SnapGene软件在高中生物学深度学习中的应用研究

［摘 要］深度学习注重批判理解、强调信息整合、促进知识建构、着意迁移运用、面向问题解决，是培养学生核心素养的重要途径。在与“基因”这一核心概念相关的教学中运用SnapGene软件，可以促进学生深度学习，实现对基因、蛋白质、基因表达、基因表达调控、基因工程等知识的结构化理解，进而提升学生应用知识分析和解决实际问题的能力。

［关键词］深度学习；SnapGene软件；高中生物学

［中图分类号］    G633.91                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）02-0069-05

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下称新课标）明确指出，学科目标从知识的理解与记忆转变为学科核心素养的培育。新课标的实施，要求教师重新审视并优化学科教学的设计，围绕学科大概念构建结构化的课程内容体系，以主题为引领实现课程内容的情境化教学，从而推动学生进行深度学习，促进核心素养的落实。新课标的“教学与评价建议”中强调充分利用信息技术提高课堂教学效率[1]。

在“互联网+”时代背景下，借助NCBI数据库和SnapGene软件等网络资源和工具，不仅可以丰富课堂教学形式，提升教学效率，还可以拓展学生的知识面，培养学生的自主学习能力。同时，通过创设实践情境，能够进一步培养学生解决实际问题的能力，从而推动学生深度学习。高中生物学教学中，“基因通常是有遗传效应的DNA片段”和“基因工程的基本操作程序”等教学内容较为抽象。学生在学习这些抽象概念时，效率通常较低，且获取的知识信息往往呈现碎片化状态，因此他们在建构基因和基因工程相关概念时感到比较困难。本文基于深度学习理论，探索SnapGene软件在基因和基因工程概念教学中的应用价值，并开发与利用大数据背景下的生物学教学资源，以期为广大生物学教师的课堂教学提供有益的参考和借鉴。

一、深度学习——落实核心素养的重要途径

深度学习的概念最早由瑞典教育心理学家费伦斯·马顿和罗杰·萨尔乔提出，国内学者黎加厚（2005年）、吴秀娟（2012年）、安富海（2016年）等人也对深度学习进行了界定，他们指出深度学习具有注重批判理解、强调信息整合、促进知识建构、着意迁移运用、面向问题解决等基本特征[2]。教育部基础教育课程教材发展中心的“深度学习总项目组”进一步将深度学习界定为：在教师的引领下，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。在这个过程中，学生不仅掌握了学科的核心知识，还理解了学习的过程，把握了学科的本质及思想方法，并且形成了积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观。深度学习是信息时代教学改革的必然选择，也是培养核心素养的重要途径[3-4]。

依据新课标，生物学科的深度学习具有以下特点：在学习目标上，强调生物学核心知识的获得与结构化，生物学思想方法的建构，生命观念、科学思维、科学探究及社会责任核心素养的发展；在学习过程上，提倡通过以探究性实验为主的实践活动，让学生积极参与并完成挑战性任务；在学习结果上，强调必备知识的掌握及关键能力、价值观念的形成，特别是要形成面对现实复杂情境时能够迁移与运用生物学思想方法解决实际问题的能力。因此，生物学科的深度学习可以理解为：在挑战性主题情境中，学生通过探究性实验为主的多种探究活动，理解并批判性地学习新的生物学知识，掌握生物学思想方法，并将其融入原有认知结构，从而建构结构化的知识体系，建立运用生物学思想方法解决问题的模型，同时将其应用到综合复杂问题的解决过程中，促进生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等核心素养的发展。

二、SnapGene软件在高中生物学教学中的适用性

SnapGene是一款基因研究中常用的软件，主要用于分子生物学实验设计、模拟和分析，功能极为多样。

通过SnapGene软件，学生可进行载体和目的基因的序列特征分析，包括相关的酶切位点、标签、启动子、终止子等功能元件的分析，并生成详细的DNA序列文件。打开SnapGene软件界面后，可见顶部菜单栏、侧面常用工具栏以及底部选项卡菜单栏（如图1）。

顶部菜单栏可以访问SnapGene软件的所有功能；底部选项卡菜单栏属于快捷键区域，可以快速访问常见的文件操作和显示设置；侧面常用工具栏属于快速访问区，包含常用的功能按键，这些按键自上而下进行了编号，其图标对应的功能及应用情境详见表1。

三、SnapGene软件在高中生物学深度学习中的应用策略

（一）发挥SnapGene软件可视化功能，促进知识结构化

高中学生在学习基因和基因工程相关的抽象概念时效率通常较低，获取的知识信息往往呈现碎片化状态。而借助SnapGene软件进行基因序列分析和载体结构分析，可以直观了解基因和载体的结构、功能元件，实现微观分子结构的可视化教学。这种教学方式可加深学生对知识的理解，推动知识之间的链接，进而促进知识的结构化。

在“基因通常是有遗传效应的DNA片段”这一遗传学重要概念的学习中，学生往往容易理解基因的化学本质和遗传效应，并形成简单的结构与功能对应关系，但容易忽视对基因结构的深入剖析，这导致学生对基因编码区和非编码区的联系理解不足，不清楚非编码区的启动子和终止子的结构关系，也不清楚编码区的内含子和外显子的结构关系。这种认知状态，不利于学生后续学习基因突变、生物进化和基因工程等相关知识，阻碍了知识的结构化。在设计教学时，教师可以基于深度学习理论，借助SnapGene软件直观分析基因结构，并在软件中显示基因序列的相关功能特征，运用其可视化的特点，推动学生知识概念的延伸和链接，促进基因相关知识的结构化。具体教学步骤如图2所示。

