基于真实情境下问题解决的PCR 专题复习

朱灵君

(海宁市高级中学 浙江嘉兴 314400)

《普通高中生物学课程标准(2017 年版2020 年修订)》中的核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。 此外,为了实现全面发展育人目标,教育部考试中心在2019 年发布了中国高考评价体系,将高考考查内容凝练为“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”。 其中生物学科的关键能力是指学生经过生物学的学习后,在应对与生物学相关知识的生活、生产实践及科学探究等问题时,所必须具备的认识问题、分析问题、解决问题的能力。 下面以“实时荧光定量PCR 技术”一课的专题为例,阐述其教学过程。

1 教材分析及设计思路

PCR 技术是基因工程的重要技术手段,通过对浙科版高中生物学新旧教材对应章节的内容进行比较发现,关于PCR 的篇幅大大增加。 对近年来一些省市选考卷进行分析,不难发现考查的难点集中在PCR的引物选择、对扩增结果的判断和PCR 在现实情境问题中的应用。 例如,2018 年江苏卷考查的引物设计、2021 年湖北卷考查的PCR 原理和2021 年全国甲卷和乙卷中考察的PCR 检测应用。 选考的命题既体现了生物学学科核心素养的要求,也是对学生学科关键能力的一种考察。

本节课是选考前的二轮专题复习课,在此之前学生已经完成了系统的一轮复习,对病毒有关的免疫、中心法则、基因工程和PCR 技术的基础知识有了较好的掌握,但对于如何综合运用知识解决真实情境中问题的能力有待提高。 同时,相对于新授课,学生对复习课的积极性较低。 对于已经复习过的内容,如果仍采用传统的记忆加练习的方式,难以激发学生的学习积极性。 此外,对于专题复习,应该在适当巩固基础知识的前提下,以在真实情境下解决实际问题为重点,提升学生迁移和运用知识的能力。

因此,本节课以核酸检测中使用的实时荧光定量PCR 技术为情境,以“如何通过实时荧光定量PCR 进行新冠阳性诊断”为核心问题,设置多个课堂任务(图1)。 通过小组合作论证的方式对实时荧光定量PCR 原理进行推导和运用,并对新冠肺炎病毒核酸诊断标准的变化进行讨论,深化学生对PCR技术的理解与运用,发展学生的科学思维,落实关注生命健康的社会责任。

图1 课堂教学脉络

2 教学目标

(1) 通过模型搭建,巩固PCR 相关基础知识,掌握引物设计原则,培养学生的建模能力,演绎与推理的能力。

(2) 通过对实时荧光定量PCR 相关材料的讨论,尝试推测实时荧光定量PCR 技术的特点和原理,培养学生解决实际问题的能力,提升归纳与概括的科学思维。

(3) 通过对新冠核酸诊断标准的讨论,落实关注生命健康的社会责任。

3 教学过程

3.1 任务一:推测实时荧光定量PCR 技术特点

教师在课堂上展示日常核酸检测过程和核酸阴性报告图片,引导学生关注检测方法,并让学生通过名称推测实时荧光定量PCR 技术的特点,调动学生的好奇心和学习积极性。

完成情境建构后,教师引导学生将关注重点转移到实时荧光定量PCR 这一检测技术上。 虽然大部分学生都有核酸检测的经历,却对于实时荧光定量PCR技术并不了解。 但同时,学生可以从该技术名称中,较为容易地推测出该技术的特点,如实时可观测性、观测指标是荧光强度和荧光强度能定量分析这三个方面。 任务一的顺利完成,能提升学生的自信心和参与课堂活动的积极性,为之后的课堂任务的顺利进行奠定基础。

设计意图:用真实的情境呈现问题,营造问题解决的环境,能有效提高学生的学习积极性。 通过展示日常核酸检测和核酸检测阴性报告,可以使学生迅速融入课堂,提升学习积极性,也有利于之后课堂活动的展开。

3.2 任务二:通过论证,阐释实时荧光定量PCR 技术的原理

任务一完成后,教师继续展示有关实时荧光定量PCR 的原理简图(图2)和荧光强度与PCR 循环次数的关系图(图3),并提出本节课的核心问题:如何通过实时荧光定量PCR 进行新冠病毒阳性诊断?

