以问题解决为导向，构建高效生物课堂——以“DNA的PCR扩增”教学为例

□高 成

（杭州第七中学，浙江杭州 310024）

苏霍姆林斯基说：“人的心灵深处有一种根深蒂固的需要，就是希望自己是一个发现者、研究者、探究者。”科学探究要求学生能够发现生活中的科学问题，并进行观察、提问、实验设计、方案实施和结果交流讨论[1]。在科学探究的过程中，学生可以亲历科学事实的发现过程，掌握科学探究的基本方法和技能，主动进行意义建构，完善知识网络，拓展思维深度和广度。因而，科学探究被认为是学习科学的有效途径[2]。

PCR 技术（聚合酶链式反应）是利用DNA聚合酶在体外进行DNA复制的过程。所涉及的反应过程都是微观的化学反应，学生没有直观认识，也难以理解其在疾病诊断、医学鉴定、科学研究等方面发挥的关键作用。在以往的教学过程中，这部分内容往往采用的是理论讲解或者观看动画等方式，学生缺乏真实体验，学习效率不高。随着技术的发展与成熟，PCR 技术早已不是什么高深的实验内容。在杭州的普通高中实验室中，已经配备了PCR 仪等相关的实验器材。因此，如何挖掘科学问题，设置学生可操作、能探究、有意义的PCR 实验情境，是提高仪器利用率，构建高效生物课堂的关键。

在浙科版普通高中教科书《生物学》选择性必修3《生物技术与工程》第四章《基因工程》第一节第二个“活动”——“PCR 扩增DNA片段及凝胶电泳鉴定”的教学活动中，笔者先让学生通过阅读背景资料，逐步发现并提出问题“如何鉴定未知骨骼样本的性别”，以此创设真实的情境。接着以解决真实情境问题为导向，借助合适的学习资料，让学生主动运用科学思维，通过小组汇报等形式，共享学习成果，逐步剖析PCR 扩增过程中模板来源、反应体系、反应条件等内容，发展理性思维，自主构建知识体系。学生借助实验操作手册和产品使用说明书，自主设计实验，以口腔上皮细胞等简单有效的实验材料完成实验，既在学中做，又在做中学，解决问题，并学以致用，加深对PCR 技术的理解，提升应用知识的能力，体会PCR技术在生产生活中的重要应用。

一、创设真实情境，导出科学问题

PCR 技术在古生物研究、基因检测、刑事侦破、疾病诊疗等方面有广泛应用，这为生物课堂创设真实问题情境提供了大量的素材。例如，在课堂导入环节中，可以采用对曹操墓进行考古挖掘的相关新闻报道为例导入新课，提出问题：“考古人员在古墓中发现了一块骨骼残骸，你有什么办法可以确定该遗骸的性别？”学生阅读笔者提供的资料，分析推理得出：可以通过观察样本中是否含有Y染色体的特有基因DYZ1来判断。DYZ1基因，位于人类的Y染色体上，其特异序列长度为154bp，拷贝数为3000~5000。由于其拷贝数多，特异性好，被广泛用于性别鉴定。

从真实案例出发，可快速将学生带入问题情境，引导学生明确探究活动的目的和意义，让学生对本节实验课内容产生期待并激发学习欲望。但从骨骼残骸中提取到的DNA的量非常少，怎样检验其是否含有154bp 的DYZ1基因片段呢？笔者指导学生阅读资料学习DNA 琼脂糖凝胶电泳的基本原理和方法（如图1），然后尝试使用课前准备好的DNA 样本进行琼脂糖凝胶电泳，电泳需要30分钟左右。在这个等待过程中，笔者安排后续学习内容。

图1 DNA琼脂糖凝胶电泳的基本原理及相关问题

笔者给出一个电泳结果图，并提出问题串：1.第一泳道中加入标准DNA 的作用是什么？2.第二泳道的DNA 片段大小是多少？3.观察到的DNA条带是一个DNA分子吗……以此巩固并深化学生对DNA琼脂糖凝胶电泳的掌握。在学生掌握了DNA琼脂糖凝胶电泳的原理后，笔者将探究任务明确为：如何从微量DNA中精确获得大量的DYZ1基因片段？

