聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織與效果分析

李紅民，步懷宇，謝 鑫

（西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院分子生物學(xué)課程組，陜西 西安 710069）

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織與效果分析

李紅民，步懷宇，謝 鑫

（西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院分子生物學(xué)課程組，陜西 西安 710069）

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是常規(guī)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。作者在多年從事分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)操作的間隔時(shí)段引入相關(guān)問(wèn)題的探討。整個(gè)教學(xué)過(guò)程由學(xué)生查閱資料進(jìn)行問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、教師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與操作注意事項(xiàng)的簡(jiǎn)單介紹、實(shí)驗(yàn)操作、問(wèn)題討論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察與分析等組成。實(shí)施效果表明，作者采用的教學(xué)組織方案能夠更加有效地利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的間歇時(shí)間，通過(guò)對(duì)預(yù)先設(shè)定的問(wèn)題和學(xué)生自主提問(wèn)進(jìn)行探討，實(shí)現(xiàn)良好的師生互動(dòng)，加深了學(xué)生對(duì)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)原理及相關(guān)理論的理解與掌握，增強(qiáng)學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性具有較好的促進(jìn)作用。

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；教學(xué)方法；分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

雖然已經(jīng)發(fā)展出多種不同應(yīng)用目的的PCR技術(shù)［3］，但其基本原理仍然是對(duì)核酸復(fù)制原理的離體應(yīng)用。在面向生物學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)PCR實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何把簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程組織的有聲有色，幫助學(xué)生從其中獲得更多知識(shí)信息，是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際效果的關(guān)鍵所在，也是絕大多數(shù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍面臨的問(wèn)題。為此，作者對(duì)PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織進(jìn)行了思考與摸索，對(duì)多年來(lái)具體實(shí)施的效果進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié)，為提高以基本技能訓(xùn)練為目的的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果提供有益的思路與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織與實(shí)施

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)前一星期告知學(xué)生PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排，督促學(xué)生在預(yù)習(xí)／復(fù)習(xí)PCR實(shí)驗(yàn)原理與操作的同時(shí)，查閱資料以多方面了解PCR技術(shù)相關(guān)知識(shí)，包括DNA復(fù)制機(jī)制、相關(guān)酶學(xué)知識(shí)、DNA變性與復(fù)性動(dòng)力學(xué)、PCR反應(yīng)所需引物的設(shè)計(jì)原則、PCR反應(yīng)的特點(diǎn)等，為討論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師預(yù)設(shè)的問(wèn)題或自己感興趣的問(wèn)題做準(zhǔn)備。

講授與操作：教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師僅對(duì)PCR實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、PCR儀的使用、實(shí)驗(yàn)注意問(wèn)題等進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。其中涉及的PCR反應(yīng)體系的組成、反應(yīng)所需的條件、包括進(jìn)行PCR反應(yīng)應(yīng)該注意的問(wèn)題等，通過(guò)與學(xué)生的交流互動(dòng)完成。實(shí)驗(yàn)操作全部由學(xué)生獨(dú)立完成。

PCR實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)問(wèn)題與討論：PCR實(shí)驗(yàn)從原理到操作都不復(fù)雜，但是涉及的相關(guān)問(wèn)題較多。以下是常規(guī)PCR實(shí)驗(yàn)涉及的部分問(wèn)題：設(shè)計(jì)PCR引物的一般原則；PCR反應(yīng)的構(gòu)成要素；影響Tm值的因素；PCR反應(yīng)條件的設(shè)定；PCR產(chǎn)物的檢測(cè)分析及相關(guān)問(wèn)題等。問(wèn)題的討論安排在PCR反應(yīng)開(kāi)始之后以及進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物的間歇。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察、記錄與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)：PCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察通常是在紫外光下直接觀察有無(wú)目的產(chǎn)物的擴(kuò)增。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生能夠用基本原理解釋自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并真實(shí)記錄，實(shí)驗(yàn)課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)。

2 PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析與心得體會(huì)

上述教學(xué)組織方式已經(jīng)在西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2007－2011級(jí)生物科學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生教學(xué)中開(kāi)展了5年。在5年的教學(xué)實(shí)踐中，作者深刻體會(huì)到上述組織形式開(kāi)展PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)其教學(xué)效果的提高具有多種積極意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 強(qiáng)化學(xué)生文獻(xiàn)查閱意識(shí)，督促其文獻(xiàn)閱讀能力和自學(xué)能力的提高

