基于真實情境結合技術資源進行PCR技術的學習

梁姝颋 （清華大學附屬中學 北京 100084）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》凝練出生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4 個學科核心素養[1]。素養是“個體在與各種真實情景持續的社會性互動中，不斷解決問題和創生意義的過程中形成的”[2]。筆者在進行“基因工程的基本操作程序”教學設計時，結合科學研究為學生創設真實的情境，幫助學生在真實情境下體會和理解基因工程的基本操作程序和用途；同時，利用網絡及軟件資源，激發學生解決實際問題的興趣并提高學生解決問題的能力，發展學科核心素養。本文以“基因工程的基本操作程序”一節中“利用PCR 獲取和擴增目的基因”小節（1 課時）為例。

本小節的內容屬于課程標準選擇性必修課程模塊3“生物技術與工程”中的概念5“基因工程賦予生物新的遺傳特性”[1]。基因工程使得人類可通過轉基因等技術，賦予生物新的遺傳特性，創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。基因工程的應用涉及農牧業、醫藥衛生和食品工業等方面，已與人們的日常生活密切聯系，并引起普遍關注。本節在2007年版的人教版教材中位于選修1“生物技術實踐”的第5 章[3]，而在2019年版的人教版教材中，已整合放入選擇性必修3“生物技術與工程”第3 章“基因工程”中[4]，使得內容更加連貫，與所處章節內容成為一個整體。

在學習本節課之前，學生已掌握了基因工程相關部分的基礎理論，包括艾弗里等證明了遺傳物質是DNA，并可在同種生物的不同個體間進行轉移；沃森和克里克建立了DNA 雙螺旋結構模型，并提出了遺傳物質自我復制的假說；梅賽爾森和斯塔爾用實驗證明了DNA 的半保留復制。在此基礎上，學習PCR 的基本原理難度不大。但結合近年來考查的情況分析，難點主要在PCR 的引物選擇、引物對應PCR 擴增片段方面。因此，教師在本節課中創設真實情境，利用真實案例（圖1），結合學生已有知識，利用網絡資源和軟件，激發學生的學習興趣，落實課程標準中的概念，突破難點，培養學生的科學思維和社會責任。

圖1 “利用PCR 獲取和擴增目的基因”學習的真實情境

任務1：對比體內復制和PCR 時DNA 復制所需的基本條件。

學生在必修2 模塊已系統學習了遺傳的分子基礎，能概述親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上；DNA 分子通常由2 條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息。同時，學生已掌握了DNA 分子如何通過半保留方式進行復制。基于維果茨基提出的“最近發展區”理論，教師在創設第1 個任務時，選擇了學生跳一跳可夠得著的“果子”。從DNA 分子在生物體內進行的半保留復制所需條件及對應作用出發，介紹PCR 所需組分，引導學生通過對比學習PCR 的反應體系和循環程序，引發學生關注體內、體外進行DNA 復制時的異同，并用文字及表格的方式正確表達。

任務2：利用網絡資源，設計引物序列，擴增人體抑癌基因tp53。

基因工程相關內容在近年來的重要考試中出現頻率高、綜合性強，并與科學研究結合緊密。2019 版人教版教材中，為了幫助學生更全面了解真實的科學研究，簡單介紹了序列數據庫（例如，GenBank）、序列比對工具（例如，BLAST）等[4]。因此，教師選取癌癥發生中常突變的抑癌基因tp53作為目的基因，使用GenBank 與學生共同完成該基因的體外擴增。

教材中出現的GenBank 和BLAST 都可通過美國國家生物技術信息中心（NCBI）官方網站（https://www.ncbi.nlm.nih.gov）進入，NCBI 網站同時可進行科學文獻的查找和引物的設計等，是生命科學領域研究者使用頻率極高的網站之一。教師可通過共享屏幕的方式，分步帶領學生利用Gen-Bank 的數據庫檢索tp53的基因序列。通過實際操作，增強學生對基因工程基本操作程序中目的基因的篩選與獲取的理解；同時，以學生自己獲得的基因序列作為目的基因，有助于激發學生解決問題的興趣。

