創(chuàng)設真實情境進行指向解決問題的生物技術教學

付鑫

摘要：以“PCR技術的應用”一節(jié)為例，創(chuàng)設真實情境，通過核心問題引發(fā)學生思考和主動探究尋求解決問題的方案。四個情境對應的PCR技術背景逐步加深，均基于“引物是PCR技術中實現(xiàn)特異性DNA片段擴增的保證”這一重要概念，幫助學生深入挖掘PCR技術的突破和創(chuàng)新，提高學生解決問題的能力。

關鍵詞：教學情境，解決問題，PCR，生物技術，核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.91文獻標志碼：B

1 教學內容分析

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）提出“教學過程重實踐”的課程理念，強調學生在學習過程中主動參與，通過探究性學習活動，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力。選擇性必修模塊3《生物技術與工程》是突出實踐性教學的典型內容。20世紀后期以來，生物技術快速發(fā)展，支持生物學研究的不斷演進。在分子水平的研究中，PCR（聚合酶鏈式反應）是最常用的技術之一。《新課標》的“教學提示”明確提出了“利用聚合酶鏈式反應（PCR）擴增DNA片段并完成電泳鑒定”的要求。在基因工程等微觀領域的生物學研究與實踐中，PCR實現(xiàn)了擴增目的基因以及更為廣泛的應用。本節(jié)課作為一節(jié)生物技術的拓展課，一般放在選擇性必修模塊3《生物技術與工程》中“基因工程”一章中，以“PCR技術的應用”為題，創(chuàng)設真實的問題情境，引導學生利用PCR技術的基本原理解決實際生活中的問題，實現(xiàn)課標對“教學過程重實踐”的要求，落實科學探究和社會責任的核心素養(yǎng)。

2 教學目標

（1）比較說明PCR與體內DNA復制的異同，概述PCR技術在生物學研究與實踐中的應用價值。

（2）基于PCR的基本原理，說明檢測基因型、DNA測序、獲取基因啟動子的思路和方法，提升創(chuàng)造性思維。

（3）體會在真實科學研究與實踐中PCR技術應用的情境，嘗試在實驗設計中利用PCR技術解決實際問題。

（4）舉例說明PCR技術在科學研究、醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等領域的應用，體會生物技術在實際生活中的實踐價值。

3 教學過程

為凸顯教學的實踐性，整節(jié)課以“片段式情境”貫穿始終。首先，由教師提出研究情境，明確研究主題和待解決的問題，通過學生合作討論，提煉情境中的核心問題。接著，學生基于本節(jié)課的知識背景，嘗試提出核心問題的解決方案，從而對生物技術產生更深入的認識，明確生物技術的科研、醫(yī)療、環(huán)保等社會價值。教學思路如圖1所示。

3.1 導入環(huán)節(jié)

教師為學生播放提前準備的PCR過程模擬視頻，提示學生關注每輪循環(huán)的具體細節(jié)，提出問題：PCR技術實現(xiàn)特異DNA片段擴增的核心條件是什么？學生在觀看視頻時候回應問題，發(fā)現(xiàn)“特異引物對保障了PCR實現(xiàn)特異片段擴增”的重要結論，為本節(jié)課情境探究落下伏筆。

3.2 情境探究環(huán)節(jié)

3.2.1 利用PCR進行基因型鑒定

教師創(chuàng)設情境一：Uterman研究團隊發(fā)現(xiàn)了ApoE基因表達的載脂蛋白對膽固醇運輸有重要作用。通過插入序列引發(fā)的ApoE基因突變會引起高血脂癥。小明一家的系譜圖如圖2所示。請利用PCR的方法判斷小明剛剛出生的妹妹是否具有高血脂癥的風險。

學生首先在完成情境閱讀后明確核心問題：突變基因與野生型基因的差異是什么？如何利用PCR技術區(qū)分？該核心問題是PCR技術的基礎應用，學生容易發(fā)現(xiàn)插入序列引發(fā)突變基因的片段變長。那么，在已知ApoE基因兩端序列的前提下，設計ApoE特異性引物對小明妹妹的基因組DNA進行PCR，通過電泳區(qū)分條帶大小，即可鑒定疑似病例的基因型（圖3）。該案例情境與遺傳診斷相關，引導學生關注遺傳病議題，使學生體會生物技術在醫(yī)療工作中的價值。

3.2.2 利用PCR進行DNA序列測序

教師創(chuàng)設情境二：Ronaghi利用DNA分子雜交技術探知了基因R兩端的序列。為了研究基因R的功能，請為Ronaghi提供一種獲得基因R全堿基序列的方法。

