基于“任務驅動”的 “聚合酶鏈反應及反應條件的優化”教學設計

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【摘 要】本文論述基于“任務驅動”的“聚合酶鏈反應及其反應條件的優化”教學設計，提出通過“任務驅動”指向核心概念的教學方法，在創設情境、師生互動、生生合作及教師引導等環節適當引導，讓學生從科研實際出發，在教師指導下自主進行PCR反應的設計和實際操作，在實驗的實踐中深刻領會相關理論知識，為課后直接進行實驗打下良好的基礎。

【關鍵詞】聚合酶鏈反應 任務驅動 教學設計 大學生物學

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）05C-0141-03

人民軍醫出版社出版的大學生物學專業教材《基因工程原理與方法》（孫樹漢主編）第七章第一節為“聚合酶鏈反應及其反應條件的優化”。該節是第六章“基因工程載體及其選用”的延續，在基因工程操作中選定合適的載體后，還需要獲取目的基因。聚合酶鏈反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）是基因工程中使用最廣泛的獲取目的基因的方法。其教學重點是聚合酶鏈反應的原理及其反應條件的優化，教學難點是聚合酶鏈反應的實際應用。教學內容比較抽象，選擇合適的教學方法，利用實例引導學生掌握聚合酶鏈反應的應用是本節教學的著眼點。本文嘗試以“任務驅動”進行教學，在創設情境、師生互動、生生合作及教師引導等環節引導學生從科研實際出發，讓學生在實踐中加深理解相關理論，增強實驗設計和操作技能。本節教學內容設計如下。

一、教學目標

（一）知識目標。了解聚合酶鏈反應的原理，分析影響聚合酶鏈反應的因素。

（二）能力目標。通過具體的實例分析，培養實際應用聚合酶鏈反應技術進行基因工程操作的能力。

（三）情感態度與價值觀目標。領悟生物學的科學價值，樹立利用聚合酶鏈反應等基因工程技術加快我國科技發展的理念，形成科學的價值觀。

二、教學過程

（一）創設情境。《基因工程原理與方法》的課堂教學中，教師其實都在進行情境教學，只是部分教師沒有意識到“創設情境”這一概念。教育專家關于教學情境已有諸多論述。本節課以兩則新聞引導學生進入“聚合酶鏈反應及其反應條件的優化”的學習。第一則新聞是關于反轉基因人士崔永元赴美考察的報道。2014年，崔永元自費100萬元赴美國考察，拍攝了一部關于揭露轉基因真相的紀錄片。然而，紀錄片發布后受到方舟子等人的公開質疑。第二則新聞是農業部首次主動召開有關轉基因的新聞發布會。2016年4月，農業部新聞辦公室舉行了一場非常吸引眼球的新聞發布會，不是肉價上漲，也不是菜價上漲，而是“農業轉基因”。截至2016年4月，我國共批準發放7種轉基因作物安全證書，分別是耐儲存番茄、抗蟲棉花、改變花色矮牽牛、抗病辣椒、抗病番木瓜、轉植酸酶玉米和抗蟲水稻。但實現大規模商業化生產的只有抗蟲棉和抗病番木瓜。國務院2008年批準設立了轉基因重大專項，支持農業轉基因技術研發，我國科研人員克隆了100多個重要基因，取得了抗蟲棉、抗蟲玉米、耐除草劑大豆等一批重大成果，我國自主基因、自主技術、自主品種的研發能力顯著提升。由上述兩則新聞引出轉基因和克隆目的基因的概念，引導學生討論：在第六章“基因工程載體及其選用”選定載體后，如何獲得目的基因用于基因工程操作？學生帶著問題與懸念進入“聚合酶鏈反應及其反應條件的優化”的學習。

