基于深度學習的生物大分子教學設計與實施
——以“核酸”教學為例

李健榮

（東莞松山湖未來學校 廣東 東莞 523000）

一、問題提出

隨著時代的發展，核酸在生命科學和醫學的研究中發揮著日益重要的作用。在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）中，“核酸”是主題2“生物大分子及合成高分子”的核心內容之一，［1］人教版高中化學選擇性必修3 單獨設立了“第三節核酸”，從組成、結構和生物功能三個方面詳細介紹核酸，其中還包含2個“思考與討論”模塊、1個“資料卡片”模塊和1個“科學·技術·社會”模塊。相對于新教材，舊教材人教版高中化學選修5對核酸的內容僅僅進行簡單介紹，在實際教學的過程中，許多教師對于“核酸”的教學內容也是簡單帶過，并沒有深入探討。

在高中生物課程中，學生在高一已經學習了核酸的相關內容，知道核酸包括DNA和RNA，知道其基本結構單元，對其生物功能有了系統性的了解，但是對核苷酸中戊糖、磷酸和堿基之間的連接方式，以及DNA 雙螺旋結構形成時的堿基配對原理缺乏化學微觀層面的認識。

本研究以中國知網為數據來源，以“核酸”和“教學設計”作為關鍵詞，共獲得相關文獻90篇。其中，共有87篇論文是從生物課程教學的角度進行撰寫，有3篇是從化學課程的角度進行撰寫。田沺等人發表的“核酸二級結構的漸進式教學設計”［2］和王少儒等人發表的“關聯法和類比法在生物化學教學中的應用”［3］針對的是大學生物化學課程，劉春萍等人發表的“師范專業認證背景下有機化學‘三段式’教學法的構建與實踐”主要闡述了“三段式”教學法在舊教材中“糖類化合物”和“蛋白質和核酸”這兩個章節中的實施情況。［4］

因此，在新課標的背景下，如何通過核酸等生物大分子的教學落實化學學科核心素養的培養成為現階段急需解決的問題。于是，本研究以“核酸”教學為例創建生物大分子的教學范式，以深度學習和問題驅動為導向實現素養的發展，并根據素養培養情況設計調查問卷，用數據反饋教學成效，以期實現“教、學、評”一體化。

二、解決問題的教學設計

1.教學理念

深度學習是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程，是我國全面深化課程改革、落實學科核心素養的重要途徑。［5］其中，真實的教學情境、思維的外顯策略和教學的深度互動是落實“深度學習”教學的三要素。本研究在綜合考慮教學內容特點、學生學情和素養課堂要素的基礎上，圍繞科學家發現和探究核酸的真實歷程，引導學生在真實情境中思考質疑、提出問題和解決問題，在此過程中采取“合作探究”和“活動導學”的教學組織形式，充分發揮學生的主體地位。在教學手段上，本研究借助“磁性白板”和“分子模型”將學生的思維外顯，并對外顯的思維進行評價，從而發展學生的學科核心素養。

2.教評目標

新課標對“核酸”的教學提出了基本內容和學業水平要求，本研究在落實該要求的基礎上，以培養化學學科核心素養為導向，設計相應的教學目標和評價目標，見表1。

表1 教學目標和評價目標

3.教學流程

“3×n”模式是基于問題解決理念、“教、學、評”一體化理念和情境教學理念以實現“素養為本”的教學。［6］“3×n”模式框架的橫向維度為教學板塊，縱向維度為教學環節，每個環節均由三個板塊構成。本節課的“3×n”教學流程如圖1所示。

圖1 “3×7”教學流程圖

本節課設置了7個主要教學環節：（1）教師展示新冠病毒的核酸檢測，引出學習主題：核酸是什么？為什么檢測核酸能確認病毒？學生根據在生物課程中已學的相關知識闡述核酸的生物功能及其基本組成單元；（2）教師引導學生類比酯類和蛋白質的成鍵特點，通過磁性白板提出戊糖、磷酸和堿基構成核苷酸分子的成鍵猜想；（3）學生通過宏觀的分子模型搭建多聚核苷酸鏈（單鏈），借助宏觀模型模擬磷酸二酯鍵的形成過程，體會借助宏觀實物模型認識生物大分子微觀結構的方法；（4）結合DNA結構的探究史，從微觀層面分析DNA堿基配對的原理，并解釋為什么堿基配對是A 配T，C 配G；（5）學生根據堿基配對原則構建DNA雙螺旋結構模型；（6）學生結合教材“科學·技術·社會”模塊的內容（聚合酶鏈反應PCR），系統地認識核酸檢測原理，了解我國在核酸研究中所取得的驕人成績；（7）回顧本節課的探究歷程，構建生物大分子的認知模型。