DNA測序是學生較為熟悉的話題，不少拓展資料為學生介紹了經典的Sanger末端終止測序法。然而，末端終止法并非學生在利用PCR技術前提下思考測序過程的直接思路。在課堂討論中，學生提出希望將分子水平上每一次堿基互補配對“可視化”，這與第二代DNA測序——焦磷酸測序法的思路不謀而合。此時，教師介紹利用DNA復制過程中dNTP水解產生焦磷酸（PPi）發(fā)出熒光的方法，引導學生整理得出焦磷酸測序原理與方法（圖4）。相較于第一代DNA測序，焦磷酸測序法具有通量大、成本低的特點。學生通過對本情境問題的解決，體會到生物技術的不斷演進和發(fā)展。

3.2.3 利用PCR獲取未知DNA片段

教師創(chuàng)設情境三：Jacob博士發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在lac基因啟動子的位置具有一些蛋白質的結合位點，能夠調控lac基因在需要的時候表達，因此他想獲得啟動子序列來研究。在未知啟動子堿基序列的情況下，請?zhí)岢隼胠ac基因序列進行PCR思路。

這一情境對學生的挑戰(zhàn)較大，“如何在未知堿基序列的情況下設計引物”是解決這一情境的核心問題。此時，教師需為學生搭建“腳手架”——播放線性DNA經過酶切、連接實現(xiàn)環(huán)化的視頻。學生在視頻的提示下，提出在啟動子上游、基因下游尋找相同酶切位點，通過DNA連接酶處理實現(xiàn)環(huán)化，利用已知基因序列兩端序列設計出“反向引物”。學生通過繪制模型發(fā)現(xiàn)，“反向引物”實際也是位于目的序列兩端，3端相向，因此仍然符合PCR的原理，實現(xiàn)特異目的片段的擴增。反向PCR使人類對基因組進行了更加廣泛的探索，是基因定位、獲取調控序列的重要方式。

3.2.4 利用PCR實現(xiàn)DNA片段的融合

情境四是本節(jié)課比較特殊的一個，教師要求學生完善一個實驗設計，并且沒有直接提示PCR技術在該實驗中的應用：Leiprecht博士2010年在美國期刊《BBRC》上發(fā)表文章指出，乳頭瘤病毒特異蛋白E6能夠誘導瘤細胞提高葡萄糖的攝取能力。他的實驗設計是：

①在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細胞中注射適量緩沖液。

②在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細胞中注射含E6蛋白基因的表達載體的緩沖液。

③在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細胞中注射等量含SGLTl（葡萄糖載體）蛋白基因的表達載體的緩沖液。

④在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細胞中注射_____。

學生通過變量分析，容易發(fā)現(xiàn)④組作為實驗組應該同時導入E6蛋白基因和SGLT1蛋白基因。此時，教師引導學生分析構建基因表達載體的過程，相較于兩段基因獨立的連接，融合基因與載體單次的連接成功率更高。因此，提出該情境的核心問題：如何利用PCR技術實現(xiàn)DNA片段的融合。仍然以特異性引物為線索，通過重疊的接頭來實現(xiàn)DNA片段的融合（圖5）。這一PCR的拓展能夠幫助學生理解DNA分子進行融合、定點誘變等精細的操作。

3.3 總結與評價

教師帶領學生總結本節(jié)課中PCR在四個情境中的應用，分析不同情境的核心問題，提出“設計特異性引物是PCR成功的首要條件”，深化落實PCR技術的基本原理。教師總結：PCR不僅是體外進行DNA復制的一種手段，更是生物學研究、醫(yī)療、環(huán)保等社會實踐中的重要方法，生物技術圍繞著人類的生活需要不斷地演進和革新。在課堂最后流出個性化作業(yè)：①將本節(jié)課各情境中PCR的基本原理用圖示表示出來;②查閱相關資料文獻，列舉PCR技術在更多研究、實踐中的應用。

4 教學反思

本節(jié)課作為一節(jié)PCR技術的拓展課，重點不是講解PCR的基本原理，而是帶領學生通過分析教師創(chuàng)設的真實情境，利用生物學原理和方法解決問題。學生在討論與思考中需要跳脫PCR常規(guī)方法和應用情境的束縛，用建模的思想梳理研究情境中的核心問題，用創(chuàng)造性思維靈活運用PCR技術解決該問題，并在這一過程中掌握科學探究的基本思路和方法。本節(jié)課的教學設計以學生為主題，教師作為情境的創(chuàng)設者，以“引路人”的角色帶領學生積極參與動腦的探究活動，充分發(fā)揮學生小組合作學習，在真實情境中解決問題。本節(jié)課的四個情境既涵蓋生物學基礎科研，還包括醫(yī)療衛(wèi)生等社會實踐，帶領學生體會生物學原理與方法在生活實際中的應用，引導學生形成利用不斷革新的生物技術探索科學未知、造福人類生活，落實社會責任。