聚合酶链式反应实验教学的组织与效果分析

李红民，步怀宇，谢 鑫

（西北大学 生命科学学院分子生物学课程组，陕西 西安 710069）

聚合酶链式反应实验教学的组织与效果分析

李红民，步怀宇，谢 鑫

（西北大学 生命科学学院分子生物学课程组，陕西 西安 710069）

聚合酶链式反应是常规分子生物学实验的重要内容之一。作者在多年从事分子生物学实验教学的基础上，根据聚合酶链式反应实验特点，在实验操作的间隔时段引入相关问题的探讨。整个教学过程由学生查阅资料进行问题和实验准备、教师对实验原理与操作注意事项的简单介绍、实验操作、问题讨论、实验结果观察与分析等组成。实施效果表明，作者采用的教学组织方案能够更加有效地利用实验过程中的间歇时间，通过对预先设定的问题和学生自主提问进行探讨，实现良好的师生互动，加深了学生对聚合酶链式反应实验原理及相关理论的理解与掌握，增强学生利用所学理论知识分析实际问题的能力。对于激发学生的学习积极性具有较好的促进作用。

聚合酶链式反应；教学方法；分子生物学实验

虽然已经发展出多种不同应用目的的PCR技术［3］，但其基本原理仍然是对核酸复制原理的离体应用。在面向生物学及相关专业本科生开设PCR实验时，如何把简单的实验教学过程组织的有声有色，帮助学生从其中获得更多知识信息，是提高实验教学实际效果的关键所在，也是绝大多数验证性实验教学普遍面临的问题。为此，作者对PCR实验教学的组织进行了思考与摸索，对多年来具体实施的效果进行了认真总结，为提高以基本技能训练为目的的验证性实验的教学效果提供有益的思路与实践经验。

1 PCR实验教学的组织与实施

实验准备：实验前一星期告知学生PCR实验教学安排，督促学生在预习／复习PCR实验原理与操作的同时，查阅资料以多方面了解PCR技术相关知识，包括DNA复制机制、相关酶学知识、DNA变性与复性动力学、PCR反应所需引物的设计原则、PCR反应的特点等，为讨论实验指导教师预设的问题或自己感兴趣的问题做准备。

讲授与操作：教学中，实验指导教师仅对PCR实验原理、实验操作、PCR仪的使用、实验注意问题等进行简单介绍。其中涉及的PCR反应体系的组成、反应所需的条件、包括进行PCR反应应该注意的问题等，通过与学生的交流互动完成。实验操作全部由学生独立完成。

PCR实验预设问题与讨论：PCR实验从原理到操作都不复杂，但是涉及的相关问题较多。以下是常规PCR实验涉及的部分问题：设计PCR引物的一般原则；PCR反应的构成要素；影响Tm值的因素；PCR反应条件的设定；PCR产物的检测分析及相关问题等。问题的讨论安排在PCR反应开始之后以及进行琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物的间歇。

实验结果观察、记录与实验报告撰写：PCR实验结果观察通常是在紫外光下直接观察有无目的产物的扩增。实际教学过程中，要求学生能够用基本原理解释自己的实验结果并真实记录，实验课后完成实验报告的撰写。

2 PCR实验教学效果分析与心得体会

上述教学组织方式已经在西北大学生命科学学院2007－2011级生物科学专业本科生教学中开展了5年。在5年的教学实践中，作者深刻体会到上述组织形式开展PCR实验教学，对其教学效果的提高具有多种积极意义，主要表现在以下几个方面。

2.1 强化学生文献查阅意识，督促其文献阅读能力和自学能力的提高

有效地开展问题讨论的前提，是参与讨论者对所讨论的问题有清楚的认识和了解。因此，教师不仅在实验前要告知学生围绕PCR实验的相关问题从哪些方面进行准备，而且还要兼顾多数本科学生的实际情况，对科技资料的获取途径和获取方法（如何确定关键词、如何在搜索结果中快速找到相关信息）进行简单介绍，以帮助学生从海量文献中获取自己需要的信息。学生在学习利用图书馆或网络数据库（如学校电子图书馆的中国学术期刊数据库、万方数据库等）获取相关信息的过程中，其科技文献查阅能力会逐渐得到提高，逐步从查阅教师设定题目的相关信息转向查阅自己感兴趣的主题，其自主学习、发现问题、洞察问题的创新能力也会在此过程中潜移默化地被提升。

2.2 培养学生勤于思考、分析问题的能力

PCR实验从原理到操作都比较简单，如果以普通的实验教学形式降解、操作，则学生完成实验体系的建立，也就是加完各种反应试剂之后就会无所事事，实验的间歇往往被聊天或手机游戏等所充斥，实际教学效果可能就是一段时间后学生的真实反应——“PCR实验？我们做过”，根本谈不上提高教学效果。因此，如何通过简单的实验传递给学生丰富的学术信息，是每一位实验教师必须努力思考和实现的目标。

通过多年的思索与实践，作者深刻体会到在实验等待的时间段引入预设问题的讨论，是达成上述目的的有效途径，对培养学生勤于思考具有很好的促进作用。如在讨论问题“通过PCR反应从一个较长片段的模板DNA或基因组DNA中扩增获得较短的目的片段，最少需进行几次PCR反应循环？”时，清楚掌握上、下游引物（即分别对应正义、反义引物）基本概念的学生会很快通过画图推算出需要的循环数。指导教师可以让概念清楚的同学将推理过程在黑板上演示给其他学生。在此问题基础上，还可以进一步提出问题，如“随着反应进行，目的产物是不是可以一直被呈指数倍扩增”，学生一般都会想到反应底物、引物浓度等问题。将此问题继续延伸，就是适时地提醒学生，在自己独立进行PCR实验时，一定要根据扩增片段的大小、引物浓度、核苷酸原料浓度等确定反应条件和循环次数，力争事半功倍和实验的成功率。

