 的功能、结构和成键已经有了系统的认识。但是新冠病毒的遗传物质是RNA，并且在感染初期，病毒含量比较少，我们是如何检测出病毒？各位同学能否从课本中找出线索？

【学生】可以通过逆转录将病毒的RNA 转化为DNA，再通过聚合酶链反应（PCR）扩增DNA片段。

【教师】很好！同学们都做过核酸检测，那么新冠病毒核酸检测的原理是什么？医护人员完成采样后，样品需要如何处理？接下来我们通过一个微视频了解核酸检测的基本原理。

教师播放微视频《新冠病毒的核酸检测》。［7］

7.回顾探究过程，构建认知模型

【教师】对核酸的结构和生物功能的研究，将使人们深入认识生命活动规律，促进医学、农业等的发展。本节课我们重温科学家研究DNA的历史，逐步认识核酸的组成、结构和成键方式。这恰恰也是研究生物大分子结构的一般方法。现在请各位同学回顾本节课所学内容，结合糖类和蛋白质的学习，总结出生物大分子的认知模型。

【学生】研究生物大分子可通过化学反应使化学键断裂，将其分解成小片段，然后通过分析小片段（小分子）的性质和结构来推测大分子的组成和结构。

教师对学生的总结进行点评，并与学生共同完善生物大分子的认知模型。

四、教学成效

教学结束后，采用调查问卷对学生的学习情况进行反馈与评价。问卷的设计围绕6 个维度，共设19题，采用李克特式5点量表计分法，选项包括：非常同意、同意、一般、不同意和非常不同意，分别记为5、4、3、2、1 分，从而获得定量数据，数据采用SPSS 23.0 进行处理。

本研究选取东莞市某中学49 名高二学生作为测试对象，发放问卷49份，回收率100%。以“第四章生物大分子”的纸笔测试成绩作为效标，通过数据分析，问卷的效标关联效度和内在一致性信度见表2。从表中可知，问卷的效度为0.501，介于0.4～0.8 之间，说明问卷测量结果有效。问卷的信度为0.832，达到0.7以上，说明相同维度的题目之间具有很好的一致性，问卷测量结果具有较高的可靠性。［8］

表2 问卷的效度与信度

表3中1～14题和17～21题为正向问题，对照着本节课的教学目标和学科核心素养，各项平均得分均在4.3以上，特别是第21题对课堂的整体评价为4.73分，说明学生对于本节课认可度较高，教学效果良好。第15～16 题为反向设问，一方面是用于检测学生是否认真填写问卷，另一方面也表明小组合作、分子模型和磁性白板等教学方式深受学生的欢迎，符合学生的兴趣特点。接下来本研究将结合问卷数据对教学成效进行分析。

表3 反馈问卷设计与统计

第1部分：第1题和第3题得分均在4.6以上，说明学生在学科知识层面对核酸已有一定的认识，知识目标达成度高。第2题、第4题和第5题涉及核酸的微观结构和成键特点，第2 题和第5 题的得分均在4.5 以上，说明较好地培养了学生的“微观探析”素养，但是第4题的得分为4.39，相对略低，说明学生对于脱水缩合的成键方式还需加强学习。

第2部分：第6题得分为4.67，说明学生对于DNA的双螺旋结构有了更深入的认识，能使用宏观分子模型辅助学习。第7 题得分为4.53，说明学生能够从历史文本中提取关键信息，提出合理的猜想，较好地培养了学生的“证据推理”素养。第8 题得分为4.63，说明学生有效构建生物大分子的认知模型，研究脉络清晰，“模型认知”素养得到较好发展。

第3部分：第9题的得分为4.53，说明学生能够基于动态视角理解生命活动中物质的形成及分解的过程。

第4部分：第10题和第11题的得分均在4.6以上，说明通过科学史教学有利于培养学生的“科学探究”素养。

第5 部分：第12 题的得分为4.76，说明学生认识到研究核酸对医学、农业等领域发展的价值，有效培养学生的“社会责任”素养。第13题的得分为4.45，说明本节课在新冠病毒的时代背景下进行了有效科普。第14 题的得分为4.41，得分较低，说明本节课在呈现科学史素材时除了要关注史料本身外，更应该关注科学家的精神与品质。

第6部分：第17-20题的得分较高，均在4.6以上，说明学生对于本节课的教学方式十分认可。其中第18 题和第19 题的得分超过4.7，说明该班级学生善于表达自身观点，有较强的表现欲，本节课所设计的教学活动能有效调动学生学习的积极性，充分发挥学生的主体作用。

五、教学总结与反思

1.“活动与体验”是深度学习的核心特征

学生的学习具有高起点性，即学生无须经历漫长曲解的试误摸索，就能直接面对人类认识成果。这虽然保证了学生学习的教育性与目的性，却也容易导致忽视教学的真正目的，将教学作为知识的“输入”和“输出”。［9］学生要成为学习的主体而不是被动的知识接收器，就得有“活动”的机会，有“亲身经历”知识的发现、形成、发展的过程的机会。正是在这样的活动中，学生成为活动主体，成为一个具体而丰富的人。当然，学生的“活动”“亲身经历”既不可能也没必要像人类最初发现知识那样，而是要典型地、简约地经历结构性的关键过程与关键内容。本研究依据“核酸的发现→核酸的组成→碱基补对原则→DNA 双螺旋结构→核酸的现代应用”真实探究历程，设立多个“活动与体验”环节，使学生亲身体会到所学内容在学科发展及人类发展历史中的重要价值，体会更深刻的情感以及学科思维方式，从而实现深度学习，提升学科核心素养。

2.“生物大分子”是落实核心素养的抓手

化学对生物大分子的研究有助于在分子层面上深入认识生命现象的化学本质，对生命科学的发展起到重要的推动作用。教科书根据课程标准要求和学科发展趋势，专门介绍了核酸的结构与功能，并相应补充了核糖和脱氧核糖等内容。［10］教材内容的改变其本质是引导教师从化学学科角度分析生物大分子，挖掘其中的学科要素和学科核心素养，落实立德树人的教育目标。同时，从教材结构编排上分析，第四章探讨生物大分子的组成与结构，在此基础上介绍其性质与用途，其本质是对前三章的有机化学知识和认识方法进行具体应用，使学生在必修的基础上进一步认识天然高分子，并为第五章学习合成高分子进行充分铺垫。因此，化学课程的“生物大分子”教学是有别于生物课程的，其本质是从化学角度来解释生物功能，体现了具有化学学科特征的认识视角与学习视角。