有效地開(kāi)展問(wèn)題討論的前提，是參與討論者對(duì)所討論的問(wèn)題有清楚的認(rèn)識(shí)和了解。因此，教師不僅在實(shí)驗(yàn)前要告知學(xué)生圍繞PCR實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問(wèn)題從哪些方面進(jìn)行準(zhǔn)備，而且還要兼顧多數(shù)本科學(xué)生的實(shí)際情況，對(duì)科技資料的獲取途徑和獲取方法（如何確定關(guān)鍵詞、如何在搜索結(jié)果中快速找到相關(guān)信息）進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，以幫助學(xué)生從海量文獻(xiàn)中獲取自己需要的信息。學(xué)生在學(xué)習(xí)利用圖書(shū)館或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)（如學(xué)校電子圖書(shū)館的中國(guó)學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫(kù)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)等）獲取相關(guān)信息的過(guò)程中，其科技文獻(xiàn)查閱能力會(huì)逐漸得到提高，逐步從查閱教師設(shè)定題目的相關(guān)信息轉(zhuǎn)向查閱自己感興趣的主題，其自主學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、洞察問(wèn)題的創(chuàng)新能力也會(huì)在此過(guò)程中潛移默化地被提升。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、分析問(wèn)題的能力

PCR實(shí)驗(yàn)從原理到操作都比較簡(jiǎn)單，如果以普通的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式降解、操作，則學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)體系的建立，也就是加完各種反應(yīng)試劑之后就會(huì)無(wú)所事事，實(shí)驗(yàn)的間歇往往被聊天或手機(jī)游戲等所充斥，實(shí)際教學(xué)效果可能就是一段時(shí)間后學(xué)生的真實(shí)反應(yīng)——“PCR實(shí)驗(yàn)？我們做過(guò)”，根本談不上提高教學(xué)效果。因此，如何通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)傳遞給學(xué)生豐富的學(xué)術(shù)信息，是每一位實(shí)驗(yàn)教師必須努力思考和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

通過(guò)多年的思索與實(shí)踐，作者深刻體會(huì)到在實(shí)驗(yàn)等待的時(shí)間段引入預(yù)設(shè)問(wèn)題的討論，是達(dá)成上述目的的有效途徑，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生勤于思考具有很好的促進(jìn)作用。如在討論問(wèn)題“通過(guò)PCR反應(yīng)從一個(gè)較長(zhǎng)片段的模板DNA或基因組DNA中擴(kuò)增獲得較短的目的片段，最少需進(jìn)行幾次PCR反應(yīng)循環(huán)？”時(shí)，清楚掌握上、下游引物（即分別對(duì)應(yīng)正義、反義引物）基本概念的學(xué)生會(huì)很快通過(guò)畫(huà)圖推算出需要的循環(huán)數(shù)。指導(dǎo)教師可以讓概念清楚的同學(xué)將推理過(guò)程在黑板上演示給其他學(xué)生。在此問(wèn)題基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步提出問(wèn)題，如“隨著反應(yīng)進(jìn)行，目的產(chǎn)物是不是可以一直被呈指數(shù)倍擴(kuò)增”，學(xué)生一般都會(huì)想到反應(yīng)底物、引物濃度等問(wèn)題。將此問(wèn)題繼續(xù)延伸，就是適時(shí)地提醒學(xué)生，在自己獨(dú)立進(jìn)行PCR實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要根據(jù)擴(kuò)增片段的大小、引物濃度、核苷酸原料濃度等確定反應(yīng)條件和循環(huán)次數(shù)，力爭(zhēng)事半功倍和實(shí)驗(yàn)的成功率。

通過(guò)問(wèn)題探討和問(wèn)題延伸，能夠讓學(xué)生意識(shí)到，即便是像PCR一樣的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，也隱含著不少學(xué)問(wèn)，對(duì)知識(shí)的理解也隨之深化和細(xì)化。另外，進(jìn)行問(wèn)題討論時(shí)，學(xué)生的思維活動(dòng)比較容易被吸引，圍繞問(wèn)題在自己的信息資源中快速拉取和過(guò)濾與問(wèn)題相匹配的知識(shí)點(diǎn)并進(jìn)行快速整理。伴隨著問(wèn)題延伸，學(xué)習(xí)如何從明顯問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)隱含問(wèn)題，積極尋找答案和解決途徑。學(xué)生將逐漸地養(yǎng)成勤于思考的良好習(xí)慣，思考問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力也會(huì)在此過(guò)程中不斷提高。

