学历案－可视化专业学习方案

摘要：学历案是在班级教学情景下，基于学生立场，以学习目标为起点、以教学评价为终点，围绕学习主题设计的可视化专业学习方案。学历案设计内容包含“学习主题／课时”“学习目标”“评价任务”“学习过程”“检测与练习”和“学后反思”六个方面。本文以PCR技术的科学发展史为主线设计学历案，旨在培养学生的讨论探究和批判思考能力，从而实现学生综合能力的提升。

关键词：学历案；学生立场；可视化学习方案

文章编号：1003-7586（2024）05-0078-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

学历案是华东师范大学崔永漷教授在关注“新教学”问题，落实“学习者中心”教学理念背景下提出的专业学习路径。教师基于学情进行专门预设，制定一份包含“学习主题／课时”“学习目标”“评价任务”“学习过程”“检测与练习”“学后反思”六个方面的学历案。因此，学历案不仅是课程计划，更是学生形成新经验和学习新知识的可视化认知地图。

“多聚酶链式反应扩增DNA片段”是人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》（以下简称“教材”）第3章第2节的内容。PCR（聚合酶链式反应）技术是基因工程中最重要的核心技术之一，其在转基因、基因测序等领域都有广泛应用。本节课内容包含PCR技术的原理、条件和过程，教学难点是PCR的过程。进行本节课教学时，引导学生进行知识迁移，要求学生能类比体内DNA复制过程，理解很多技术发明的原型来源于自然界。在分析PCR过程时，要求学生具有批判性思维，能分析比较得出PCR条件与体内DNA复制条件不同之处；要求学生具有建模思维，能通过建构模型深入理解PCR过程并推理探讨其中的一般规律。教师在进行本节课的学历案设计时，选择以PCR技术的科学发现史为主线，引导学生分析思考技术设计背后的原因，旨在培养学生讨论探究和批判思考能力，从而实现学生综合素养的提升。

1学习主题／课时

在确定学习主题时，教师要根据教材内容和《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）的要求。本节课根据其知识的前后联系和难度，确定将PCR技术单独设置l学时进行教学，将学习主题设计为：多聚酶链式反应扩增DNA片段。

2学习目标

（1）通过复习体内DNA复制过程，初步了解PCR技术的基本原理。

（2）通过分析科学史资料，体会生物科学技术发展的艰辛，逐步推导出PCR需要的条件。

（3）通过观看PCR过程视频，动手构建PCR反应过程模型，尝试分析PCR结果。

学习目标要可观察、可测量、可评价，每条都要能指向学科关键能力和核心素养。本节课的三个学习目标分别指向生命观念、科学探究和社会责任、科学思维。

3评价任务

基于“教－学－评一体化”的学历案，教学设计要求遵循“有学习目标，就有相应的评价任务”原则，根据学习目标设计一项或多项任务进行检验。评价任务要关注学生的学情，可以根据不同层级设置不同的评价任务，相同的评价任务可以设定不同的评价标准。本节课根据学习目标设计的评价任务如下。

（1）回顾体内DNA复制过程，独立完成DNA复制知识点梳理。

（2）通过对资料展开分析，总结出PCR反应过程需要的条件，完成PCR过程表格。

（3）小组成员之间互相合作完成PCR过程模型，能推导出PCR结果的一般规律。

4学习过程

学习过程是教师为学生提供合适学习方法、设置有效学习途径的过程。在教学实践中，教师常常过于关注教学方法以及各种教学策略的选择，以期达成预设的教学目标，却忽视了课堂最重要的任务——培养学生自主学习能力。为此，学历案中设置了学法建议，其目的在于指导学生如何自主达成学习目标，并提供了具体的学习方法建议和学习路径指引，从而协助学生自主地掌握和运用学习方法。

4.1学法建议

PCR技术是一种体外DNA复制技术。学生由已有概念入手，提前复习体内DNA复制过程的相关内容。在课堂上仔细阅读教师呈现的相关资料，运用科学思维分析资料内信息的逻辑性和关联性，学会用知识迁移来思考新问题，能归纳出PCR过程需要的条件，并尝试通过构建物理模型来模拟PCR过程。

4.2学前准备

学生复习体内DNA复制过程。

4.3课中学习

学生借助“教学支架”进行螺旋上升式的深度学习，教师促进学生从“现有水平”向“潜在发展水平”转化。本节课以PCR技术的科学发现史为主线，以情境问题为串绳，引导学生通过归纳辨析、模拟建模等方法探究PCR技术的条件、过程和结果。

情境导入：2020年春节期间新冠疫情暴发，为了控制疫情蔓延，医务工作者通过采集咽拭子等方法对重点人群进行筛查。然而，这种方法也存在一定局限性。即使是确诊患者，咽拭子采集的病毒核酸的量也很少，很难被精确检测到。因此，采集到核酸后，首先需要对其进行数量扩增，以提高检测的灵敏度。医务工作者如何对核酸进行扩增呢？

