由一道習題引發的思考

蔣選榮

摘 要 通過對涉及PCR擴增技術一道習題的分析，運用建構模型、建立樹狀圖的方法推理解題過程，從課程標準的具體知識內容、教學要求、教材內容等方面進行了教學反思。

關鍵詞 PCR擴增 樹狀圖 教學反思

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

高三生物二輪復習過程中遇見一道有關通過PCR獲取目的基因的習題，感覺比較棘手，求教同事，不能解決。后仔細推敲，通過建模的方式獲得了正確答案。在解題過程中引發了一些思考：習題考查的知識點是什么？課程標準中具體要求是什么？該題是否超出學生能力范圍？如何清晰地向學生講授習題解題過程？現將習題及解題思路簡述如下。

圖1是需要擴增的p53基因在DNA中的位置示意圖，擴增過程需要 種引物。n次循環之后，只含目的基因的片段占所有擴增產物的比例為 。

1 通過建模的方式模擬PCR擴增DNA的過程

該題考查了基因工程中通過PCR（體外DNA擴增技術）獲取目的基因的方法，通過建模的方式模擬PCR過程是解題的較好方法。首先，標記模板DNA兩條鏈的3′游離羥基端和5′游離磷酸基團，同時依據DNA聚合酶在DNA復制過程中將游離脫氧核苷酸（事實上是dNTP，即脫氧核糖核苷三磷酸）為反應原料，添加在引物3′端形成磷酸二酯鍵的特點，確定擴增過程需要2種引物（圖2）。

在圖2建構模板DNA模型的基礎上，建構完成模板DNA完成第一次復制的模型，具體過程見圖3。在圖3模型中，將模板DNA一條鏈復制成的子一代DNA標記為a，以另一條鏈為模板復制成的子一代DNA標記為a′。

在圖3的基礎上，繼續建構第二次擴增圖解（圖4）。分析圖4模型，以第1次擴增形成的子一代DNA兩條鏈為模板，子鏈（互補鏈）延伸方向仍然是3′→5′，擴增形成的子二代DNA分別標記為a、b、a′、b′。b、b′分別以第1次擴增產生的兩條DNA鏈為模板復制形成。

在第二次擴增基礎上，構建了第三次DNA擴增模型。從圖5中可以看出，第三次復制完成后，擴增出了目的基因，即c、c′，經過三次復制，形成8分子DNA片段，其中出現了2分子目的基因，占擴增產物的比例是1/4。

僅通過前四次模擬PCR建模并不能得出n次擴增后只含目的基因的片段比例規律（數學中定義為通項式）。繼續建構第四次復制的模型圖解，分析其中的規律，嘗試作出n次擴增后只含目的基因的片段比例結論（圖6）。

結合模型圖解，分析第四次擴增產物，統計出只含有目的基因的片段數量是8（即c和c′），含有目的基因的的片段占所有擴增產物的比例為1/8。綜合分析前四次擴增結果如表1所示。

擴增n次后擴增產物數量的數學通項式是2n，含目的基因片段數量的數學通項式較難列出。數學樹狀圖可以反映出數列的遞推關系，從而有助于列出n次循環之后，含有目的基因片段的擴增產物數量的數學通項式。以第一次擴增產物出現的產物a和b為擴增模板，建構了前五次擴增過程的樹狀圖（圖7）。

從數學數列角度分析樹狀圖，可以得出數列的遞推關系，從而推理出數列的數學通項式。依據上圖樹狀圖，推理得到以a為擴增模板，擴增n次后含有目的基因片段數量的數學通項式為2n-1-n，結合b為擴增模板，擴增n次后含有目的基因的總數量為2n-2n，只含目的基因的片段占所有擴增產物的比例為2n-2n/2n。

2 由該題引發的幾點教學反思

對該題卷面批閱情況進行統計發現沒有學生答出“只含目的基因的片段占所有擴增產物的比例為 ”的正確答案，因而在備課過程中，力圖將該題的解題思路理清，在講解該題時通過建構PCR擴增模型、繪制樹狀圖幫助學生進行邏輯推理。同時，在解題過程中也引發了一些思考。

2.1 課程標準的具體要求

《生物課程標準》提出課程的基本理念包含倡導探究性學習、注重與現實生活的聯系，“倡導探究性學習”目的在于引導學生主動參與探究過程、勤于動手和動腦；“注重與現實生活的聯系”倡導學生在解決實際問題的過程中深入理解生物學核心概念。課程標準關于PCR的具體內容要求是在選修1部分，具體表述為“嘗試PCR技術的基本操作和應用”，屬于技能目標范疇，要求較高，隸屬選修范疇。本題反映考查的知識性目標是“體外DNA擴增技術（DNA多聚酶鏈式反應）”，涉及到的生物學概念是“DNA復制”。從課程標準要求分析，本題考查內容符合課標要求。

2.2 教學要求和教材教學內容

由于“嘗試PCR技術的基本操作和應用”屬于選修內容，《江蘇省普通高中生物課程標準教學要求》中并沒有將其納入教學內容，但在“基因工程”主題部分，有“簡述基因工程基本操作程序，以及各步驟的一般方法、原理”的學習要求，結合“基因工程”教學內容，獲取目的基因的方法之一是利用PCR技術擴增。查閱歷年《江蘇省普通高中學業水平測試（生物選修科目）說明》，發現沒有PCR技術的等級要求，只有“基因工程的原理及技術”的等級要求。人教版選修1和蘇教版選修1均編排了“聚合酶鏈式反應”教學內容，屬于學生操作技術的選做內容。人教版選修3在“專題1基因工程第二節基因工程的基本操作程序”內容中編寫了“利用PCR技術擴增目的基因”的教學內容，簡單介紹了PCR技術流程，即變性、復性、延伸等過程，屬于知識性內容的介紹；蘇教版選修3在第一章簡短介紹了“通過PCR技術擴增目的基因”內容，同樣屬于知識性內容的簡單介紹。

2.3 對“PCR”教學內容的教學安排

通過領會課程標準、教學要求，并結合教材選修1和選修3內容安排，對“PCR”教學內容的教學目標確定為知識性目標，不設置技能性目標。目前，“PCR技術的基本操作和應用”內容部分屬于選修，中學限于實驗條件等原因并不組織學生進行操作。知識性目標定位于了解水平，具體為“說出聚合酶鏈式反應的原理；簡述PCR反應操作步驟”。

2.4 對該題的教學處理

通過對解題過程的回顧、查閱課程標準具體內容標準及相關教學要求，明確在教學中不設置技能性目標，確定了解水平的知識性目標。教學評價（通過習題反饋）應圍繞教學目標，習題編制或選擇應圍繞PCR原理、PCR操作流程。如：PCR是利用DNA雙鏈復制的原理；PCR操作流程是：高溫變性（加熱至90～95℃）、退火（55～60℃，兩種引物分別與模板鏈結合）、延伸（70～75℃，需要耐高溫的DNA聚合酶催化dNTP從引物起始端進行互補鏈的合成）。學生需要掌握的具體知識點是：PCR需要兩種引物、需要熱穩定DNA聚合酶、半保留復制、目的基因的擴增產物呈指數增長。綜上所述，該題第一問屬于學生應該知道的知識，第二問涉及到PCR具體過程和復雜的推理、計算過程，難度明顯超出教學要求，教師在課堂教學中可以舍棄不講，對學有余力的學生可以通過上述模型建構過程、數列推理樹狀圖講解。

由一道習題引發的思考，不僅在于推理解題過程，更應該聯系課程標準和教學要求，明確教學目標，對習題要甄別、篩選，要學會舍棄！