基于真实情境结合技术资源进行PCR技术的学习

梁姝颋 （清华大学附属中学 北京 100084）

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》凝练出生命观念、科学思维、科学探究和社会责任4 个学科核心素养[1]。素养是“个体在与各种真实情景持续的社会性互动中，不断解决问题和创生意义的过程中形成的”[2]。笔者在进行“基因工程的基本操作程序”教学设计时，结合科学研究为学生创设真实的情境，帮助学生在真实情境下体会和理解基因工程的基本操作程序和用途；同时，利用网络及软件资源，激发学生解决实际问题的兴趣并提高学生解决问题的能力，发展学科核心素养。本文以“基因工程的基本操作程序”一节中“利用PCR 获取和扩增目的基因”小节（1 课时）为例。

本小节的内容属于课程标准选择性必修课程模块3“生物技术与工程”中的概念5“基因工程赋予生物新的遗传特性”[1]。基因工程使得人类可通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程的应用涉及农牧业、医药卫生和食品工业等方面，已与人们的日常生活密切联系，并引起普遍关注。本节在2007年版的人教版教材中位于选修1“生物技术实践”的第5 章[3]，而在2019年版的人教版教材中，已整合放入选择性必修3“生物技术与工程”第3 章“基因工程”中[4]，使得内容更加连贯，与所处章节内容成为一个整体。

在学习本节课之前，学生已掌握了基因工程相关部分的基础理论，包括艾弗里等证明了遗传物质是DNA，并可在同种生物的不同个体间进行转移；沃森和克里克建立了DNA 双螺旋结构模型，并提出了遗传物质自我复制的假说；梅赛尔森和斯塔尔用实验证明了DNA 的半保留复制。在此基础上，学习PCR 的基本原理难度不大。但结合近年来考查的情况分析，难点主要在PCR 的引物选择、引物对应PCR 扩增片段方面。因此，教师在本节课中创设真实情境，利用真实案例（图1），结合学生已有知识，利用网络资源和软件，激发学生的学习兴趣，落实课程标准中的概念，突破难点，培养学生的科学思维和社会责任。

图1 “利用PCR 获取和扩增目的基因”学习的真实情境

任务1：对比体内复制和PCR 时DNA 复制所需的基本条件。

学生在必修2 模块已系统学习了遗传的分子基础，能概述亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA 分子上；DNA 分子通常由2 条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息。同时，学生已掌握了DNA 分子如何通过半保留方式进行复制。基于维果茨基提出的“最近发展区”理论，教师在创设第1 个任务时，选择了学生跳一跳可够得着的“果子”。从DNA 分子在生物体内进行的半保留复制所需条件及对应作用出发，介绍PCR 所需组分，引导学生通过对比学习PCR 的反应体系和循环程序，引发学生关注体内、体外进行DNA 复制时的异同，并用文字及表格的方式正确表达。

任务2：利用网络资源，设计引物序列，扩增人体抑癌基因tp53。

基因工程相关内容在近年来的重要考试中出现频率高、综合性强，并与科学研究结合紧密。2019 版人教版教材中，为了帮助学生更全面了解真实的科学研究，简单介绍了序列数据库（例如，GenBank）、序列比对工具（例如，BLAST）等[4]。因此，教师选取癌症发生中常突变的抑癌基因tp53作为目的基因，使用GenBank 与学生共同完成该基因的体外扩增。

教材中出现的GenBank 和BLAST 都可通过美国国家生物技术信息中心（NCBI）官方网站（https://www.ncbi.nlm.nih.gov）进入，NCBI 网站同时可进行科学文献的查找和引物的设计等，是生命科学领域研究者使用频率极高的网站之一。教师可通过共享屏幕的方式，分步带领学生利用Gen-Bank 的数据库检索tp53的基因序列。通过实际操作，增强学生对基因工程基本操作程序中目的基因的筛选与获取的理解；同时，以学生自己获得的基因序列作为目的基因，有助于激发学生解决问题的兴趣。