三、教學實錄

1.展現核酸檢測，了解核酸組成

教師展現新冠病毒核酸檢測的圖片（見圖2），引起學生對本節課學習主題的關注，拉近化學課堂與生活的距離。

圖2 新冠病毒核酸檢測

【教師】核酸是什么？為什么檢測核酸能確認感染病毒？

【學生】核酸是生命體的遺傳物質，是遺傳信息的載體。因為每一種生物的遺傳信息都具有特征性，所以檢測核酸能確認病毒的種類。

教師呈現核酸的研究史：早在1868年，生物學家米歇爾發現細胞核中含有一種富含磷和氮的物質，取名為“核素”。后來人們發現它呈酸性，因此改叫“核酸”。

【教師】根據之前生物課程的學習，構成核酸基本單元是什么？

【學生】核苷酸分子。

【教師】核苷酸分子由什么構成？不同的核苷酸分子有什么區別？

【學生】核苷酸是由堿基、戊糖和磷酸構成的。其中，戊糖可分為核糖和脫氧核糖兩種，分別對應RNA和DNA。RNA的堿基為A、U、C、G，DNA的堿基為A、T、C、G。

2.提出成鍵猜想，小組分析原因

【教師】通過之前生物課程的學習，各位同學對核酸的組成、分類和生物功能已經有一定的認識?，F在請各位同學以小組為單位，類比酯類和蛋白質的成鍵方式，猜測脫氧核糖、腺嘌呤和磷酸的結合方式，并將猜想書寫在磁性白板。

學生以小組為單位討論堿基、戊糖和磷酸的成鍵方式，并將猜想寫在磁性白板上進行展示，見圖3。

圖3 學生提出堿基、戊糖和磷酸成鍵方式的猜想

教師和學生對各小組提出的猜想進行評價（見圖4），共同分析堿基、戊糖和磷酸的成鍵方式。

圖4 教師對學生的猜想進行評價

【教師】通過剛才的分析，我們知道堿基的-NH-與脫氧核糖1’-C 的羥基進行脫水縮合形成糖苷鍵，磷酸的羥基與脫氧核糖5’-C的羥基進行脫水縮合形成磷酸酯鍵（見圖5），從而形成脫氧核苷酸分子。

3.借助宏觀模型，模擬成鍵過程

【教師】根據高一的生物知識，我們知道DNA中的脫氧核糖和磷酸是交替連接的。請大家結合脫氧核苷酸的結構分析多個核苷酸單體是如何形成多聚脫氧核苷酸鏈（單鏈）？

【學生】根據分子結構，多個核苷酸分子是通過脫水縮合形成聚合物的，其中一個脫氧核苷酸3’-C 的羥基與另一個脫氧核苷酸的磷酸羥基通過脫水縮合形成新的化學鍵。

【教師】大家的分析是正確的，形成的這個化學鍵叫做磷酸二酯鍵（見圖5）。現在請大家根據核苷酸縮合成鍵的特點，使用分子模型拼接出多聚脫氧核苷酸鏈（單鏈）。

圖5 脫氧核苷酸中堿基、戊糖和磷酸的成鍵過程

學生以小組為單位使用DNA 分子模型拼接多聚脫氧核苷酸鏈（單鏈），見圖6。教師和學生對各小組拼接的分子模型進行評價。

圖6 多聚脫氧核苷酸鏈（單鏈）模型

4.基于微觀角度，分析配對原則

教師呈現核酸的研究史：在1952年，生物化學家查哥夫通過實驗證明，DNA分子中的堿基A與T，G與C 的數量是相同的。在1953年，沃森和克里克利用DNA 晶體X 射線衍射等數據表明DNA 不是單鏈結構，而是由兩條多聚脫氧核苷酸鏈形成雙螺旋結構。