在獲取目的基因tp53的序列后，教師要求學生首先通過紙筆的方式，根據堿基互補配對原則設計引物，擴增出指定片段。對于這一任務，教師先按照傳統方式，利用幻燈片演示推算過程，強調引物設計時應注意的方向問題；之后，再利用NCBI 網站上內嵌的在線引物設計工具（primer-BLAST）展示，與傳統人工設計的結果進行對照，學生體會到完成同一任務時工具的方便、快捷和準確，能將技術運用于解決科學問題。

通過任務2，教師從生活中的疾病入手，回顧細胞癌變的原因，引入對抑癌基因tp53的研究。學生在教師的帶領下，利用網絡資源獲得目的基因的堿基序列并設計引物。在這個任務中，學生通過實踐，進一步增強對DNA 半保留復制相關細節的理解，同時切身體會到技術手段對科學研究的重要性。

任務3：結合軟件確定PCR 在第幾個循環后出現目的片段長度的雙鏈DNA 分子。

通過前2 個任務，學生對PCR 的原理和過程已具備了初步的認識，但對于PCR 的過程，尤其是對引物在PCR 中的作用的認識還不到位。因此，教師提出任務3，即PCR 在第幾個循環后，出現目的片段長度的雙鏈DNA 分子？學生解決這一任務時，如果僅利用教材上虛擬的、無堿基序列的DNA 雙鏈進行模擬，往往在PCR 的第2 個循環時，就已很難區分DNA 的2 條鏈，導致不能將引物結合在正確的模板鏈上。因此，教師同時采用了以下2 種方法：

方法1：延續tp53的結構化情境，在含有tp53的基因組DNA 雙鏈上，利用任務2 中設計的引物，要求每一步標注DNA 鏈及引物的方向，完成PCR 的前3 個循環。實踐發現，學生在具體的、已知序列的DNA 上，更容易把握新鏈延伸的方向及長度，更有助于理清思路、突破難點。

方法2：利用冷泉港實驗室網站（https://dnalc.cshl.edu/resources/animations/pcr.html）的小程序[5]（圖2）幫助學生掌握PCR 反應過程。冷泉港實驗室共誕生了8 位諾獎得主，被譽為“分子生物學搖籃”。除了《分子克隆實驗指南》這樣的科學研究經典著作以外，冷泉港實驗室也出品了不少適合中學生的小程序或小視頻。例如，在PCR 反應過程的教學程序中，既可通過自主操作，具象化觀察PCR 反應過程中的每一步變化（圖2左），幫助學生動態掌握PCR 反應過程；又可根據生成每個循環完成后獲得總DNA 分子數及目的片段長度的雙鏈DNA 分子數（圖2右），幫助學生理解為什么PCR 完成30 個循環后絕大多數分子都是目的片段長度的雙鏈DNA 分子。

圖2 冷泉港實驗室的PCR 教學軟件[5]

教師結合上述2 種方法，引導學生掌握PCR反應過程；能通過有限的前幾個PCR 循環過程，運用歸納的方法概括PCR 反應過程中目的片段長度的雙鏈DNA 分子數與循環數之間的關系。學生親自操作軟件并與教師展示相比，可根據自己的需求重復相關步驟或循環，更有助于其掌握PCR 反應過程。

任務4：PCR 在生活中的應用。

PCR 作為基因工程中的基礎技術，在臨床診斷和刑偵工作中都有著重要應用。在這一任務中，教師先向學生介紹PCR 技術在新型冠狀病毒檢測及研究方面、在白銀市連環殺人案的偵破中的應用。學生通過小組討論，補充應用的原理及操作步驟。通過任務4，學生回顧DNA 作為遺傳物質的特異性、中心法則及Y 染色體的遺傳特點；關注社會熱點中的生物學議題，能基于生物學知識和基本觀點解釋相關現象，并愿意主動向親朋好友進行宣傳。教師在“利用PCR 獲取和擴增目的基因”小節的教學設計中，從學生熟悉的DNA 半保留復制出發，通過對比的方法掌握PCR所需基本條件及過程；通過創設真實科學研究的抑癌基因擴增任務，利用網絡及軟件資源，激發學生運用PCR 解決實際問題的興趣，提升學生解釋現實生產、生活中的生物學問題的擔當和能力；通過PCR 在疾病診斷及案件偵破中的作用，促進學生關注生物技術在生活中的應用。