設計意圖：通過熱點新聞吸引學生的注意力，直奔主題，激發學習興趣，讓學生帶著問題主動進入新課的學習。

（二）任務一：師生互動。教師組織學生思考聚合酶鏈反應原理圖，通過形象的原理圖，讓學生說出一個模板DNA分子是如何通過PCR經過n個循環得到2n-1個一樣的雙鏈DNA分子。通過師生互動，學生搞清楚PCR原理，方便后續內容的掌握。

設計意圖：通過形象的原理圖，學生更容易掌握抽象的PCR原理，為后續內容的學習打下基礎。

（三）任務二：生生合作及教師引導。思考、討論如下問題：（1）通過原理圖分析PCR反應的兩個重要特征是什么？（2）典型的PCR包含哪些步驟？（3）PCR反應體系由哪些組分構成？PCR每一種組分在具體的實驗中各有哪些注意事項？如何在PCR儀上設置程序？請學生分別回答上述問題。在學生回答問題時，教師進行適當的指導。

有關問題一的探討。在學生回答的基礎上歸納出PCR反應的兩個重要特征：（1）擴增所得到的DNA片段大小由兩個引物結合位點之間的距離確定，即最終獲得的DNA片段是兩個引物之間的片段。（2）經過n輪擴增后理論上可以得到2n-1個一樣的雙鏈DNA分子。在學生回答后增加一個小問題：一般的PCR反應需要擴增多少個循環？在學生回答需要25-30個循環后，教師要及時提醒學生，書上所說的數字只是針對一般情況而言，實際上在某些特定PCR中需要20個循環（例如RACE第一輪PCR一般只需要20個循環）或者有些擴增效率較低的PCR需要30-35個循環。告訴學生設置PCR循環數需要綜合考慮三個因素：一是提供Taq酶的生物公司的說明書；二是某些特殊PCR的特定要求；三是結合瓊脂糖凝膠電泳的結果對循環數進行動態的調整。讓學生樹立“不唯書”“實踐出真知”的科學意識。這樣有助于學生在將來的科研實驗中可以迅速上手，而不是只知理論，遇到具體的實驗很茫然。

有關問題二的探討。在學生回答典型的PCR包含變性、退火和延伸三大步驟后，教師要及時提醒學生，常規PCR一般都是包含這三個步驟，但是有些特殊的PCR程序設置比較復雜（比如利用Genome Walking試劑盒進行PCR的時候，程序設置就很復雜；進行Touch-down PCR的時候，程序設置也比較復雜），因此進行具體實驗的時候一定要參照前人經驗進行合理設計程序，不能誤以為所有的PCR都只需要設置三步，這樣可以提前讓學生避免將來實驗設計的誤區。