【教師】根據核酸的研究史和堿基配對的結構示意圖（見圖7），請同學們分析堿基“A配T，G配C”的原因。

圖7 堿基配對的結構示意圖

【學生】從結構圖可以發現，兩條鏈上的堿基是通過氫鍵作用相互結合的，其中腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）形成兩個氫鍵，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）形成三個氫鍵，所以相同氫鍵數的堿基才能配對。

【教師】分析得很好！其實除了氫鍵外，堿基的空間大小也是重要的影響因素。由于要保持DNA 內兩條多聚脫氧核苷酸鏈的間距不變，必定是一個雙環結構的嘌呤與一個單環結構的嘧啶進行匹配，才能保證堿基對的長度大致相同，形成強度相似的氫鍵，從而使DNA的體系能量降低，提高結構穩定性。

5.結合科學歷史，探究螺旋結構

【教師】根據堿基配對原則，請各小組在之前拼接的多聚脫氧核苷酸單鏈模型的基礎上組合出DNA 雙螺旋結構模型。

學生拼接出DNA雙螺旋結構模型，見圖8。教師和學生對各小組拼接的模型進行評價。

圖8 DNA雙螺旋結構模型

6.了解前沿科技，認識核酸檢測

【教師】通過本節課的學習，我們對于DNA 的功能、結構和成鍵已經有了系統的認識。但是新冠病毒的遺傳物質是RNA，并且在感染初期，病毒含量比較少，我們是如何檢測出病毒？各位同學能否從課本中找出線索？

【學生】可以通過逆轉錄將病毒的RNA 轉化為DNA，再通過聚合酶鏈反應（PCR）擴增DNA片段。

【教師】很好！同學們都做過核酸檢測，那么新冠病毒核酸檢測的原理是什么？醫護人員完成采樣后，樣品需要如何處理？接下來我們通過一個微視頻了解核酸檢測的基本原理。

教師播放微視頻《新冠病毒的核酸檢測》。［7］

7.回顧探究過程，構建認知模型

【教師】對核酸的結構和生物功能的研究，將使人們深入認識生命活動規律，促進醫學、農業等的發展。本節課我們重溫科學家研究DNA的歷史，逐步認識核酸的組成、結構和成鍵方式。這恰恰也是研究生物大分子結構的一般方法?，F在請各位同學回顧本節課所學內容，結合糖類和蛋白質的學習，總結出生物大分子的認知模型。

【學生】研究生物大分子可通過化學反應使化學鍵斷裂，將其分解成小片段，然后通過分析小片段（小分子）的性質和結構來推測大分子的組成和結構。

教師對學生的總結進行點評，并與學生共同完善生物大分子的認知模型。

四、教學成效

教學結束后，采用調查問卷對學生的學習情況進行反饋與評價。問卷的設計圍繞6 個維度，共設19題，采用李克特式5點量表計分法，選項包括：非常同意、同意、一般、不同意和非常不同意，分別記為5、4、3、2、1 分，從而獲得定量數據，數據采用SPSS 23.0 進行處理。

本研究選取東莞市某中學49 名高二學生作為測試對象，發放問卷49份，回收率100%。以“第四章生物大分子”的紙筆測試成績作為效標，通過數據分析，問卷的效標關聯效度和內在一致性信度見表2。從表中可知，問卷的效度為0.501，介于0.4～0.8 之間，說明問卷測量結果有效。問卷的信度為0.832，達到0.7以上，說明相同維度的題目之間具有很好的一致性，問卷測量結果具有較高的可靠性。［8］

表2 問卷的效度與信度

表3中1～14題和17～21題為正向問題，對照著本節課的教學目標和學科核心素養，各項平均得分均在4.3以上，特別是第21題對課堂的整體評價為4.73分，說明學生對于本節課認可度較高，教學效果良好。第15～16 題為反向設問，一方面是用于檢測學生是否認真填寫問卷，另一方面也表明小組合作、分子模型和磁性白板等教學方式深受學生的歡迎，符合學生的興趣特點。接下來本研究將結合問卷數據對教學成效進行分析。

