基于“任务驱动”的 “聚合酶链反应及反应条件的优化”教学设计

尚常花　骆海玉　陆祖军

【摘 要】本文论述基于“任务驱动”的“聚合酶链反应及其反应条件的优化”教学设计，提出通过“任务驱动”指向核心概念的教学方法，在创设情境、师生互动、生生合作及教师引导等环节适当引导，让学生从科研实际出发，在教师指导下自主进行PCR反应的设计和实际操作，在实验的实践中深刻领会相关理论知识，为课后直接进行实验打下良好的基础。

【关键词】聚合酶链反应 任务驱动 教学设计 大学生物学

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）05C-0141-03

人民军医出版社出版的大学生物学专业教材《基因工程原理与方法》（孙树汉主编）第七章第一节为“聚合酶链反应及其反应条件的优化”。该节是第六章“基因工程载体及其选用”的延续，在基因工程操作中选定合适的载体后，还需要获取目的基因。聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）是基因工程中使用最广泛的获取目的基因的方法。其教学重点是聚合酶链反应的原理及其反应条件的优化，教学难点是聚合酶链反应的实际应用。教学内容比较抽象，选择合适的教学方法，利用实例引导学生掌握聚合酶链反应的应用是本节教学的着眼点。本文尝试以“任务驱动”进行教学，在创设情境、师生互动、生生合作及教师引导等环节引导学生从科研实际出发，让学生在实践中加深理解相关理论，增强实验设计和操作技能。本节教学内容设计如下。

一、教学目标

（一）知识目标。了解聚合酶链反应的原理，分析影响聚合酶链反应的因素。

（二）能力目标。通过具体的实例分析，培养实际应用聚合酶链反应技术进行基因工程操作的能力。

（三）情感态度与价值观目标。领悟生物学的科学价值，树立利用聚合酶链反应等基因工程技术加快我国科技发展的理念，形成科学的价值观。

二、教学过程

（一）创设情境。《基因工程原理与方法》的课堂教学中，教师其实都在进行情境教学，只是部分教师没有意识到“创设情境”这一概念。教育专家关于教学情境已有诸多论述。本节课以两则新闻引导学生进入“聚合酶链反应及其反应条件的优化”的学习。第一则新闻是关于反转基因人士崔永元赴美考察的报道。2014年，崔永元自费100万元赴美国考察，拍摄了一部关于揭露转基因真相的纪录片。然而，纪录片发布后受到方舟子等人的公开质疑。第二则新闻是农业部首次主动召开有关转基因的新闻发布会。2016年4月，农业部新闻办公室举行了一场非常吸引眼球的新闻发布会，不是肉价上涨，也不是菜价上涨，而是“农业转基因”。截至2016年4月，我国共批准发放7种转基因作物安全证书，分别是耐储存番茄、抗虫棉花、改变花色矮牵牛、抗病辣椒、抗病番木瓜、转植酸酶玉米和抗虫水稻。但实现大规模商业化生产的只有抗虫棉和抗病番木瓜。国务院2008年批准设立了转基因重大专项，支持农业转基因技术研发，我国科研人员克隆了100多个重要基因，取得了抗虫棉、抗虫玉米、耐除草剂大豆等一批重大成果，我国自主基因、自主技术、自主品种的研发能力显著提升。由上述两则新闻引出转基因和克隆目的基因的概念，引导学生讨论：在第六章“基因工程载体及其选用”选定载体后，如何获得目的基因用于基因工程操作？学生带着问题与悬念进入“聚合酶链反应及其反应条件的优化”的学习。

设计意图：通过热点新闻吸引学生的注意力，直奔主题，激发学习兴趣，让学生带着问题主动进入新课的学习。

（二）任务一：师生互动。教师组织学生思考聚合酶鏈反应原理图，通过形象的原理图，让学生说出一个模板DNA分子是如何通过PCR经过n个循环得到2n-1个一样的双链DNA分子。通过师生互动，学生搞清楚PCR原理，方便后续内容的掌握。

设计意图：通过形象的原理图，学生更容易掌握抽象的PCR原理，为后续内容的学习打下基础。

（三）任务二：生生合作及教师引导。思考、讨论如下问题：（1）通过原理图分析PCR反应的两个重要特征是什么？（2）典型的PCR包含哪些步骤？（3）PCR反应体系由哪些组分构成？PCR每一种组分在具体的实验中各有哪些注意事项？如何在PCR仪上设置程序？请学生分别回答上述问题。在学生回答问题时，教师进行适当的指导。