二、理论实践结合，尝试科学探究

学生在普通高中教科书《生物学》必修2模块中已经学习过DNA 的复制过程，为学习DNA 的体外扩增打下了坚实的基础。学生通过类比分析，结合相关阅读资料，能够根据PCR 技术的基本原理，得出PCR 反应需要模板、原料、DNA聚合酶等成分。

通过小组合作学习PCR 试剂使用说明书，学生可以依葫芦画瓢，设计配置PCR 反应体系的方法。为方便实验操作，笔者推荐学生使用2X PCR mix 试剂，它含有耐高温的taq 酶（DNA聚合酶）、dNTP、PCR 反应所需的缓冲液等，只需加入适量引物和模板，即可进行PCR扩增（见表1）。

表1 实验使用的PCR反应体系

由于PCR 反应非常灵敏，可以扩增目的基因序列超过1000 万倍，在使用时应注意避免微量待扩增DNA 的污染，并尽量考虑设置不加模板的空白对照，以确认是否有待扩增DNA 的污染。笔者设计表格（见表2）引导学生思考如何设置空白对照、阳性对照和阴性对照。

表2 实验分组设计

学生分小组进行实验操作，提取男性和女性的口腔上皮细胞DNA 粗提取物，作为对照组的模板，进行PCR 扩增。口腔上皮细胞DNA粗提取液（模板）的制备方法如下：1.取检材前，用凉开水漱净，去除口腔内的食物残渣；2.用无菌的牙签在口腔两侧颊部轻轻刮动数次，获得口腔上皮细胞；3.将牙签放入300μL裂解液中，反复搅动几次，再将细胞洗下即可。阳性对照和阴性对照的DNA模板获取方法简单易行，可由学生自主探究总结。如此，可以使学生对实验结果产生认同感，有效激发学生的探究兴趣。各小组同时按照设计好的PCR反应体系和实验分组（见表1、2），配制反应液，在实验探究中解决问题。

三、探究结果分享，知识迁移拓展

各小组将配制好的PCR 反应液放入PCR仪中进行反应。传统手动PCR仪有95℃、55℃和72℃三个不同温度池，分别对应变性、退火和延伸三步，学生能较为直观地体验PCR 仪的工作原理，但这类PCR 仪使用费时费力，而且效果不佳。现在实验室配备的PCR 仪一般都是全自动PCR 仪，仅需设置仪器参数，方便高效，缺点是学生难以对变性、退火和延伸三步反应的本质即“温度变化”产生直观体验。对比两类PCR 仪的使用方法，可让学生体会到技术进步能推动科学发展。教师可让学生体验PCR 仪程序设置过程，再结合教学视频讲解PCR扩增的基本步骤，以使学生了解PCR仪的基本工作原理，明确变性、退火、延伸三步的作用，理解PCR 扩增能以指数的形式大量扩增DNA的原理。

最后，笔者引导学生观察课前制备的样本的DNA 琼脂糖凝胶电泳结果，判断未知样本的性别，实现问题的解决，完成科学探究过程（如图2）。笔者适时总结PCR 技术的基本原理和特点，介绍其在科学研究和疾病诊断等方面的重要作用，以及其在非法性别鉴定中的作用，让学生认识到科技是一把双刃剑，并提示学生对任何科学技术都要理性科学地使用。

图2 PCR反应程序和电泳检测结果

在本实验教学过程中，笔者以解决性别鉴定的问题为核心，通过材料阅读和实验设计等环节帮助学生完成实验探究。在具体操作中，又将 PCR 过程分解为 DNA 检测、PCR 反应体系配制、PCR 仪操作等部分，并将PCR 技术基本原理和基本操作过程以问题串的形式呈现出来。学生则通过材料阅读、小组汇报、小组实验等环节，获取信息、理性思考，并在同伴分享中提升对知识的理解。课堂上，笔者利用小组汇报、分享、交流等教学环节，不断将学习推向深入。

以科学探究为主体的教学活动，能够让学生在发现问题、研究问题、解决问题的探索中，发现生活中有意义的问题，并促使学生主动生成相关知识体系。在开展教学活动的过程中，教师应当充分考虑学情，灵活运用多种教学组织方式，改进并拓展教材实验，充分发挥学生的主体地位，给学生提供足够的探究活动，构建高效的生物课堂，以实现“学中做”和“做中学”，帮助学生实现深度学习。