表3 反饋問卷設計與統計

第1部分：第1題和第3題得分均在4.6以上，說明學生在學科知識層面對核酸已有一定的認識，知識目標達成度高。第2題、第4題和第5題涉及核酸的微觀結構和成鍵特點，第2 題和第5 題的得分均在4.5 以上，說明較好地培養了學生的“微觀探析”素養，但是第4題的得分為4.39，相對略低，說明學生對于脫水縮合的成鍵方式還需加強學習。

第2部分：第6題得分為4.67，說明學生對于DNA的雙螺旋結構有了更深入的認識，能使用宏觀分子模型輔助學習。第7 題得分為4.53，說明學生能夠從歷史文本中提取關鍵信息，提出合理的猜想，較好地培養了學生的“證據推理”素養。第8 題得分為4.63，說明學生有效構建生物大分子的認知模型，研究脈絡清晰，“模型認知”素養得到較好發展。

第3部分：第9題的得分為4.53，說明學生能夠基于動態視角理解生命活動中物質的形成及分解的過程。

第4部分：第10題和第11題的得分均在4.6以上，說明通過科學史教學有利于培養學生的“科學探究”素養。

第5 部分：第12 題的得分為4.76，說明學生認識到研究核酸對醫學、農業等領域發展的價值，有效培養學生的“社會責任”素養。第13題的得分為4.45，說明本節課在新冠病毒的時代背景下進行了有效科普。第14 題的得分為4.41，得分較低，說明本節課在呈現科學史素材時除了要關注史料本身外，更應該關注科學家的精神與品質。

第6部分：第17-20題的得分較高，均在4.6以上，說明學生對于本節課的教學方式十分認可。其中第18 題和第19 題的得分超過4.7，說明該班級學生善于表達自身觀點，有較強的表現欲，本節課所設計的教學活動能有效調動學生學習的積極性，充分發揮學生的主體作用。

五、教學總結與反思

1.“活動與體驗”是深度學習的核心特征

學生的學習具有高起點性，即學生無須經歷漫長曲解的試誤摸索，就能直接面對人類認識成果。這雖然保證了學生學習的教育性與目的性，卻也容易導致忽視教學的真正目的，將教學作為知識的“輸入”和“輸出”。［9］學生要成為學習的主體而不是被動的知識接收器，就得有“活動”的機會，有“親身經歷”知識的發現、形成、發展的過程的機會。正是在這樣的活動中，學生成為活動主體，成為一個具體而豐富的人。當然，學生的“活動”“親身經歷”既不可能也沒必要像人類最初發現知識那樣，而是要典型地、簡約地經歷結構性的關鍵過程與關鍵內容。本研究依據“核酸的發現→核酸的組成→堿基補對原則→DNA 雙螺旋結構→核酸的現代應用”真實探究歷程，設立多個“活動與體驗”環節，使學生親身體會到所學內容在學科發展及人類發展歷史中的重要價值，體會更深刻的情感以及學科思維方式，從而實現深度學習，提升學科核心素養。

2.“生物大分子”是落實核心素養的抓手

化學對生物大分子的研究有助于在分子層面上深入認識生命現象的化學本質，對生命科學的發展起到重要的推動作用。教科書根據課程標準要求和學科發展趨勢，專門介紹了核酸的結構與功能，并相應補充了核糖和脫氧核糖等內容。［10］教材內容的改變其本質是引導教師從化學學科角度分析生物大分子，挖掘其中的學科要素和學科核心素養，落實立德樹人的教育目標。同時，從教材結構編排上分析，第四章探討生物大分子的組成與結構，在此基礎上介紹其性質與用途，其本質是對前三章的有機化學知識和認識方法進行具體應用，使學生在必修的基礎上進一步認識天然高分子，并為第五章學習合成高分子進行充分鋪墊。因此，化學課程的“生物大分子”教學是有別于生物課程的，其本質是從化學角度來解釋生物功能，體現了具有化學學科特征的認識視角與學習視角。