有关问题一的探讨。在学生回答的基础上归纳出PCR反应的两个重要特征：（1）扩增所得到的DNA片段大小由两个引物结合位点之间的距离确定，即最终获得的DNA片段是两个引物之间的片段。（2）经过n轮扩增后理论上可以得到2n-1个一样的双链DNA分子。在学生回答后增加一个小问题：一般的PCR反应需要扩增多少个循环？在学生回答需要25-30个循环后，教师要及时提醒学生，书上所说的数字只是针对一般情况而言，实际上在某些特定PCR中需要20个循环（例如RACE第一轮PCR一般只需要20个循环）或者有些扩增效率较低的PCR需要30-35个循环。告诉学生设置PCR循环数需要综合考虑三个因素：一是提供Taq酶的生物公司的说明书；二是某些特殊PCR的特定要求；三是结合琼脂糖凝胶电泳的结果对循环数进行动态的调整。让学生树立“不唯书”“实践出真知”的科学意识。这样有助于学生在将来的科研实验中可以迅速上手，而不是只知理论，遇到具体的实验很茫然。

有关问题二的探讨。在学生回答典型的PCR包含变性、退火和延伸三大步骤后，教师要及时提醒学生，常规PCR一般都是包含这三个步骤，但是有些特殊的PCR程序设置比较复杂（比如利用Genome Walking试剂盒进行PCR的时候，程序设置就很复杂；进行Touch-down PCR的时候，程序设置也比较复杂），因此进行具体实验的时候一定要参照前人经验进行合理设计程序，不能误以为所有的PCR都只需要设置三步，这样可以提前让学生避免将来实验设计的误区。

有关问题三的探讨。由于书上所讲内容非常偏理论化且非常陈旧，而且与实验设计结合非常松散，因此计划在这方面的教学通过学生探讨在教师的引导下加以改进。首先，在教师的引导下由学生回答PCR的组分包括10XPCR Buffer、DNA聚合酶、引物1、引物2、dNTP、去离子水及DNA模板。接着引导学生讨论每一组分的注意事项。为了增强学生对每一种试剂的感性认识，教师此时可以展示生物公司销售的每一种组分的图片，让学生消除畏惧心和神秘感。同时，为了使学生将来可以直接上手进行实验，可以在课堂给学生现场演示登录宝日医生物技术（北京）有限公司的官方网站http：//www.takarabiomed.com.cn/（里面有很多比较实用的实验信息），依次点击网站首页的产品选择指南—一般PCR相关制品—基本PCR：Taq系列-TaKaRa TaqTM下载Code No.R001A产品的说明书。现场以说明书进行讲解，可以发现一般的PCR总的反应体积都是50μL。其中对应的10XPCR Buffer的终浓度为1X。dNTP的终浓度一般为0.2mM，由于生物公司销售的dNTP一般有10mM和2.5mM两种规格，所以一定要提醒学生配制PCR反应体系的时候不仅要知道用的是什么物质，而且一定要看清楚浓度。引物1和引物2的浓度一般一样，范围均为0.2-1.0μM。在这里可以给学生现场展示从生物公司合成的引物会有一些粘在管壁上，因此要盖紧盖子首先离心2min，使得引物全部聚集于离心管底部。然后按照引物说明书上提示的体积加入去离子水，形成100μM的引物母液，在配置PCR反应体系的时候，可以稀释至20μM利用。同时，给学生讲述引物设计最常用的几个规则，可以选取若干个具体基因的例子，在现场演示软件使用方法的情况下，让学生尝试用常用生物软件primer premier 5进行引物设计。至于模板DNA，因为涉及的内容比较广泛，既可以是基因组DNA，又可以是cDNA，还可以是质粒或者细菌菌液，可以给学生布置课后作业，让学生课后到中国知网上搜索一篇相关的文章，详细了解模板DNA的类型及各种DNA模板的制备方法。此外，告诉学生Taq酶的种类比较多，需要根据不同的实验目的选择不同的Taq酶，让学生课后依次点击网站首页的产品选择指南—一般PCR相关制品—PCR原理说明—PCR Enzymes的选择详细了解在何种场合选用何种具体的DNA聚合酶。同时，现场向学生展示每一种成分的具体实物，配置PCR反应体系所要用到的20μL和2μL移液器及0.2mL PCR管子，现场展示PCR反应体系配置过程。然后，以一个具体的程序为例，现场讲解PCR仪器中如何设置和运行程序，虽然PCR仪器的厂家众多，仪器界面各有差异，但是主流的PCR仪器设置和运行程序大同小异。讲解后让学生现场操作设置相关的程序并运行。最后，教师告知学生，虽然课本上讲了很多影响因素，但是多数理论在实际中应用很少，在实际的科研中PCR的反应条件中最具有可调节性的就是退火温度，一般可以在引物的Tm值上下波动5℃的范围内设定退火温度，以获得更好的PCR产物的特异性（由琼脂糖凝胶电泳中目的条带的特异性来体现）。