通过问题探讨和问题延伸，能够让学生意识到，即便是像PCR一样的简单实验，也隐含着不少学问，对知识的理解也随之深化和细化。另外，进行问题讨论时，学生的思维活动比较容易被吸引，围绕问题在自己的信息资源中快速拉取和过滤与问题相匹配的知识点并进行快速整理。伴随着问题延伸，学习如何从明显问题中发现隐含问题，积极寻找答案和解决途径。学生将逐渐地养成勤于思考的良好习惯，思考问题、发现问题的能力也会在此过程中不断提高。

2.3 更加合理有效的利用实验课时间

自然科学实验，通常都会涉及作用时间或是反应时间，实验过程中难免出现等待时间。以往的实验中，学生在等待时要么聊天、要么照猫画虎地赶写实验报告，现在则在玩弄手机游戏或上网，自主地在实验间歇思考实验问题、检讨实验过程的学生相对较少，这也是本科生实验教学效果低下的重要原因之一。在PCR实验教学中，进行PCR反应和利用琼脂糖凝胶电泳技术检测PCR实验结果都占据较长时段。连续5年的教学实践证明，在PCR反应进行或电泳过程中，将实验等待的时间用于问题讨论，不仅有益于学生综合素质的培养，还可以更加有效地利用实验课时间，改善了实验教学效果。

2.4 增强师生交流互动、为学生展示自我提供了锻炼的机会

在实验间歇时间引入问题讨论，在教学方法上类似于PBL教学法，但是与在理论课教学中引入PBL教学法不同。在实验间歇以近似于聊天的形式进行讨论，探讨可以轻松愉快的进行，学生不会产生过重的心理负担，更容易营造活跃热烈的气氛，讨论结果会在学生脑海中产生更深刻的印象。而且，实验班人数一般较少，在指导教师的引导下，可以做到让每个学生就相关问题谈自己的理解和观点，给每个人展示自己的机会。

伴随着我国教育部多个政策性文件的不断出台，通过实践育人培养创新性人才的重要性正在得到越来越多教育工作者的支持与认可。如何通过一般的验证性实验教学培养更多具有创新意识和创新能力的专业人才，是值得教育界认真思索的重要问题。作者希望，本文中对于PCR实验教学组织的实践、思考与体会，能够为实现上述目标提供有益的参考。

［1］Saiki RK，Scharf S，Faloona F，et al.Enzymatic amplication of beta－globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia［J］.Science，1985，230：1350－1354.

［2］Mullis K，Faloona F，Scharf S，Saiki R，Horn G，Erlich H.Specic enzymatic amplication of DNA in vitro：the polymer－ase chain reaction［J］.Cold Spring Harb Symp Quant Biol，1986，51（Pt1）：263－273.

［3］金宇良.PCR技术的研究进展［J］.现代农业科技，2012（10）：47－48.

Experimental Teaching Example of Polymerase Chain Reaction

LI Hong－min，BU Huai－yu，XIE Xin
（Molecular Biology Course Group，School of Life Science，Northwest University，Xi’an 710069，China）

聚 合 酶 链 式 反 应 （polymerase chain reaction，PCR）是体外扩增特定DNA或RNA片段的强有力工具。该技术于1985年由Saiki等首次报道［1］，Kary Mullis［2］对该技术进行完善并因此获得1993年诺贝尔奖。因技术本身特异性强、产率高、速度快，操作简便，重复性好等特点，很快被应用到各种生物学相关基础研究以及包括临床检测分析、食品安全检测、法医鉴定等在内的众多领域。是国内外生物学专业本科生分

Polymerase chain reaction is a powerful tool for in vitro amplication of specic nucleic acid sequences and has been assigned one of the important content of the conventional molecular biology experiments as its wide usage in life science related subjects and its impact on the scientic community involving in basic research and practical analysis.The author provide a practicable teaching scheme focusing on the quality－oriented education within which problem discussion was properly introduced into the course during running polymerase chain reaction and／or the quench time of electrophoresis.The whole process of this experiment includes problem preparation，teacher’s explanation，students’operation，problem discussion，observation and analysis of the experiment result.Teaching practice proved that this scheme can effectively use the interval time，through problem discussion，to stimulate the interaction and communication between teachers and students，help students of to understand the principle and related theoretical aspects of polymerase chain reaction，enhance the students’ability of using theoretical knowledge to analysis the actual problem.Learning interest can be also promoted.

Polymerase Chain Reaction；teaching method；molecular biology experiment子生物学课程的重要学习内容。

G642.0

A

1006－2769（2014）03－0544－03

2014－02－21

西北大学生物学基地科研训练及科研能力提高项目子项目（国家基础科学人才培养基金：J1210063）；陕西省教育厅2011年度重点实验室重点科研计划项目（11JS085）；陕西省科技厅2011年度社会发展攻关项目（2011K12－61）资助

李红民（1972－ ），女，陕西咸阳人，副教授，博士，主要从事基因工程及天然活性成分作用机理研究以及生物化学与分子生物学教学工作。

陈新东）