類比思維下“PCR擴(kuò)增DNA片段及凝膠電泳鑒定”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織

孫寶山　林偉　周業(yè)宇

摘要 運(yùn)用“類比思維”的邏輯思維方法對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程和PCR擴(kuò)增過(guò)程、光合色素分離與瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)進(jìn)行類比，提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 類比思維 科學(xué)思維 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)C633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 設(shè)計(jì)思想

類比是指根據(jù)兩個(gè)研究對(duì)象的相同或相似方面，來(lái)推斷它們?cè)谄渌矫嬉恢滦缘囊环N思維方法和推理形式，是科學(xué)思維的重要組成部分。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)中逐步發(fā)展科學(xué)思維，能基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)采用演繹與推理的方法，說(shuō)明生物工程與技術(shù)的原理及其與社會(huì)之間的關(guān)系。本課主要通過(guò)對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程和PCR擴(kuò)增過(guò)程、光合色素分離實(shí)驗(yàn)原理與瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)原理等類比，推理建構(gòu)PCR擴(kuò)增體系，理解物質(zhì)分離的原理，并認(rèn)識(shí)分子篩效應(yīng)和電荷效應(yīng)。

2 教學(xué)背景分析

本節(jié)課選自浙科版選擇性必修模塊3《生物技術(shù)與工程》，學(xué)習(xí)對(duì)象是高三年級(jí)學(xué)生。學(xué)生能夠概述DNA分子的構(gòu)成、雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制方式和條件，認(rèn)同化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)和能量守恒規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)操作的順利開(kāi)展和學(xué)習(xí)目標(biāo)的完成奠定了良好的基礎(chǔ)。另一方面，部分學(xué)生存在著DNA分子基本單位是核糖核苷酸、DNA分子復(fù)制是分段復(fù)制、DNA復(fù)制中只有DNA聚合酶參與等錯(cuò)誤的認(rèn)知，給學(xué)習(xí)目標(biāo)的完成帶來(lái)干擾。

3 學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過(guò)細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程和PCR過(guò)程的比較，從物質(zhì)和能量觀角度，運(yùn)用類比思維闡述PCR擴(kuò)增體系的物質(zhì)和條件。

通過(guò)比較光合色素提取分離實(shí)驗(yàn)和瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用類比推理、批判性思維，解釋在電場(chǎng)中不同大小DNA分子分離的原因。

在小組交流和實(shí)驗(yàn)操作活動(dòng)中，小組內(nèi)成員主動(dòng)合作，交流和討論，預(yù)測(cè)瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析異常結(jié)果出現(xiàn)的原因。

通過(guò)PCR技術(shù)應(yīng)用案例的討論，在科技造福于人類的態(tài)度和價(jià)值觀下，形成運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)解決社會(huì)問(wèn)題的責(zé)任意識(shí)和敬畏生命的觀念。

4 教學(xué)準(zhǔn)備

全班學(xué)生分為A1（實(shí)驗(yàn)組）、B1（對(duì)照組）、C1（Marker組）、C2（Marker組）共4個(gè)小組，選出小組長(zhǎng)。在小組活動(dòng)時(shí)，字母相同的兩個(gè)小組的活動(dòng)任務(wù)相同。課前各組學(xué)生完成預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)方案材料提綱，自學(xué)實(shí)驗(yàn)操作微課視頻。小組長(zhǎng)課前th到實(shí)驗(yàn)室配置預(yù)混液和制膠。

5 教學(xué)過(guò)程

5.1 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

教師創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題：新型冠狀病毒是一種RNA病毒，RNA結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，人們檢測(cè)新冠病毒時(shí)需首先將RNA逆轉(zhuǎn)錄為穩(wěn)定的DNA進(jìn)行測(cè)序檢測(cè)，但逆轉(zhuǎn)錄出的DNA含量極其微量。如何用生物技術(shù)和工程的方法，獲取大量具有相同遺傳信息的病毒DNA？

學(xué)生自由發(fā)言，思考解決病毒基因的擴(kuò)增和分離問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用社會(huì)熱點(diǎn)事件創(chuàng)設(shè)類比聯(lián)想的問(wèn)題情境，將情境中隱含的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)變成科學(xué)問(wèn)題。

5.2 任務(wù)1：PCR擴(kuò)增DNA片段及凝膠電泳鑒定課堂實(shí)驗(yàn)操作

學(xué)生根據(jù)課前任務(wù)分組和課前微課學(xué)習(xí)，按照實(shí)驗(yàn)操作流程（表1）進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐。

（1）實(shí)施PCR擴(kuò)增（操作時(shí)間10 min，等待時(shí)間25 min）。學(xué)生根據(jù)反應(yīng)體系在離心管中加入相應(yīng)物質(zhì)后，將離心管放入PCR儀中按照設(shè)定程序進(jìn)行擴(kuò)增。A1、B1組每位學(xué)生分別用移液器取20 μL的預(yù)混液加入微量PCR管中。將離心管放入PCR儀中，記號(hào)筆標(biāo)記后，按照設(shè)定程序進(jìn)行擴(kuò)增。

（2）實(shí)施瓊脂糖凝膠電泳（操作時(shí)間10 min，等待時(shí)間25 min）。分別加入不同樣品進(jìn)行點(diǎn)樣，并放入水平電泳槽中進(jìn)行電泳。CI、C2組學(xué)生在一次性手套上分別滴上4滴10 μL上樣緩沖液，分別加入2μL樣品（實(shí)驗(yàn)組2滴、對(duì)照組2滴）混勻，點(diǎn)樣，最后分別加入7 μL 2 000 bp Marker和7μL 5 000 bp Marker。調(diào)節(jié)電壓120V，時(shí)間25 min進(jìn)行電泳。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生以小組為單位操作，小組內(nèi)成員根據(jù)課前設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，在小組長(zhǎng)的指導(dǎo)下，使用微量移液器、PCR儀、瓊脂糖凝膠電泳儀等設(shè)備，互學(xué)合作完成實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)工具使用、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)等科學(xué)探究能力。學(xué)生在等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，建構(gòu)PCR擴(kuò)增體系。