图2 实时荧光定量PCR 原理

图3 荧光强度与PCR 循环关系

接着,教师以学案的方式给出小组论证主张表(表1),引导学生进行三个子任务的论证:探针在什么情况下会发光? 探针为什么能特异性的标识目标DNA? 荧光强度与哪些因素有关?

表1 小组论证主张表

设计意图:论证是指围绕某一论题,利用科学的方法收集证据,解释和联系证据、评价自己及他人的证据与观点之间的相关性,促进思维的共享与交锋,最终达成共识的活动。 小组合作论证是课堂教学中突破难点、解决复杂问题的方式之一。 在论证的过程中,学生通过主张、质疑、举证和修订,既模拟了科学研究的过程,也完成了思维的碰撞和整合。 根据最近发展区理论,让学生尝试解决略高于其当前能力的问题,有助于提升学生的能力。 因此,为避免小组讨论论证程度低、方向偏离等状况的出现,在本任务中教师提供了一定的论证范式,并以子任务的方式提供支架,将复杂问题化解为位于学生最近发展区中的问题,从而助力学生解决问题。

3.3 任务三:架构PCR 体系,选择适宜的引物

教师在学案上列出与PCR 过程可能有关的试剂和材料(图4),要求学生通过小组合作的方式完成三个子任务:选取合适的试剂与材料,构建PCR 体系;选取恰当的引物组合;指出下述引物存在的问题。

图4 PCR 过程相关的试剂和材料

设计意图:由于PCR 体系所需的试剂、材料较多,并且该过程较为复杂,与学生已经学习过的细胞内DNA 的复制既有联系、也有区别。 在专题复习的过程中,学生容易出现排斥知识点的识记或出现知识混淆、错记和遗漏等问题。 因此教师可以让学生通过小组合作的方式构建和展示PCR 模型,将事实性知识转化为解决问题的方法,对相关知识进行有效整合。

3.4 任务四:讨论新冠核酸诊断标准的变化

教师展示Ct 值的定义和《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(第九版)》中关于新冠病毒核酸检测阳性标准中Ct 值从40 降为35 的相关内容,引导学生就新冠病毒核酸检测阳性标准Ct 值的改变,对新冠阳性的界定标准是更严格还是更宽松这一问题展开讨论。

设计意图:通过任务二和任务三,学生对实时荧光定量PCR 的原理有所掌握,在课堂的末尾,学生通过对新冠核酸检测标准的讨论,可以提升运用知识解决实际问题的能力,同时教师通过引导学生从多角度看待社会问题,落实了关注生命健康的社会责任。 最后,本节课以新冠核酸检测为情境,又以检测标准为结课方式,使整节课首尾照应,形成一个整体。

4 教学反思

高三复习课的目标,不仅包括学生知识的综合和应用,还应有科学思维和探究能力的提升。 本节课涉及的真实情境符合学生的认知逻辑,教师通过四个任务,层层递进地引导学生将所学内容与情境建立联系。 在此过程中,学生运用所学知识及科学探究的方式解决问题,并自主架构模型、分析问题、建立联系和进行推理,对相关知识的理解水平从辨认、识别等低级水平提升到了了解本质和内在联系、能迁移和应用知识、解决实际问题的高阶水平,从而达成了教学目标,落实了生物学学科核心素养。 依据文中的情境,可以整合落实的知识内容进行扩展。例如,引物设计原则中可以增加对PCR 过程中目标DNA 数量、使用的引物数量和探针数量的计算复习等。

与传统教学模式相比,论证式教学更有利于鼓励学生通过表达来展示自身的内在思维,激发学生的科学实践感,建立学生的学习成就感。 通过来自真实情境的论证资料,有利于学生展开小组论证。教师需要在教学设计过程中依据教学目标和学生情况,设置好明确的教学支架,并在课堂论证过程中给予学生更多的信任,让论证更加充分,思维建设更加完善。