设计意图：贯彻将课堂还给学生的教育理念，同时为了解决我国大学生普遍存在的眼高手低和实验能力较差的缺点，大胆抛弃书中一些比较琐碎但是对具体的科研意义不大的理论讲解。以现实中的产品说明书、各种组分、加样品的移液器、最后在其中实际进行PCR反应的PCR仪器及相关的生物软件的实操，让学生在讨论和实践中真正地掌握本节课的理论知识和实际的实验设计和操作技能。

三、结论

“任务驱动”是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学方法，它强调“任务”的目标性和教学情境的创建，这种教学方式能为学生创造实践及感悟问题的情境。这期间，学生在教师的帮助和引导下，围绕任务在实验设计和操作中领会理论知识的学习过程。本节课首先以两则社会上的热点新闻引入转基因的话题，进一步涉及转基因操作中目的基因的获取这一步骤及实现获取目的基因最常见的PCR方法，自然地将话题从新闻转入正轨。然后，在“师生互动”及“生生合作，教师引导”两个任务的驱动下，将生物网站、生物产品说明书、生物软件、PCR反应体系各种组分及PCR仪器引入课堂，让学生在动手实践中加深理解相关理论，增强实验设计和操作技能。这种教学方法一改部分教师在上面高谈阔论、学生在下面听得昏昏欲睡的沉闷“灌输式”课堂教学，使得学生能积极参与到课堂中，通过实验获得成就感，增强学习基因工程原理与方法课程的积极性。并非学生不爱学习，而是部分教师过于脱离实验实际的空洞降解扼杀了学生学习的积极性。当然，本节课程的设计还可以在将来的教学实践中不断加以完善。

【参考文献】

[1]姚艳玲.聚合酶鏈式反应技术在食品源性分析中的应用[J].安徽农业科学，2017（9）

（下转第145页）

（上接第142页）

[2]许晖.基于任务驱动的“蛋白质”一节的教学设计[J].生物学教学，2017（8）

[3]王威.任务驱动教学法在高职高专生物学教学中的应用研究[J].化学工程与装备，2017（11）

[4]胡鹤娟，邱秀芹.运用“任务驱动的顶层设计思想”实施分子生物学技术课程教学改革[J].医学理论与实践，2017（10）

[5]徐国芬.浅议如何在教学情境中培养学生问题意识[J].考试周刊，2018（14）

[6]何丽红.试论教学情境在大学英语教学中的应用[J].太原大学教育学院学报，2015（2）

[7]张艳君，孙远东，谭树华.多元化教学情境创设在生物化学课堂教学中的应用[J].生物学杂志，2017（6）

[8]戴玉.中国转基因主粮商业化问题的理论与应用研究[D].南京：南京理工大学，2013

[9]罗云波，贺晓云.中国转基因作物产业发展概述[J].中国食品学报，2014（8）

[10]肖迎新.网络环境下基于学生为主体的大学英语教学模式改革研究——以内蒙古师范大学为例[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2017（30）

[11]王晓梅.问题意识为高校英语教师赢得课堂教学主动权的运用效果研究[J].普洱学院学报，2017（33）

[12]李萍.基于任务驱动的翻转课堂教学模式应用研究——以大学计算机基础课程为例[J].陕西学前师范学院学报，2017（5）

[13]华激文.以“任务驱动”进行“能量流动”一节（第一课时） 的教学设计[J].生物学教学，2017（9）

[14]李晓薇，董园园，李海燕.《植物基因工程》教学实践的几点体会[J].高教学刊，2016（3）

[15]邹先琼，林军，廖锦锋.任务驱动教学法在生物信息学教学中的实践与思考[J].教育教学论坛，2017（28）

【基金项目】广西科协资助青年科技工作者专项课题（桂科协[2017]ZC-41）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2018JGA136，2017JGB161）

（责编 卢 雯）