科學思維視角下PCR 的深度學習

江蘇

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“新課標”）中“科學思維”是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。

本文以各類PCR 考題為主線，談談如何使學生在深度學習PCR 時養成科學思維。

1.背景知識

PCR（多聚酶鏈式反應）是在體外迅速擴增DNA 片段的技術。反應體系包括：緩沖液、一對引物、Taq DNA聚合酶、模板DNA、4 種dNTP。反應過程包括：高溫變性、低溫復性、中溫延伸。反應結果：在短時間內，以指數形式擴增DNA 片段。

2.以題說題，提升分析與綜合能力

【例1】（2017 年，江蘇卷，第33 題節選）（題干略）

（2）設計一對與MT 基因兩端序列互補配對的引物（引物1 和引物2），為方便構建重組質粒，在引物中需要增加適當的__________位點。設計引物時需要避免引物之間形成__________，而造成引物自連。

（4）PCR 擴增時，退火溫度的設定是成敗的關鍵。退火溫度過高會破壞_________的堿基配對。退火溫度的設定與引物長度、堿基組成有關，長度相同但_________的引物需要設定更高的退火溫度。

【答案】（2）限制性核酸內切酶 堿基互補配對

（4）引物與模板 GC 含量高

【例2】（2018 年，江蘇卷，第32 題節選）（題干略）

（2）為了便于擴增的DNA 片段與表達載體連接，需在引物的_________端加上限制性酶切位點，且常在兩條引物上設計加入不同的限制性酶切位點，主要目的是__________________________________________________。

【答案】5′ 使DNA 片段能定向插入表達載體，減少自連

筆者認為教師在實際教學中不妨大膽借助真題的信息設計問題，幫助學生更充分地理解PCR 中引物與退火的聯系。

設計問題如下：

①請根據真題的信息，從引物長度、堿基含量等方面歸納引物設計的原則；

②退火時，是引物結合模板鏈的機會大還是模板鏈互補的機會大；

③深度挖掘例1 的信息，如何理解退火溫度的設計應“既高也低”。

可能出現的情況：針對問題①學生綜合分析后不難得出引物設計的原則：引物長度需適中，過短可能導致與模板結合特異性較差，過長則很有可能導致引物自身發生堿基互補配對；引物GC 的含量應適中，否則會影響退火。針對問題②學生也能推測出由于引物比模板鏈短得多，所以引物和模板鏈之間的結合機會較大。突破這兩個問題后，在分析問題③退火溫度的設計應“既高也低”的時候可能會出現“兩極分化”，有些學生會很容易得出只有當溫度足夠低時才能保證引物同目的序列有效結合，同時還要足夠高，以減少非特異性結合；有些學生可能依舊無法準確掌握“既高也低”的意思。但是無論如何，相信以題說題在一定程度上不僅可以提升學生分析與綜合的能力，還能避免教師“機械”地教、學生“麻木”地聽的現象發生。

3.以題畫題，提升比較與分類能力

【例3】（2020 年，江蘇卷，第33 題節選）（題干略）

（2）Taq DNA 聚合酶的作用是催化 ________________________。

【答案】以DNA 為模板的DNA 鏈的延伸

憑借對基礎知識的識記，學生可以較為輕松地回答此題。但是如果追問Taq 酶與DNA 連接酶的區別，學生很有可能就會陷入迷思。

筆者認為由于DNA 聚合酶與Taq 酶的作用機理是非常相似的，所以大可“借”DNA 聚合酶“以畫促學”。

具體操作如下：先畫基本單位脫氧核苷酸；繼續畫一條脫氧核苷酸鏈作為模板；再畫引物結合至模板鏈上；最后畫上由DNA 聚合酶催化合成的子鏈。

可能出現的情況：在學生親手作畫的過程中，自然而然領悟到DNA 聚合酶是將單個脫氧核苷酸連接到已有的引物鏈上；DNA 連接酶是將經限制酶切割后的有黏性末端或平末端的DNA 片段連接起來。此外還可以借畫圖的機會，讓學生自我強化PCR 子鏈延伸方向的知識。

4.以題論題，提升逆向思辨能力

【例4】（2020 年，江蘇卷，第33 題節選）如果已知一小段DNA 的序列，可采用PCR 的方法，簡捷地分析出已知序列兩側的序列，具體流程如圖1（以EcoR Ⅰ酶切為例）：

圖1

（3）若表1 所列為已知的DNA 序列和設計的一些PCR 引物，步驟Ⅲ選用的PCR 引物必須是________（從引物①②③④中選擇，填編號）。

表1

【答案】②④

有了前面的學習基礎，絕大多數學生會選擇①③，還會質疑答案是否錯誤。筆者認為無論如何，都應贊許學生有質疑的勇氣，此外若能幫助學生從問題的本質出發，無形之中就發展了學生“肯定—否定—思考—修正”這一思辨能力。都說“授人以魚不如授人以漁”，不妨先請學生根據教師提供的圖形（如圖2）說說PCR 與反向PCR 的區別；其次，請學生完成表2；最后，回歸答案、認同答案。

圖2

表2

5.以題算題，提升模型構建能力

【例5】若一個該DNA 分子在PCR 儀中經過4 次循環，需要______個引物。

【答案】30

【例6】p53 基因是人體內一種抑癌基因。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______。

【答案】（2n－2n）/ 2n

這是PCR 試題中另一種較為常見且難度系數較大的題型——計算題：考查循環次數與引物、目的基因等的數量關系。學生解答這一類題目時，僅有生物學知識還不夠，較為完善的數學學科思維也很重要。以上述兩題為例，筆者認為應帶領學生主動探索、學習更符合新時代的教學要求。

具體操作為給出PCR 三次循環的過程圖（如圖3），引導學生通過摸索規律、搭建數學模型來解答此題。

圖3

觀察圖形、推理演算、匯總數據發現可能出現的情況：

①關于引物

第一次循環后，得到2 個DNA，都有引物，引物A與引物B 各1 個；

第二次循環后，得到4 個DNA，都有引物，引物A與引物B 各3 個；

第三次循環后，得到8 個DNA，都有引物，引物A與引物B 各7 個。

②關于DNA 片段

第一次循環后，得到2 個DNA，共4 條鏈（2 長、2 中）；

第二次循環后，得到4 個DNA，共8 條鏈（2 長、4 中、2 短）；

第三次循環后，得到8 個DNA，共16 條鏈（2 長、6 中、8 短）。

以上基礎加上數據思維，繼續構建循環n 次各項目的數量表格模型（如表3）就會相對容易了。

表3

學無止境，上文只是PCR 內容的冰山一角，除了普通PCR、反向PCR 以外還有逆轉錄PCR、原位PCR 等，不同類型的PCR 擴增過程相差不多，但又各有特殊要求。因此，筆者認為在培養學生科學思維的同時教師也應注重提升自身業務能力，這樣才是真正意義上的“教學相長”。