“从DNA复制到PCR技术”教学设计

程伟

◆摘 要：《2019年普通高等学校招生全国统一考试大纲·生物》中，将选修3中“基因工程的原理及技术”调整为“基因工程的原理及技术（含PCR技术）。以DNA复制为基础，引入PCR技术教学，在教学过程中注重科学史教学，最终学生能够清楚PCR技术概念和过程。

◆关键词：DNA复制；PCR；科学史

一、教材分析

在人教版高中生物教材中，PCR技术是在选修1和选修3中都有涉及的内容。PCR技术是基因工程中一项重要的技术。本节课介绍PCR技术发现史、揭示PCR技术原理、介绍PCR技术应用。其中，PCR技术发展史对培养学生的生物科学素养有重要意义。学生从穆利斯的成功中体会到科学研究不仅要用于思考，更要大胆尝试。通过学习PCR发现史，有助于学生认识PCR技术研发并转化为生产力，推动社会进步是很多科学家和技术人员艰苦努力的结果。

二、学情分析

学生已经学习了DNA的结构和复制过程，能够说出DNA复制的条件和特点，这就为PCR技术的学习奠定了基础。学生通过类比分析法能够推测出体外扩增需要模板、原料、聚合酶、以及基本过程等；另外学生通过各种媒体接触一些有关DNA鉴定等事例，但不知其原理和技术方法。所以，学生对本节课内容有一定的学习期待和热情；以往的学习实践表明，恰当地运用科学发现史，能激发学生的学习兴趣，有助于培养学生科学的价值观。

三、教学目标

生命观念目标：知道PCR技术发展的大体过程，说出PCR技术的基本原理要点，反应体系和循环过程。

科学思维目标：以体内DNA复制为参照，用类比法推断PCR技术的原理和过程，提高科学思维能力。

科学探究目标：分析、讨论、交流PCR技术发展史料，提高获取有关知识和处理信息的能力；领悟PCR技术的应用要点，通过知识迁移对来自社会生活的有关新问题做出尝试性解释。

社会责任目标：关注PCR技术在法医、医疗等多个方面的应用，感悟PCR技术推动社会的进步。

四、教学重点和难点

“PCR技术”科学史的教学。

五、教学过程

（一）创设情境，导入新课

教师活动：展示犯罪现场的假设情景，如何将嫌疑人所留下的少量的血迹中的DNA进行扩增？引出问题：DNA在体内可以复制，那么我们在体外可以将DNA进行扩增吗？

设计意图：创设情境，激发学生兴趣。联系前位知识，引发学生思考。

（二）探究“体外扩增DNA”条件

活动一：PPT展示DNA复制的图片，学生回忆DNA复制所需的条件，引导学生推测“体外DNA复制”的条件。

设计意图：学生在必修2中已经学习过“DNA复制”的相关知识，此时学生可以运用类比推理推测“体外DNA复制”的条件，从而提高学生的科学思维能力。学生产生疑问：①如何进行解旋？②引物怎么合成呢？

（三）“PCR技术”科学史教学

活动二：教师展示：资料1：1957年科恩伯格因发现并提取大肠杆菌DNA聚合酶（最适温度为37℃）时，曾探讨此酶在体外进行DNA复制的可能性，因此获得1959年诺贝尔生理或医学奖。

资料3：印度裔美国科学家科拉纳在1971年提出体外扩增DNA的新想法：他认为可以通过DNA的变性，与合适的引物进行杂交，然后用DNA聚合酶来延伸引物，同时通过不停地循环进行该过程来扩增DNA。但是只是一个大胆的设想，并不能付诸实践。

提出问题：同学们想一想，为什么这个设想不能付诸实践？

活动三：资料3：取得突破性进展的穆利斯。展示让穆利斯得到灵感的高速公路照片，并描述当时的情景，1983年一个周末晚上，穆利斯带着女友开车回家，加州公路上两排路灯和相对行驶的车辆让他感到似曾相识。

穆利斯想到了什么呢？启发学生结合DNA复制方式与公路上车辆相对行驶的情景进行联想。

教师结合图示向学生介绍最初的PCR设想，并介绍才木等为PCR技术日趋成熟所做的贡献。

活动四：引导学生思考：高温使DNA双链分开时，会破坏哪种生物大分子？

带领学生分析：从大肠杆菌中提取的DNA聚合酶在高温下易失活，使得DNA每次复制都需要加入新酶。结果不仅操作复杂，而且价格非常昂贵。那么我们应该找一种具有什么特性的酶呢？

教师展示黄石热泉生态系统图并讲述Taq酶发现史。

设计意图：通过展示科学史资料，学生了解“PCR技术”诞生的基础。并且随着科学发展的道路，不断提出疑问，提升学生的科学探究精神。

（四）“PCR技术”概念的构建

活动五：启发学生根据PCR技术科学史，猜想PCR反应过程的大体步骤。播放“PCR原理”录像，在此基础上，引导学生构建PCR过程概念图。

设计意图：“PCR技术”比较抽象，容易与生活脱节。学生通过观看录像和构建图示，可以更加直观地感受整个过程，符合建构主义所提倡的让学生成为信息加工的主体、知识意义的主动构建者的理念。

（五）“PCR技术”发现史感悟

活动六：①1993年，穆利斯因发明PCR独享诺贝尔化学奖。PCR的原理很简单，为什么穆利斯之前的科学家没有尝试？②从PCR概念生成到技术应用之前，仅穆利斯一个人就能完成吗？

教师逐步展示资料：1971年在科拉纳的实验室工作的科学家Kleppe发表的文章中提到：用2个引物和多次循环可得到大量目的产物，但没有进一步尝试和记载。

设计意图：认同科学研究需要勇于思考、大胆尝试；认同由揭示科学概念到技术应用，是很多科学家艰苦努力的结果；认同PCR技术研发并转化为生产力，推动了社会进步。

（六）“PCR技术”的应用”

活动七：教师介绍PCR在法医、亲子鉴定、分析远古DNA、醫疗上的应用，促使学生认同生物科学技术的价值。