教学中可以胰岛素基因和Cry1Ac基因（BT毒蛋白基因）为例，首先从NCBI数据库中获取这两种基因的序列，然后应用SnapGene软件进行基因序列分析，引导学生直观认识基因结构的编码区和非编码区、编码区的内含子和外显子、位于编码区上游的启动子和位于编码区下游的终止子（如图3）。接下来，引导学生讨论、比较真核和原核基因结构的差异，构建胰岛素基因和Cry1Ac基因结构模型（如图4）并进行反思互评。这一过程旨在实现知识的链接、迁移和运用，促进知识结构化。

在教学“重组DNA技术的基本工具”时，教师可以以“pBI121质粒”为例，来直观分析质粒载体的特征。通过SnapGene软件观察，可以发现pBI121质粒含有卡那霉素抗性基因等标记，T-DNA范围（T-DNA左右边界范围）内有启动子和终止子，启动子和终止子之间有XbaI、BamHI、XmaI、SmaI、SacI等酶切位点，点击对应的限制酶还可以观察到各自的特异性识别序列（如图5）。

这样直观、可视化的学习过程不仅可以加深学生对质粒中复制原点、标记基因、酶切位点这三大核心元件的理解，还可以进一步关联到T-DNA的转座特性和表达载体中启动子的种类和启动频率，促进学生在具体情境下对知识的理解、运用、分析和创造，促进知识的结构化，推动高阶思维的发展，实现深度学习。

（二）运用SnapGene软件的设计与模拟功能，培养科学思维

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度， 运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。新课标要求学生在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题[5]。

SnapGene软件具有丰富的设计功能，特别是其PCR引物设计和构建表达载体的设计特性，对于培养学生的推理演绎、分析归纳、模型建模等科学思维能力具有重要作用。在基因工程的教学中，构建基因表达载体的相关知识较为抽象，学生的学习效果不佳。尤其是在学习PCR引物设计时，学生面临的最大障碍是对模板链方向的认知不足，这导致他们无法确定DNA聚合酶的移动方向，进而引发引物设计方向的错误。为了改善这一教学状况，教师可以采用项目式教学模式（如图6），以此推动深度学习。

在SnapGene软件的辅助下，学生通过小组讨论和体验引物设计过程，对引物的理解从抽象的“一段用于PCR扩增的，能与扩增片段互补结合的单链DNA片段”升级为具象化的“结合目的基因扩增片段3′末端的特异性片段，并可在引物的5′端添加限制酶识别位点，通过PCR扩增实现在目的基因两端人为引入所需酶切位点”，从而实现概念的延伸与链接。通过模拟PCR过程和凝胶电泳过程，巩固了PCR过程和DNA复制的概念，加深了学生对模板、引物、聚合酶和限制酶的理解，提升了其高阶思维能力、实验设计和分析能力。借助SnapGene软件，学生可以直观地对载体和目的基因进行分析，确定合适的插入位点，选择合适的酶切位点，进而通过PCR扩增获得带有酶切位点的目的基因片段，选择合适的DNA连接酶进行连接。这一系列分析、设计、模拟过程不仅有助于培养学生的归纳与概括、演绎与推理、批判性思维、创造性思维等科学思维，还能有效推进深度学习，落实生物学学科核心素养。

（三）通过SnapGene软件进行建模模拟，提升解决问题能力

高中生物学的课程目标包括掌握科学探究的思路和方法，善于从实践的层面探讨或尝试解决现实生活问题[6]。为了达成这些目标，教师可以创设与生产生活实践相关的问题情境，预设并生成问题链，借助SnapGene软件进行模拟，提升学生解决问题的能力。

“基因工程的基本操作程序”是对“重组DNA技术的基本工具”的迁移应用，也是学习蛋白质工程的基础，更是构建“基因工程赋予生物体新的遗传特性”这一大概念的核心。然而，学情反馈和访谈调查结果显示，学生对于PCR过程、凝胶电泳、表达载体构建和酶切等概念完全是机械性记忆。此部分的实验活动常常受限于器材和试剂而难以展开。

针对这一现状，教学中教师可以提出胰岛素的医疗需求问题、抗虫棉的生产需求问题，预设相应的问题链，再利用SnapGene软件模拟胰岛素高效基因表达载体构建、抗虫棉pBI121-Cry1Ac表达载体构建（如图8）以及双酶切电泳鉴定等活动。

在建模及模拟实践过程中，可以更为直观地呈现各类理论知识，并将其应用于实践。通过实践迁移运用学科知识，验证生物学思想方法，可提高学生的参与度，使他们在多场景迁移运用中不断提升解决问题的能力，进而促进学生深度学习。

SnapGene软件凭借其强大的功能，如序列信息解析、PCR引物设计、表达载体构建和凝胶电泳模拟等，在高中基因及基因工程相关概念的深度学习中具有广泛的应用价值。在实际问题导向和问题链任务的驱动下，学生通过体验SnapGene软件、利用NCBI数据库进行分析和构建表达载体等活动，促进了知识的链接、迁移和运用，进而推动了高阶思维发展，加深了对生物学思想方法的理解和感悟，实现了深度学习，提升了学科素养。

在使用NCBI数据库和SnapGene软件等网络资源实施教学时，还可以进一步拓展到蛋白质三维结构预测软件（SWISS-MODEL）。这些网络资源能够从概念出发，通过结构化内容链接，实现能力螺旋式上升和素养内化的贯通，为学生进入大学学习生物学提供了重要的过渡和衔接。然而，需要注意的是，SnapGene软件和NCBI数据库链接广泛，其内容范围和深度远远超出了中学教学的要求。因此，教师在选择教学内容时，应仔细筛选，确保所选内容适用于课堂教学，以避免陷入教学误区。

［   参   考   文   献   ］

[1][5][6]  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年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]  安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[3]  刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].北京：教育科学出版社，2018.

[4]  郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

（责任编辑    罗    艳）