從DNA復制之爭淺談教師專業(yè)化發(fā)展

貴州

從2017年開始，“PCR技術”被列入《普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱》（以下簡稱《考試大綱》）內(nèi)，隸屬基因工程的相關考點。PCR的基本原理是DNA雙鏈復制，其反應條件與DNA復制相似。筆者在教研活動中發(fā)現(xiàn)，關于DNA復制和PCR的條件存在諸多爭議，主要體現(xiàn)在原料、能量和酶等方面。這些爭議反映出不同教師的認知存在不同程度的偏差，這種偏差在中學生物教學中普遍存在，本文通過文獻檢索的方法對相關問題做初步辨析。

1.關于PCR幾個常見的爭議性問題

1.1 原料之辯

有部分教師認為，PCR與DNA復制一樣，都是以四種游離的脫氧核苷酸為原料進行的，也有人認為PCR與DNA復制不一樣，PCR以脫氧核苷三磷酸為原料，而DNA復制以脫氧核苷酸為原料。究其原因，是由于高中生物教材中的相關敘述有一定的迷惑性。

1.1.1 高中生物必修教材的高度統(tǒng)一性

筆者查閱了幾個當前使用較多的版本的高中生物教材，發(fā)現(xiàn)在不同版本的高中生物必修教材中均把DNA復制的原料概括為四種游離的脫氧核苷酸，在這一點上不同版本的教材體現(xiàn)出高度的統(tǒng)一性。詳見表1：

表1

1.1.2 高中生物選修教材等與必修教材的一些差異

盡管高中生物必修教材對DNA復制的原料有高度一致的闡述，但在選修教材、必修教材以及教師用書中對DNA復制和PCR原料的描述卻存在差異。人教版選修3教材認為PCR的原料為脫氧核苷三磷酸，北師大版必修2教材卻明確表述PCR利用四種游離的脫氧核苷酸為原料合成DNA，而人教社的教師用書又與教材持相反的觀點。詳見表2：

表2

從以上資料可以看出，對于PCR的反應原料是否與DNA復制一致，高中教材的敘述存在一定差異。為了明確解決這一問題，筆者查閱了多個版本的高等教育生物教材。

1.1.3 高等教育生物教材的“別開生面”

高等教育生物教材對DNA復制原料的敘述與高中生物教材存在明顯差異，多個版本的《遺傳學》《生物化學》和《分子生物學》都認為DNA復制的原料是脫氧核苷三磷酸，PCR的反應原料也是脫氧核苷三磷酸。

綜上所述，可以初步認定DNA復制和PCR的原料都應該是脫氧核苷三磷酸，但涉及的知識面較廣，內(nèi)容具有很大的難度。所以高中教材將其簡化為“脫氧核苷酸”，雖然與客觀事實有差異，但并非“無的放矢”，而是為降低高中生物教學內(nèi)容的客觀難度。但美中不足的是人教版選修3中PCR的原料又以dNTP的形式出現(xiàn)，并且在教材和教師用書中的敘述存在差異，這給教師的教學帶來極大的困難，也容易出現(xiàn)一些偽論而誤導學生。

1.2 能量之辯

高中生物教學中另一個爭論的熱點是關于“能量”。高中生物教材指出“ATP是生物體的直接能源物質”，因此有人理解為“生物體的直接能源物質是ATP”。這種理解在邏輯上是有錯誤的，這里的“A是B”的直接含義是“A包含于B”，而上述觀點則理解為“B全等于A”。在這一觀點的誤導之下，很多人將高中教材關于DNA復制的條件“模板、原料、能量和酶”中的“能量”直接等同于“ATP”。而前文已經(jīng)討論過DNA復制的原料是dNTP，可以為DNA合成過程供能。那么，DNA復制到底需不需要ATP？DNA復制只需要ATP嗎？PCR擴增過程需要加熱，那么PCR中DNA的合成是利用熱能，還是利用某些能源物質呢？筆者帶著一系列疑問繼續(xù)進行文獻檢索。

高中生物教材中關于DNA復制條件中的能量，并沒有詳盡的敘述，僅以“能量”一詞一帶而過，而對于PCR的條件中并沒有直接提到能量。這樣含混不清的表述，使教學內(nèi)容看似更加簡潔明了，減輕了學生的學習負擔，實則增大了教師的教學困難。

這些問題在高等生物學教材中可以得到明確的答案，DNA復制包括起始——延伸——終止幾個階段，其中起始階段和DNA解旋等過程需要ATP供能，但DNA合成（磷酸二酯鍵的聚合）過程中需要的能量由dNTP和形成的焦磷酸水解提供。而PCR的解旋由熱變性替代，引物等條件成熟，作為原料的dNTP同時能滿足DNA合成時的能量需要。綜上所述，DNA復制需要ATP提供能量，但并不是所有能量都直接來自ATP，教材為了降低難度又不違背事實，把DNA復制的條件寫成“能量”。而PCR的原料dNTP同時也作為能源物質，所以不涉及其他能源物質。這樣的處理是較為合理的，教師在課堂上不需要過度解讀，但對于問題的本質是有必要弄清楚的。

1.3 酶之辯

對于DNA復制和PCR容易出現(xiàn)的第三個爭論點是兩過程中相關的酶。因為高中生物教材對DNA復制的條件概括為“模板、原料、能量和酶”，而明確指出的酶只有DNA解旋酶和DNA聚合酶，所以有人認為DNA復制只需要解旋酶和DNA聚合酶，不需要DNA連接酶等其他酶。在PCR反應中只提及Taq酶（一種耐熱的DNA聚合酶），那么PCR反應中需要DNA解旋酶嗎？

