“PCR扩增技术”的教学组织

郭 薇 （大连市普通高中创新实践学校 辽宁大连 116000）

PCR扩增技术是人教版高中生物学选修1《生物技术实践》中的实验内容，是“多聚酶链式反应扩增DNA片段”一节的难点所在。笔者对该实验进行合理改进，设置了具有现实意义的实验背景，优化了实验方案，使其更适于课堂教学组织。

1 学习内容组织

1.1 PCR的原理 PCR是一种体外扩增目的DNA的分子生物学技术。它以DNA为模板、引物为指导、多聚酶为工具、4种脱氧核糖核苷酸为原料，在特定的反应条件下，经变性、复性、延伸多个循环，扩增大量目的DNA以达到分析、检测等实验目的。该技术的特点是快速、精确、高效、易操作。

作为最常用的PCR结果检测方法，琼脂糖凝胶电泳具有直观、准确的特点，只需在完成电泳后，将琼脂糖凝胶放置在凝胶成像仪中观察，根据特异性条带的有无、大小范围，判断实验成功与否，适用于教学开展。

1.2 PCR的应用 作为一种重要的分子生物学技术，PCR被广泛应用于遗传病诊断、古生物学研究、基因克隆和刑侦破案等多领域，具有极强的现实意义。开展此实验，既能培养学生的实践能力，又能帮助学生解决实际问题，增强学生的实验兴趣，获取实验成就感。

1.3 PCR的操作 操作导图见图1。

图1 操作导图

2 学习目标表述

1）知识目标：简述PCR技术在生活中的应用。

2）能力目标：使用分子生物学实验仪器进行PCR实验，也是本节课的教学重点和难点。

3）情感态度与价值观目标：养成合作探究精神和严谨的科学态度。

3 实验教学组织

为了更好地实现教学目标，有效开展教学组织，笔者依据教材，将笼统问题具体化，对实验背景和实施方案进行改进完善。

3.1 实验背景 以刑侦破案作为实验背景。警方已从案发现场找到了少量嫌疑人的头发，却难以提取出大量的DNA用于嫌疑人性别分析，如何通过PCR技术实现性别鉴定，帮助警方破案？已知：人类女性的性染色体为XX型，男性为XY型，而Y染色体上有一段特异性的DNA序列，称为“DYZ1”序列，它只存在于Y染色体上，是男性特有的DNA序列［1］。根据这一事实，若在DNA样本上检测出“DYZ1”序列，则可判断嫌疑人为男性，反之为女性。

3.2 材料与仪器 性别鉴定试剂盒、微量移液器、微量离心管、移液器吸头、离心机、涡旋混合仪、PCR仪和琼脂糖凝胶电泳仪、凝胶成像仪等。

3.3 实验步骤

3.3.1 获取模板DNA 以毛囊细胞中的DNA作为模板DNA，分别取1名男性和1名女性带有毛囊的头发各4根，分别置于2个0.5 mL离心管内，男性标为甲，女性标为乙。

3.3.2 配制PCR反应体系 利用PCR试剂盒中提供的“DYZ1”特异性引物对模板DNA进行PCR扩增。反应体系中各成分用量如表1所示，总体积为20 μL。置于混合仪上数秒后，放入微量离心机，使反应液集中在离心管底部。

表1 PCR反应体系

3.3.3 设置PCR反应程序 将已离心的甲、乙2个离心管放到PCR仪中，设置好循环条件后启动PCR仪，完成PCR扩增。

循环条件为：预变性温度95℃，保温30 s；变性温度95℃，保温20 s，复性温度52℃，保温20 s，延伸温度72℃，保温20 s，循环次数为30次。

3.3.4 PCR结果检测 称量0.3 g琼脂糖粉末，量取20 mL的1×TBE加热溶解琼脂糖（为避免加热过程中溶液过度蒸发，实际可多量取3～5 mL的1×TBE），加入1 μL的GoldviewⅡ型核酸染料混合均匀。灌胶，待凝胶凝固后，分别取甲、乙2组PCR产物各10 μL，各与2 μL的6×上样缓冲液混合，将混合液分别加入到2个上样孔内。

向电泳槽内加1×TBE至刚刚没过凝胶，调节电压至4 V/cm，电泳20 min。电泳结束后，使用凝胶成像系统观察并拍照。

4 实验结果

如图2所示，可清楚看出，在紫外灯照射下，甲有一条长度为500 bp左右的明亮DNA条带，乙没有任何条带显示。由此判断，样品甲PCR扩增出的DNA片段与“DYZ1”片段大小吻合，即PCR产物是男性“Y”染色体上的“DYZ1”，而乙没有扩增出DNA片段。综上所述，甲为男性，乙为女性，即实验结果与事实一致，实验可行。

5 改进后的优点

恰当、易懂且具有针对性的实验背景能更好地激发学生的实验热情，加深学生对PCR理论知识的理解，帮助学生构建清晰、确切的知识体系，且在设置实验背景的同时，明确实验目的，完善实验方案，使PCR反应体系及PCR反应程序更加具体化，更具有针对性和可操作性，琼脂糖电泳的检测手段可使实验更加严谨。通过以上教学改进，可大幅度减轻教师的工作负担，提高教学效率。

教师在实验的教学组织中，不仅要引导学生完成实验任务，更需要帮助学生树立严谨的科学态度，所以实验方法的准确性和严谨性就尤为重要。笔者认为，改进后的实验在材料准备、PCR条件建立以及结果检测方法上，都更加完善，且本实验所需实验器材较少，实验药品毒性极低［2］，对实验室也无特殊要求，适合在高中生物学实验教学中开展。