在获取目的基因tp53的序列后，教师要求学生首先通过纸笔的方式，根据碱基互补配对原则设计引物，扩增出指定片段。对于这一任务，教师先按照传统方式，利用幻灯片演示推算过程，强调引物设计时应注意的方向问题；之后，再利用NCBI 网站上内嵌的在线引物设计工具（primer-BLAST）展示，与传统人工设计的结果进行对照，学生体会到完成同一任务时工具的方便、快捷和准确，能将技术运用于解决科学问题。

通过任务2，教师从生活中的疾病入手，回顾细胞癌变的原因，引入对抑癌基因tp53的研究。学生在教师的带领下，利用网络资源获得目的基因的碱基序列并设计引物。在这个任务中，学生通过实践，进一步增强对DNA 半保留复制相关细节的理解，同时切身体会到技术手段对科学研究的重要性。

任务3：结合软件确定PCR 在第几个循环后出现目的片段长度的双链DNA 分子。

通过前2 个任务，学生对PCR 的原理和过程已具备了初步的认识，但对于PCR 的过程，尤其是对引物在PCR 中的作用的认识还不到位。因此，教师提出任务3，即PCR 在第几个循环后，出现目的片段长度的双链DNA 分子？学生解决这一任务时，如果仅利用教材上虚拟的、无碱基序列的DNA 双链进行模拟，往往在PCR 的第2 个循环时，就已很难区分DNA 的2 条链，导致不能将引物结合在正确的模板链上。因此，教师同时采用了以下2 种方法：

方法1：延续tp53的结构化情境，在含有tp53的基因组DNA 双链上，利用任务2 中设计的引物，要求每一步标注DNA 链及引物的方向，完成PCR 的前3 个循环。实践发现，学生在具体的、已知序列的DNA 上，更容易把握新链延伸的方向及长度，更有助于理清思路、突破难点。

方法2：利用冷泉港实验室网站（https://dnalc.cshl.edu/resources/animations/pcr.html）的小程序[5]（图2）帮助学生掌握PCR 反应过程。冷泉港实验室共诞生了8 位诺奖得主，被誉为“分子生物学摇篮”。除了《分子克隆实验指南》这样的科学研究经典著作以外，冷泉港实验室也出品了不少适合中学生的小程序或小视频。例如，在PCR 反应过程的教学程序中，既可通过自主操作，具象化观察PCR 反应过程中的每一步变化（图2左），帮助学生动态掌握PCR 反应过程；又可根据生成每个循环完成后获得总DNA 分子数及目的片段长度的双链DNA 分子数（图2右），帮助学生理解为什么PCR 完成30 个循环后绝大多数分子都是目的片段长度的双链DNA 分子。

图2 冷泉港实验室的PCR 教学软件[5]

教师结合上述2 种方法，引导学生掌握PCR反应过程；能通过有限的前几个PCR 循环过程，运用归纳的方法概括PCR 反应过程中目的片段长度的双链DNA 分子数与循环数之间的关系。学生亲自操作软件并与教师展示相比，可根据自己的需求重复相关步骤或循环，更有助于其掌握PCR 反应过程。

任务4：PCR 在生活中的应用。

PCR 作为基因工程中的基础技术，在临床诊断和刑侦工作中都有着重要应用。在这一任务中，教师先向学生介绍PCR 技术在新型冠状病毒检测及研究方面、在白银市连环杀人案的侦破中的应用。学生通过小组讨论，补充应用的原理及操作步骤。通过任务4，学生回顾DNA 作为遗传物质的特异性、中心法则及Y 染色体的遗传特点；关注社会热点中的生物学议题，能基于生物学知识和基本观点解释相关现象，并愿意主动向亲朋好友进行宣传。教师在“利用PCR 获取和扩增目的基因”小节的教学设计中，从学生熟悉的DNA 半保留复制出发，通过对比的方法掌握PCR所需基本条件及过程；通过创设真实科学研究的抑癌基因扩增任务，利用网络及软件资源，激发学生运用PCR 解决实际问题的兴趣，提升学生解释现实生产、生活中的生物学问题的担当和能力；通过PCR 在疾病诊断及案件侦破中的作用，促进学生关注生物技术在生活中的应用。