解釋上述疑問，高中生物教材自然是無法滿足的，或者說正是因為高中生物教材的敘述不夠詳細，才產(chǎn)生這些爭議。實際上DNA復制過程涉及多種酶，除了DNA解旋酶和DNA聚合酶外，還需要DNA連接酶、拓撲異構酶等多種酶，并且僅大腸桿菌的DNA復制過程就有五種DNA聚合酶參與，哺乳動物細胞中提取的DNA聚合酶更是多達十五種。PCR反應原理雖然與DNA復制相同，但也有其特殊的地方：DNA體外擴增過程中在起始的解旋階段并不需要解旋酶，也不需要ATP供能，而是由加熱直接破壞氫鍵來完成，并且此過程不像DNA復制一樣出現(xiàn)岡崎片段，所以也不需要DNA連接酶。

綜上所述，DNA復制不僅僅需要DNA解旋酶和DNA聚合酶，也需要DNA連接酶等其他酶，只是DNA解旋酶和DNA聚合酶是最基礎、最主要的酶，也是高中階段必須掌握的基本知識點。而PCR因與DNA復制存在一定區(qū)別，只需要Taq酶。同樣，在高中教學中教師是不需要過度補充這些知識的，這些內(nèi)容教材中之所以不提及就是為了降低難度，也是考慮高中生學習容量的問題。但作為教師一定要明白“……在DNA聚合酶等的作用下……”中“等”字的具體含義。換而言之，教材可以一帶而過，學生也可以“一知半解”，教師卻不能犯迷糊，需要理清問題的來龍去脈，這樣在教學中才不至于心有余而力不足。

2.爭辯對教師成長的啟示

筆者通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)對于DNA復制和PCR中的原料、能量、酶等條件的敘述，高等教育教材和高中教材存在高度差異，但同一學段的教材除了極少數(shù)差異之外又基本一致?？傮w表現(xiàn)為高中教材中的敘述相對模糊、籠統(tǒng)，高等教育教材的敘述更為翔實、精確。這一差異與不同學段學生的學習能力和學業(yè)需求的差異有直接關系，高中生的學習主要在于對基礎知識和基本事實的認知，而對于高等教育階段的學生需要更精細、準確的科學事實來促進個人的專業(yè)發(fā)展?；谶@一特點，為了避免增加學生的學業(yè)負擔，高中教師在教學時不需要過度展開和深入，但就教師本身而言，這樣具有爭議的問題應該要追本溯源，從根本上提高自己的專業(yè)知識和專業(yè)技能。以便在教學中既能做到不增加過多課外（超綱）知識，又能尊重科學事實。

2.1 教師專業(yè)化發(fā)展的兩大要素

教師的知識對于新時代教育來說，可能是陳舊過時的，也可能是有嚴重缺陷的，因此作為教師必須要有終身學習的觀念。另外，教師在教學過程中可能經(jīng)常發(fā)現(xiàn)與自己認知中不一樣的知識，這就需要教師具有思辨能力和學習能力，既不能一味以“書上說的”為準，也不能憑經(jīng)驗處理，更不應該放任不管。知識是在更新的，這就需要教師不斷地更新知識體系，提高學科專業(yè)能力。

近年來社會一直要求教師要加強自身的專業(yè)化發(fā)展，但不論是政策性的要求還是實踐中的學習，普遍是以“教育理論”“教育法規(guī)”和“教學技能”等形式進行的，嚴重缺少對學科專業(yè)知識和技能的學習和指導。教師專業(yè)化發(fā)展，首先要專業(yè)，然后才談發(fā)展，如果專業(yè)知識都不扎實，專業(yè)化發(fā)展就無從說起，所以教師的學科專業(yè)知識的學習也應該是終身的。

教師專業(yè)化發(fā)展應該是一個以學科專業(yè)成長為基礎，逐步提高教育技能的過程。學科專業(yè)知識是教師專業(yè)化發(fā)展的根本，專業(yè)型的教師不能只是會高談教育理論，而應該是能夠利用嫻熟的教育技能將自己的學科專業(yè)知識顯示出來。通俗地說，就像“茶壺煮餃子”，學科專業(yè)知識就是“餃子”，而教育教學技能就是把“餃子”倒出來的能力，二者均不可或缺。

2.2 生物教師的學科專業(yè)成長

生物學每年在學科領域的新發(fā)現(xiàn)、新進展都需要教師關注和學習，否則就會發(fā)現(xiàn)很多知識與自己想象中的不一樣，知識體系會落伍。

所以生物教師的學科專業(yè)成長必須做好兩件事：一是要不斷拓展學習專業(yè)領域的各分支學科及相關交叉學科，使自己的專業(yè)知識既有廣度也有深度；二是要不斷積累新興科技素材，讓自己的知識體系與科技前沿有所聯(lián)系，不至于一個人在死胡同里閉門造車。簡而言之，就是要多讀書，讀學科領域內(nèi)的各類書籍，也要讀科技論文。

作為中學生物教師，閱讀和學習的核心還是在于指導自己的教學工作，使自己的工作能得心應手，所以專業(yè)學習應該是有目標、有計劃地圍繞中學生物教學開展的，而不是上升到整個龐大的生物學領域。