2.3 更加合理有效的利用實(shí)驗(yàn)課時(shí)間

自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)，通常都會(huì)涉及作用時(shí)間或是反應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難免出現(xiàn)等待時(shí)間。以往的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在等待時(shí)要么聊天、要么照貓畫(huà)虎地趕寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，現(xiàn)在則在玩弄手機(jī)游戲或上網(wǎng)，自主地在實(shí)驗(yàn)間歇思考實(shí)驗(yàn)問(wèn)題、檢討實(shí)驗(yàn)過(guò)程的學(xué)生相對(duì)較少，這也是本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果低下的重要原因之一。在PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，進(jìn)行PCR反應(yīng)和利用瓊脂糖凝膠電泳技術(shù)檢測(cè)PCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果都占據(jù)較長(zhǎng)時(shí)段。連續(xù)5年的教學(xué)實(shí)踐證明，在PCR反應(yīng)進(jìn)行或電泳過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)等待的時(shí)間用于問(wèn)題討論，不僅有益于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，還可以更加有效地利用實(shí)驗(yàn)課時(shí)間，改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.4 增強(qiáng)師生交流互動(dòng)、為學(xué)生展示自我提供了鍛煉的機(jī)會(huì)

在實(shí)驗(yàn)間歇時(shí)間引入問(wèn)題討論，在教學(xué)方法上類(lèi)似于PBL教學(xué)法，但是與在理論課教學(xué)中引入PBL教學(xué)法不同。在實(shí)驗(yàn)間歇以近似于聊天的形式進(jìn)行討論，探討可以輕松愉快的進(jìn)行，學(xué)生不會(huì)產(chǎn)生過(guò)重的心理負(fù)擔(dān)，更容易營(yíng)造活躍熱烈的氣氛，討論結(jié)果會(huì)在學(xué)生腦海中產(chǎn)生更深刻的印象。而且，實(shí)驗(yàn)班人數(shù)一般較少，在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，可以做到讓每個(gè)學(xué)生就相關(guān)問(wèn)題談自己的理解和觀點(diǎn)，給每個(gè)人展示自己的機(jī)會(huì)。

伴隨著我國(guó)教育部多個(gè)政策性文件的不斷出臺(tái)，通過(guò)實(shí)踐育人培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的重要性正在得到越來(lái)越多教育工作者的支持與認(rèn)可。如何通過(guò)一般的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的專(zhuān)業(yè)人才，是值得教育界認(rèn)真思索的重要問(wèn)題。作者希望，本文中對(duì)于PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織的實(shí)踐、思考與體會(huì)，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供有益的參考。

［1］Saiki RK，Scharf S，F(xiàn)aloona 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，F(xiàn)aloona 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技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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 鏈 式 反 應(yīng) （polymerase chain reaction，PCR）是體外擴(kuò)增特定DNA或RNA片段的強(qiáng)有力工具。該技術(shù)于1985年由Saiki等首次報(bào)道［1］，Kary Mullis［2］對(duì)該技術(shù)進(jìn)行完善并因此獲得1993年諾貝爾獎(jiǎng)。因技術(shù)本身特異性強(qiáng)、產(chǎn)率高、速度快，操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性好等特點(diǎn)，很快被應(yīng)用到各種生物學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)研究以及包括臨床檢測(cè)分析、食品安全檢測(cè)、法醫(yī)鑒定等在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。是國(guó)內(nèi)外生物學(xué)專(zhuān)業(yè)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子生物學(xué)課程的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。

G642.0

A

1006－2769（2014）03－0544－03

2014－02－21

西北大學(xué)生物學(xué)基地科研訓(xùn)練及科研能力提高項(xiàng)目子項(xiàng)目（國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金：J1210063）；陜西省教育廳2011年度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目（11JS085）；陜西省科技廳2011年度社會(huì)發(fā)展攻關(guān)項(xiàng)目（2011K12－61）資助

李紅民（1972－ ），女，陜西咸陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事基因工程及天然活性成分作用機(jī)理研究以及生物化學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)工作。

陳新東）