類比思維下“PCR擴增DNA片段及凝膠電泳鑒定”的實驗教學組織

孫寶山　林偉　周業宇

摘要 運用“類比思維”的邏輯思維方法對DNA復制過程和PCR擴增過程、光合色素分離與瓊脂糖凝膠電泳實驗進行類比，提升學生的生物學核心素養。

關鍵詞 類比思維 科學思維 教學設計

中圖分類號C633. 91 文獻標志碼B

1 設計思想

類比是指根據兩個研究對象的相同或相似方面，來推斷它們在其他方面一致性的一種思維方法和推理形式，是科學思維的重要組成部分。學生應該在學習中逐步發展科學思維，能基于生物學事實和證據采用演繹與推理的方法，說明生物工程與技術的原理及其與社會之間的關系。本課主要通過對DNA復制過程和PCR擴增過程、光合色素分離實驗原理與瓊脂糖凝膠電泳實驗原理等類比，推理建構PCR擴增體系，理解物質分離的原理，并認識分子篩效應和電荷效應。

2 教學背景分析

本節課選自浙科版選擇性必修模塊3《生物技術與工程》，學習對象是高三年級學生。學生能夠概述DNA分子的構成、雙螺旋結構特點、細胞內DNA復制方式和條件，認同化學反應中物質和能量守恒規律，為實驗操作的順利開展和學習目標的完成奠定了良好的基礎。另一方面，部分學生存在著DNA分子基本單位是核糖核苷酸、DNA分子復制是分段復制、DNA復制中只有DNA聚合酶參與等錯誤的認知，給學習目標的完成帶來干擾。

3 學習目標

通過細胞內DNA復制過程和PCR過程的比較，從物質和能量觀角度，運用類比思維闡述PCR擴增體系的物質和條件。

通過比較光合色素提取分離實驗和瓊脂糖凝膠電泳實驗，運用類比推理、批判性思維，解釋在電場中不同大小DNA分子分離的原因。

在小組交流和實驗操作活動中，小組內成員主動合作，交流和討論，預測瓊脂糖凝膠電泳實驗結果，分析異常結果出現的原因。

通過PCR技術應用案例的討論，在科技造福于人類的態度和價值觀下，形成運用生物學知識解決社會問題的責任意識和敬畏生命的觀念。

4 教學準備

全班學生分為A1（實驗組）、B1（對照組）、C1（Marker組）、C2（Marker組）共4個小組，選出小組長。在小組活動時，字母相同的兩個小組的活動任務相同。課前各組學生完成預習實驗方案材料提綱，自學實驗操作微課視頻。小組長課前th到實驗室配置預混液和制膠。

5 教學過程

5.1 創設學習情境，激發學習熱情

教師創設情境，提出問題：新型冠狀病毒是一種RNA病毒，RNA結構不穩定，人們檢測新冠病毒時需首先將RNA逆轉錄為穩定的DNA進行測序檢測，但逆轉錄出的DNA含量極其微量。如何用生物技術和工程的方法，獲取大量具有相同遺傳信息的病毒DNA？

學生自由發言，思考解決病毒基因的擴增和分離問題。

設計意圖：教師利用社會熱點事件創設類比聯想的問題情境，將情境中隱含的現實問題轉變成科學問題。

5.2 任務1：PCR擴增DNA片段及凝膠電泳鑒定課堂實驗操作

學生根據課前任務分組和課前微課學習，按照實驗操作流程（表1）進行科學實踐。

（1）實施PCR擴增（操作時間10 min，等待時間25 min）。學生根據反應體系在離心管中加入相應物質后，將離心管放入PCR儀中按照設定程序進行擴增。A1、B1組每位學生分別用移液器取20 μL的預混液加入微量PCR管中。將離心管放入PCR儀中，記號筆標記后，按照設定程序進行擴增。

（2）實施瓊脂糖凝膠電泳（操作時間10 min，等待時間25 min）。分別加入不同樣品進行點樣，并放入水平電泳槽中進行電泳。CI、C2組學生在一次性手套上分別滴上4滴10 μL上樣緩沖液，分別加入2μL樣品（實驗組2滴、對照組2滴）混勻，點樣，最后分別加入7 μL 2 000 bp Marker和7μL 5 000 bp Marker。調節電壓120V，時間25 min進行電泳。

設計意圖：學生以小組為單位操作，小組內成員根據課前設計的實驗方案，在小組長的指導下，使用微量移液器、PCR儀、瓊脂糖凝膠電泳儀等設備，互學合作完成實驗操作過程。這個過程可以培養學生的實驗方案的設計、實驗工具使用、實驗結果的呈現等科學探究能力。學生在等待實驗結果的同時，建構PCR擴增體系。

5.3 任務2：建構PCR擴增的實驗體系

學生閱讀教材和教師提供材料，運用類比思維，思考PCR擴增的條件和原料，解決以下問題：

①細胞內DNA復制的條件和原料是什么？

②PCR過程中的條件和原料是什么？

學生代表板書出DNA復制的相關條件，其余學生在學案上完成，寫出模板DNA、四種脫氧核苷酸作為原料、DNA聚合酶、解旋酶和引物、ATP等。接著，學生交流討論，比較DNA復制和PCR過程的異同，解決以下問題：