教师通过设置咽拭子采集检测这个情境，抛出问题。学生很快会联想到已学过的核酸增殖方式——DNA复制。教师播放DNA复制过程的视频，让学生总结体内DNA复制的条件。

4.3.1活动一：阅读资料并进行分析，探索PCR过程

资料一 1970年华裔科学家吴瑞在对样本DNA测序时，首先利用待定的引物与样本DNA分子上的目标序列进行杂交，然后通过DNA聚合酶进行聚合脱氧核苷酸链式延伸，从而可以合成一条新DNA链。通过对这些延伸产物进行分析，就可以推断出样本DNA分子的序列信息，这也是人类首次成功对噬菌体DNA进行了测序。

教师提问：体外合成一条DNA链需要添加什么物质作为引物？为什么需要添加引物？

资料二 1971年印度裔科学家科拉纳（Har.Gobind Khorana）首先提出进行核酸体外扩增的新思路。他认为可以将DNA变性解链，再与合适的引物杂交，然后用DNA聚合酶进行延伸引物，最后通过重复循环这一过程就可以在类输环境下复制和扩增DNA序列，从而模拟体内生物学的复制机制。

教师提问：细胞内DNA如何变性解链？使DNA变性解链还有什么方法？

资料三 1973年，台湾学生钱嘉韵在辛辛那提大学生物系读研期间，从美国黄石国家森林公园的一处火山温泉——大棱镜温泉中发现了一种能在高温条件下生存的细菌。这种细菌被定义为嗜热菌（Thermus aquaticus），该菌能在75℃的高温中生活繁衍。

教师提问：嗜热菌生活在这种环境，说明嗜热菌体内酶维持活性的条件有什么特点？对研究体外DNA扩增过程有何启发？

资料四 1983年，美国科学家穆里斯（Kary R.Mullis）开着汽车行驶在盘旋公路上，不断经过两边的路灯，突然激发了他的灵感。如果扩增DNA片段时，同时添加两条引物，那么只要引物充足，理论上就可以无限循环地扩增下去。提出双引物方法想法后，1985年穆里斯通过不断改变温度，诱发DNA链的变性解链与复合，进而模拟体内DNA复制的变性、杂交和延伸等关键过程，最终发明PCR技术，并以此获得诺贝尔奖。

教师提阐：从材料中看出，PCR技术关键的环境因素是什么？添加的两条引物是否一样？PCR技术的发现历程对我们有什么启发？

4.3.2活动二：总结出PCR反应过程需要的条件，完成表格

教师播放PCR反应过程视频，学生之间相互讨论，归纳PCR反应步骤及目的，并完成表1。

4.3.3活动三：构建PCR过程模型

教师提供磁贴制作的四种碱基和酶模型（见图1），指导学生动手构建PCR过程模型，尤其是注意热稳定DNA聚合酶作用的方向及特点。学生分析PCR二轮后的结果，并进一步讨论探究扩增n轮后的结果，完成表2的内容。

5检测与练习

检测与练习可以检测学生学习目标是否达成，并巩固已掌握的知识，根据功能可分为检测题、巩固题和提高题。根据本节学习目标设计如下题目。

例题1 在抗击新冠疫情过程中进行核酸检测时，需要大量使用PCR检测试剂盒实现DNA的扩增和检测。PCR过程与细胞内的DNA复制过程相比，主要有两点不同，它们是（ ）。

①PCR过程需要的引物是人工合成的DNA单链；⑦PCR过程不需要DNA聚合酶；③PCR过程中DNA解旋不依靠解旋酶，而是通过对反应温度的控制来实现；④PCR过程不需要解旋，直接以双链DNA为模板进行复制，

A.①② B.①③ C.③④ D.②③

例题2 PCR过程一般要经过三十多次循环，从第二轮循环开始，上一次循环的产物也作为模板参与反应，由引物Ⅰ延伸而成的DNA单链作模板时（ ）。

A.仍与引物Ⅰ结合进行DNA子链的延伸

B.与引物Ⅱ结合进行DNA子链的延伸

C.同时与引物Ⅰ和引物Ⅱ结合进行子链的延伸

D.无需与引物结合，在酶的作用下从头合成子链

例题3 （多选）利用PCR技术将某小段DNA分子扩增n代，需（ ）。

A.测定DNA分子两端的核苷酸序列，以便设计引物对

B.2n-1对引物参与子代DNA分子的合成

C.向反应体系中加入解旋酶、DNA聚合酶等

D.保持反应体系温度恒定，确保扩增的正常进行

6学后反思

学后反思能让学生反思自己学习知识的过程，思考梳理已学知识，并诊断自身存在的问题。本节课设计的反思建议为：请学生自主梳理本主题知识体系，绘制出PCR过程图。