基于模型建构突破“PCR技术”教学难点的策略

何红星

摘 要：本文通过PCR技术中变性、复性、延伸三个环节及其循环，应用概念模型、物理模型及数学模型等方法构建，将抽象微观的知识通过亲手构建变成具体的模型，从而突破学习难点.

关键词：模型建构;PCR技术;变性;复性;延伸

PCR技术（聚合酶链式反应）是高中生物人教版选修三基因工程中目的基因体外扩增的重要学习内容，在刑事侦破、古生物研究、基因序列分析、基因检测等方面，只要提供微量的DNA分子就能通过PCR技术进行体外扩增，获得大量的DNA分子，因此，应用广泛，为生物学命题提供大量的素材，更重要的是架起学生科学探究和理性思维的平台.学生已经具备了DNA復制的相关知识，但在平时教学和学生训练中，对于PCR技术学习的深度和广度把握不好，对引物设计理解不到位，学校缺乏相应仪器，学生常常感

到PCR技术内容抽象，给学习带来一定的困难.

模型构建是学习生物学的一种重要的科学方法，有利于学生主动学习，体验科学探究过程，增加思维强度，延伸思维宽度，拓展思维深度，从而培养学生的理性思维，提高学习效率.

1 应用概念模型厘清概念

活动1：建立思维导图，梳理知识脉络，引领学生对核心概念有序学习.

2 物理模型体验PCR技术扩增过程

活动2：表1图解为第一次循环结果，每两人一组相互配合用卡纸剪出并用透明胶粘贴或根据引物、碱基互补关系画出第一次循环，依次构建第二次循环、第三次循环结果，构建过程中任务驱动思考下列问题：

①为何要引物？（DNA聚合酶无法单独开始复制，即无法凭空开始往模板上添加对应的核苷酸，它必须有一段引物与模板形成双链后在DNA聚合酶的作用下继续链的延伸.

②观察DNA双链一条是5′ → 3′方向，另一条是3′→5′方向得出什么结论？（DNA的两条链是反向平行的）

③扩增产物DNA片段和DNA复制是否完全相同，扩增产物DNA片段是否等长，至少循环几次后出现等长的DNA片段.

④例如DNA模板链片段5′ATTGGCTAG-3′3′TAACCGATC-5′，DNA聚合酶只能从5′→ 3′方向延伸合成互补链（对应模板3′→5′方向），有上下两个引物相对而行的， 引物 DNA序列是按模板设计互补的寡核苷酸链，且引物 DNA序列一般很少和模板最端部碱基配对，假设引物1碱基TG对应模板AC，引物2碱基TA对应模板AT，让学生根据模板链和引物关系依次构建3～4次循环相关的DNA序列.

3 数学模型

活动3：模拟建构过程，归纳推理得出N次循环后含有引物1和引物2的DNA分子数均为2n-1;既含有引物A又含有引物B的DNA分子数为2n-2;扩增N次后DNA分子片段类型归纳：如图3出现五种类型（类型1：只含引物1，两链不等长既引物1延伸与母链互补无论循环多少次，始终只有1条;类型2：只含引物2，两链不等长，既引物2延伸与母链互补，无论循环多少次始终也只有1条;类型3：既含有引物1又含有引物2，含引物1链较含引物2链长，N次循环后有N-1条;类型4：既含有引物1又含有引物2，含引物2链较含引物1链长，N次循环后也是有N-1条;类型5：既含有引物1又含有引物2，两链等长，N次循环后有2n-2n条.

结合物理模型分析可知，DNA复制结果一般形成等长的DNA，复制结果DNA类型只有一种，PCR技术一般要到第三轮才出现等长的DNA，如果引物也从最端部开始，则DNA类型也只有一种.

4 拓展延伸：电泳DNA测序模型

循环产物也可以用琼脂糖凝胶电泳检测DNA类型，不同DNA有自己相应的条带，不同大小的DNA有不同位置，越靠前的电泳速度快，通过比较，可进行基因诊断、结合遗传图谱分析DNA亲缘关系等遗传学命题的热点.

5 课后提升：动态模型设计

学生继续查阅PCR技术相关资料（包括发展史、引物设计、热稳定性聚合酶作用机理），观看PCR技术视频，网上查阅电子、机械制作原理，结合科技创新活动，尝试动手设计制作PCR动态模型，学生在课外科技活动中热情高，学习生物学兴趣深厚，培养学生热爱科学、尊重科学，体验科技探究过程，享受创新成果.

通过模型建构，学生亲身体会知识形成，加强了学生的思维训练，让学生头脑动起来，巧手动起来，课堂气氛活起来，真正感知科学本质，践行核心素养的生命观点、科学探究和理性思维，对微观生命理解更加深刻透彻.

参考文献：

[1]顾莹莹. 建构物理模型 突破结构难点[J]. 中学生物教学， 2016（12）：23-24.

[2]杨菲菲. 物理模型建构在 PCR 技术教学中的应用[J]. 生物学教学， 2015， 40（09）：22-23.

[3]孟凡龙. 借助模型建构突破基因工程二轮复习中的难点[J]. 实验教学与仪器，2016，33（12）：20-22.

[4]沈静丹. 浅谈PCR技术[J]. 生物学教学， 2014， 39（02）：58-59.

（收稿日期：2019-04-02）