①DNA復制和PCR擴增的模板DNA是一樣的嗎？有什么區別呢？

②整條DNA分子和DNA片段在復制上會有什么區別和影響呢？氫鍵如何打開？

③在PCR擴增時需要加入解旋酶打開DNA雙鏈嗎？為什么？

④高溫下DNA聚合酶變性，如何讓擴增過程變得可持續？

⑤如何解決這一問題呢？在哪里尋找含有耐高溫的DNA聚合酶？

然后，教師引導學生思考PCR過程的能量供應，回答以下問題：

①PCR過程的能量從哪里來？

②高溫確實可以提供能量，但這只能給氫鍵斷裂提供能量。形成磷酸二酯鍵需要的能量來自哪里？

③體內DNA復制誰提供磷酸二酯鍵形成的能量來自哪里？

④為什么ATP能夠提供能量？

⑤是高能磷酸鍵斷裂提供能量，PCR體系中為什么沒有加入ATP了嗎？

設計意圖：教師引導學生類比細胞內DNA復制和體外PCR擴增的過程，從PCR擴增的模板、酶、原料和能量的角度聯想，引導學生運用模型和建模、類比推理的思維方式，推理出PCR擴增的條件和原理，建構出PCR擴增體系，從而培養學生的模型和建模、演繹和推理、批判性思維等一系列科學思維的生物學學科核心素養。另一方面，部分學生認為PCR體系中DNA擴增的能量來源于加熱，因此教師引導學生對dNTP和ArIP的結構進行類比，推理出dNTP（四種三磷酸脫氧核苷酸）中含有高能磷酸鍵斷裂提供能量，斷裂后作為DNA合成的原料，幫助學生形成物質與能量觀。

5.4任務3：PCR原理的展示與評價

學生觀看PCR過程視頻，解說關鍵過程，解決以下問題：

①體內DNA復制需要引物嗎？

②設計的引物在DNA上位置距離較近，對擴增出的DNA有什么影響？

③根據以上的原理，引物設計時需要注意哪些問題？

學生自由發言，通過DNA復制和PCR過程進行類比，認識到PCR擴增的特殊性和相似性，發現并解決引物設計的相關問題，從而認同科學家正是對體內DNA復制過程的模仿，發明了具有劃時代意義的聚合酶鏈反應。

設計意圖：教師通過學生解說PCR擴增視頻，評價課堂學習效果，體現出“教學評”的一致性。在解說中的生生、師生互動，生成問題，在類比的基礎上實現創新，歸納出PCR過程的特點是便捷、快速和靈敏。

5.5任務4：理解瓊脂糖凝膠電泳原理，預測并分析實驗結果

教師引導學生回憶光合色素提取和分離實驗，比較光合色素的提取和分離實驗和瓊脂糖凝膠電泳實驗的異同，思考以下問題：

①不同大小DNA分子可以利用溶解度不同進行分離嗎？

②DNA有哪些特性有助于對其進行分離？什么方法可以實現分離？

③電泳時選用的介質是什么？為什么選擇瓊脂糖凝膠作為介質呢？

④電泳時除了加入凝膠，還加入了什么物質？

⑤電泳緩沖液有什么作用？

學生自由發言，類比光合色素的提取和分離實驗和瓊脂糖凝膠電泳實驗進行，結合兩者的相似性和特殊性，認識到瓊脂糖凝膠電泳實驗的原理是分子篩效應和電荷效應。

設計意圖：教師引導學生運用類比和推理的思維方式，比較光合色素的提取和分離與瓊脂糖凝膠電泳原理的差異，歸納出瓊脂糖凝膠電泳的原理和操作原因。

接著，小組討論，預測并分析實驗結果。由小組組長組織，在實驗方案中畫出預期實驗結果，并選擇一人匯報討論結果。電泳組CI和電泳組C2兩位學生將電泳膠放入DNA圖譜觀察儀器中，利用同屏技術在展示瓊脂糖凝膠電泳結果。

各小組比較預期結果與實際電泳條帶差異，分析異常現象出現的原因，并解決以下問題：

①DNA分子為什么需要放入DNA圖譜觀察儀器中觀察？

②如何知道PCR擴增后的分離的DNA片段的長度？

③如果希望知道PCR擴增出的DNA含量，可以通過什么辦法？

部分學生指出肉眼下難以觀察到DNA分子。教師引導學生結合實驗前加入的Red 4S 2.5 μL熒光染料，認識到在紫外光下能激發出熒光。學生觀察Marker條帶，思考認識到的Marker的作用。

設計意圖：在學習小組組長的組織下，組內成員討論交流，畫出預測的實驗結果，在正常結果與預期結果的對比中，思考異常結果出現的原因和實驗的改進方向。學生通過實驗結果的預測，提高實驗預測能力，并在組內成員的討論交流中，學會運用科學術語闡明實驗結果，形成主動合作意識;針對電泳出現的異常結果的分析和討論中，提高問題解決能力，逐步增強對科學探究的好奇心和求知欲。

5.6任務5：實驗的拓展與應用

學生舉例說明PCR技術的應用實例。師生共同交流，思考PCR技術的應用實例：化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發、皮膚或血液，只要能分離出一丁點的DNA，就能用PCR加以放大，進行比對。

設計意圖：通過PCR技術應用的案例的探討，學生能夠認識到科技能夠造福于人類的態度和價值觀，形成運用生物學知識解決社會問題的意識。

在本課的教學組織中，由于DNA分子和PCR過程微觀和動態，而類比推理屬于合情推理，結論的正確與否與類比對象的屬性的認識程度密切相關。因此，教師在教學中提供了豐富的案例事實作為支撐，盡量引導學生利用圖形、微課和視頻等直觀材料輔助教學，通過動手實踐，實證得出實驗結果，幫助學生克服對抽象過程認識的困難，對類比對象屬性的認識更為科學全面。在高中生物教學中，很多概念與知識點十分龐雜和瑣碎，概念與概念之間如果缺乏有效的銜接，學生學習和記憶的難度將大大增加。類比思維的運用可有效幫助學生能發現類比對象與學習內容之間的共性、差異和特殊性，啟發學生的思維，使生物概念間建立起高效的網絡化聯系。

參考文獻：

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