基于模型建構(gòu)突破“PCR技術(shù)”教學(xué)難點(diǎn)的策略

何紅星

摘 要：本文通過(guò)PCR技術(shù)中變性、復(fù)性、延伸三個(gè)環(huán)節(jié)及其循環(huán)，應(yīng)用概念模型、物理模型及數(shù)學(xué)模型等方法構(gòu)建，將抽象微觀的知識(shí)通過(guò)親手構(gòu)建變成具體的模型，從而突破學(xué)習(xí)難點(diǎn).

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu);PCR技術(shù);變性;復(fù)性;延伸

PCR技術(shù)（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是高中生物人教版選修三基因工程中目的基因體外擴(kuò)增的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，在刑事偵破、古生物研究、基因序列分析、基因檢測(cè)等方面，只要提供微量的DNA分子就能通過(guò)PCR技術(shù)進(jìn)行體外擴(kuò)增，獲得大量的DNA分子，因此，應(yīng)用廣泛，為生物學(xué)命題提供大量的素材，更重要的是架起學(xué)生科學(xué)探究和理性思維的平臺(tái).學(xué)生已經(jīng)具備了DNA復(fù)制的相關(guān)知識(shí)，但在平時(shí)教學(xué)和學(xué)生訓(xùn)練中，對(duì)于PCR技術(shù)學(xué)習(xí)的深度和廣度把握不好，對(duì)引物設(shè)計(jì)理解不到位，學(xué)校缺乏相應(yīng)儀器，學(xué)生常常感

到PCR技術(shù)內(nèi)容抽象，給學(xué)習(xí)帶來(lái)一定的困難.

模型構(gòu)建是學(xué)習(xí)生物學(xué)的一種重要的科學(xué)方法，有利于學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，增加思維強(qiáng)度，延伸思維寬度，拓展思維深度，從而培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，提高學(xué)習(xí)效率.

1 應(yīng)用概念模型厘清概念

活動(dòng)1：建立思維導(dǎo)圖，梳理知識(shí)脈絡(luò)，引領(lǐng)學(xué)生對(duì)核心概念有序?qū)W習(xí).

2 物理模型體驗(yàn)PCR技術(shù)擴(kuò)增過(guò)程

活動(dòng)2：表1圖解為第一次循環(huán)結(jié)果，每?jī)扇艘唤M相互配合用卡紙剪出并用透明膠粘貼或根據(jù)引物、堿基互補(bǔ)關(guān)系畫(huà)出第一次循環(huán)，依次構(gòu)建第二次循環(huán)、第三次循環(huán)結(jié)果，構(gòu)建過(guò)程中任務(wù)驅(qū)動(dòng)思考下列問(wèn)題：

①為何要引物？（DNA聚合酶無(wú)法單獨(dú)開(kāi)始復(fù)制，即無(wú)法憑空開(kāi)始往模板上添加對(duì)應(yīng)的核苷酸，它必須有一段引物與模板形成雙鏈后在DNA聚合酶的作用下繼續(xù)鏈的延伸.

②觀察DNA雙鏈一條是5′ → 3′方向，另一條是3′→5′方向得出什么結(jié)論？（DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械模?/p>

③擴(kuò)增產(chǎn)物DNA片段和DNA復(fù)制是否完全相同，擴(kuò)增產(chǎn)物DNA片段是否等長(zhǎng)，至少循環(huán)幾次后出現(xiàn)等長(zhǎng)的DNA片段.

④例如DNA模板鏈片段5′ATTGGCTAG-3′3′TAACCGATC-5′，DNA聚合酶只能從5′→ 3′方向延伸合成互補(bǔ)鏈（對(duì)應(yīng)模板3′→5′方向），有上下兩個(gè)引物相對(duì)而行的， 引物 DNA序列是按模板設(shè)計(jì)互補(bǔ)的寡核苷酸鏈，且引物 DNA序列一般很少和模板最端部堿基配對(duì)，假設(shè)引物1堿基TG對(duì)應(yīng)模板AC，引物2堿基TA對(duì)應(yīng)模板AT，讓學(xué)生根據(jù)模板鏈和引物關(guān)系依次構(gòu)建3～4次循環(huán)相關(guān)的DNA序列.

3 數(shù)學(xué)模型

活動(dòng)3：模擬建構(gòu)過(guò)程，歸納推理得出N次循環(huán)后含有引物1和引物2的DNA分子數(shù)均為2n-1;既含有引物A又含有引物B的DNA分子數(shù)為2n-2;擴(kuò)增N次后DNA分子片段類(lèi)型歸納：如圖3出現(xiàn)五種類(lèi)型（類(lèi)型1：只含引物1，兩鏈不等長(zhǎng)既引物1延伸與母鏈互補(bǔ)無(wú)論循環(huán)多少次，始終只有1條;類(lèi)型2：只含引物2，兩鏈不等長(zhǎng)，既引物2延伸與母鏈互補(bǔ)，無(wú)論循環(huán)多少次始終也只有1條;類(lèi)型3：既含有引物1又含有引物2，含引物1鏈較含引物2鏈長(zhǎng)，N次循環(huán)后有N-1條;類(lèi)型4：既含有引物1又含有引物2，含引物2鏈較含引物1鏈長(zhǎng)，N次循環(huán)后也是有N-1條;類(lèi)型5：既含有引物1又含有引物2，兩鏈等長(zhǎng)，N次循環(huán)后有2n-2n條.

結(jié)合物理模型分析可知，DNA復(fù)制結(jié)果一般形成等長(zhǎng)的DNA，復(fù)制結(jié)果DNA類(lèi)型只有一種，PCR技術(shù)一般要到第三輪才出現(xiàn)等長(zhǎng)的DNA，如果引物也從最端部開(kāi)始，則DNA類(lèi)型也只有一種.

4 拓展延伸：電泳DNA測(cè)序模型

循環(huán)產(chǎn)物也可以用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA類(lèi)型，不同DNA有自己相應(yīng)的條帶，不同大小的DNA有不同位置，越靠前的電泳速度快，通過(guò)比較，可進(jìn)行基因診斷、結(jié)合遺傳圖譜分析DNA親緣關(guān)系等遺傳學(xué)命題的熱點(diǎn).

5 課后提升：動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)

學(xué)生繼續(xù)查閱PCR技術(shù)相關(guān)資料（包括發(fā)展史、引物設(shè)計(jì)、熱穩(wěn)定性聚合酶作用機(jī)理），觀看PCR技術(shù)視頻，網(wǎng)上查閱電子、機(jī)械制作原理，結(jié)合科技創(chuàng)新活動(dòng)，嘗試動(dòng)手設(shè)計(jì)制作PCR動(dòng)態(tài)模型，學(xué)生在課外科技活動(dòng)中熱情高，學(xué)習(xí)生物學(xué)興趣深厚，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、尊重科學(xué)，體驗(yàn)科技探究過(guò)程，享受創(chuàng)新成果.

通過(guò)模型建構(gòu)，學(xué)生親身體會(huì)知識(shí)形成，加強(qiáng)了學(xué)生的思維訓(xùn)練，讓學(xué)生頭腦動(dòng)起來(lái)，巧手動(dòng)起來(lái)，課堂氣氛活起來(lái)，真正感知科學(xué)本質(zhì)，踐行核心素養(yǎng)的生命觀點(diǎn)、科學(xué)探究和理性思維，對(duì)微觀生命理解更加深刻透徹.

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（收稿日期：2019-04-02）