有關問題三的探討。由于書上所講內容非常偏理論化且非常陳舊，而且與實驗設計結合非常松散，因此計劃在這方面的教學通過學生探討在教師的引導下加以改進。首先，在教師的引導下由學生回答PCR的組分包括10XPCR Buffer、DNA聚合酶、引物1、引物2、dNTP、去離子水及DNA模板。接著引導學生討論每一組分的注意事項。為了增強學生對每一種試劑的感性認識，教師此時可以展示生物公司銷售的每一種組分的圖片，讓學生消除畏懼心和神秘感。同時，為了使學生將來可以直接上手進行實驗，可以在課堂給學生現場演示登錄寶日醫生物技術（北京）有限公司的官方網站http：//www.takarabiomed.com.cn/（里面有很多比較實用的實驗信息），依次點擊網站首頁的產品選擇指南—一般PCR相關制品—基本PCR：Taq系列-TaKaRa TaqTM下載Code No.R001A產品的說明書?，F場以說明書進行講解，可以發現一般的PCR總的反應體積都是50μL。其中對應的10XPCR Buffer的終濃度為1X。dNTP的終濃度一般為0.2mM，由于生物公司銷售的dNTP一般有10mM和2.5mM兩種規格，所以一定要提醒學生配制PCR反應體系的時候不僅要知道用的是什么物質，而且一定要看清楚濃度。引物1和引物2的濃度一般一樣，范圍均為0.2-1.0μM。在這里可以給學生現場展示從生物公司合成的引物會有一些粘在管壁上，因此要蓋緊蓋子首先離心2min，使得引物全部聚集于離心管底部。然后按照引物說明書上提示的體積加入去離子水，形成100μM的引物母液，在配置PCR反應體系的時候，可以稀釋至20μM利用。同時，給學生講述引物設計最常用的幾個規則，可以選取若干個具體基因的例子，在現場演示軟件使用方法的情況下，讓學生嘗試用常用生物軟件primer premier 5進行引物設計。至于模板DNA，因為涉及的內容比較廣泛，既可以是基因組DNA，又可以是cDNA，還可以是質?；蛘呒毦?，可以給學生布置課后作業，讓學生課后到中國知網上搜索一篇相關的文章，詳細了解模板DNA的類型及各種DNA模板的制備方法。此外，告訴學生Taq酶的種類比較多，需要根據不同的實驗目的選擇不同的Taq酶，讓學生課后依次點擊網站首頁的產品選擇指南—一般PCR相關制品—PCR原理說明—PCR Enzymes的選擇詳細了解在何種場合選用何種具體的DNA聚合酶。同時，現場向學生展示每一種成分的具體實物，配置PCR反應體系所要用到的20μL和2μL移液器及0.2mL PCR管子，現場展示PCR反應體系配置過程。然后，以一個具體的程序為例，現場講解PCR儀器中如何設置和運行程序，雖然PCR儀器的廠家眾多，儀器界面各有差異，但是主流的PCR儀器設置和運行程序大同小異。講解后讓學生現場操作設置相關的程序并運行。最后，教師告知學生，雖然課本上講了很多影響因素，但是多數理論在實際中應用很少，在實際的科研中PCR的反應條件中最具有可調節性的就是退火溫度，一般可以在引物的Tm值上下波動5℃的范圍內設定退火溫度，以獲得更好的PCR產物的特異性（由瓊脂糖凝膠電泳中目的條帶的特異性來體現）。

設計意圖：貫徹將課堂還給學生的教育理念，同時為了解決我國大學生普遍存在的眼高手低和實驗能力較差的缺點，大膽拋棄書中一些比較瑣碎但是對具體的科研意義不大的理論講解。以現實中的產品說明書、各種組分、加樣品的移液器、最后在其中實際進行PCR反應的PCR儀器及相關的生物軟件的實操，讓學生在討論和實踐中真正地掌握本節課的理論知識和實際的實驗設計和操作技能。

三、結論

“任務驅動”是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學方法，它強調“任務”的目標性和教學情境的創建，這種教學方式能為學生創造實踐及感悟問題的情境。這期間，學生在教師的幫助和引導下，圍繞任務在實驗設計和操作中領會理論知識的學習過程。本節課首先以兩則社會上的熱點新聞引入轉基因的話題，進一步涉及轉基因操作中目的基因的獲取這一步驟及實現獲取目的基因最常見的PCR方法，自然地將話題從新聞轉入正軌。然后，在“師生互動”及“生生合作，教師引導”兩個任務的驅動下，將生物網站、生物產品說明書、生物軟件、PCR反應體系各種組分及PCR儀器引入課堂，讓學生在動手實踐中加深理解相關理論，增強實驗設計和操作技能。這種教學方法一改部分教師在上面高談闊論、學生在下面聽得昏昏欲睡的沉悶“灌輸式”課堂教學，使得學生能積極參與到課堂中，通過實驗獲得成就感，增強學習基因工程原理與方法課程的積極性。并非學生不愛學習，而是部分教師過于脫離實驗實際的空洞降解扼殺了學生學習的積極性。當然，本節課程的設計還可以在將來的教學實踐中不斷加以完善。

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（下轉第145頁）

（上接第142頁）

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（責編 盧 雯）