5.3 任務(wù)2：建構(gòu)PCR擴(kuò)增的實(shí)驗(yàn)體系

學(xué)生閱讀教材和教師提供材料，運(yùn)用類比思維，思考PCR擴(kuò)增的條件和原料，解決以下問(wèn)題：

①細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制的條件和原料是什么？

②PCR過(guò)程中的條件和原料是什么？

學(xué)生代表板書(shū)出DNA復(fù)制的相關(guān)條件，其余學(xué)生在學(xué)案上完成，寫(xiě)出模板DNA、四種脫氧核苷酸作為原料、DNA聚合酶、解旋酶和引物、ATP等。接著，學(xué)生交流討論，比較DNA復(fù)制和PCR過(guò)程的異同，解決以下問(wèn)題：

①DNA復(fù)制和PCR擴(kuò)增的模板DNA是一樣的嗎？有什么區(qū)別呢？

②整條DNA分子和DNA片段在復(fù)制上會(huì)有什么區(qū)別和影響呢？氫鍵如何打開(kāi)？

③在PCR擴(kuò)增時(shí)需要加入解旋酶打開(kāi)DNA雙鏈嗎？為什么？

④高溫下DNA聚合酶變性，如何讓擴(kuò)增過(guò)程變得可持續(xù)？

⑤如何解決這一問(wèn)題呢？在哪里尋找含有耐高溫的DNA聚合酶？

然后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考PCR過(guò)程的能量供應(yīng)，回答以下問(wèn)題：

①PCR過(guò)程的能量從哪里來(lái)？

②高溫確實(shí)可以提供能量，但這只能給氫鍵斷裂提供能量。形成磷酸二酯鍵需要的能量來(lái)自哪里？

③體內(nèi)DNA復(fù)制誰(shuí)提供磷酸二酯鍵形成的能量來(lái)自哪里？

④為什么ATP能夠提供能量？

⑤是高能磷酸鍵斷裂提供能量，PCR體系中為什么沒(méi)有加入ATP了嗎？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生類比細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制和體外PCR擴(kuò)增的過(guò)程，從PCR擴(kuò)增的模板、酶、原料和能量的角度聯(lián)想，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模型和建模、類比推理的思維方式，推理出PCR擴(kuò)增的條件和原理，建構(gòu)出PCR擴(kuò)增體系，從而培養(yǎng)學(xué)生的模型和建模、演繹和推理、批判性思維等一系列科學(xué)思維的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。另一方面，部分學(xué)生認(rèn)為PCR體系中DNA擴(kuò)增的能量來(lái)源于加熱，因此教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)dNTP和ArIP的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比，推理出dNTP（四種三磷酸脫氧核苷酸）中含有高能磷酸鍵斷裂提供能量，斷裂后作為DNA合成的原料，幫助學(xué)生形成物質(zhì)與能量觀。

5.4任務(wù)3：PCR原理的展示與評(píng)價(jià)

學(xué)生觀看PCR過(guò)程視頻，解說(shuō)關(guān)鍵過(guò)程，解決以下問(wèn)題：

①體內(nèi)DNA復(fù)制需要引物嗎？

②設(shè)計(jì)的引物在DNA上位置距離較近，對(duì)擴(kuò)增出的DNA有什么影響？

③根據(jù)以上的原理，引物設(shè)計(jì)時(shí)需要注意哪些問(wèn)題？

學(xué)生自由發(fā)言，通過(guò)DNA復(fù)制和PCR過(guò)程進(jìn)行類比，認(rèn)識(shí)到PCR擴(kuò)增的特殊性和相似性，發(fā)現(xiàn)并解決引物設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題，從而認(rèn)同科學(xué)家正是對(duì)體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程的模仿，發(fā)明了具有劃時(shí)代意義的聚合酶鏈反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)學(xué)生解說(shuō)PCR擴(kuò)增視頻，評(píng)價(jià)課堂學(xué)習(xí)效果，體現(xiàn)出“教學(xué)評(píng)”的一致性。在解說(shuō)中的生生、師生互動(dòng)，生成問(wèn)題，在類比的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，歸納出PCR過(guò)程的特點(diǎn)是便捷、快速和靈敏。

5.5任務(wù)4：理解瓊脂糖凝膠電泳原理，預(yù)測(cè)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶光合色素提取和分離實(shí)驗(yàn)，比較光合色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)和瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)的異同，思考以下問(wèn)題：

①不同大小DNA分子可以利用溶解度不同進(jìn)行分離嗎？

②DNA有哪些特性有助于對(duì)其進(jìn)行分離？什么方法可以實(shí)現(xiàn)分離？

③電泳時(shí)選用的介質(zhì)是什么？為什么選擇瓊脂糖凝膠作為介質(zhì)呢？

④電泳時(shí)除了加入凝膠，還加入了什么物質(zhì)？

⑤電泳緩沖液有什么作用？

學(xué)生自由發(fā)言，類比光合色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)和瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，結(jié)合兩者的相似性和特殊性，認(rèn)識(shí)到瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)的原理是分子篩效應(yīng)和電荷效應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比和推理的思維方式，比較光合色素的提取和分離與瓊脂糖凝膠電泳原理的差異，歸納出瓊脂糖凝膠電泳的原理和操作原因。

接著，小組討論，預(yù)測(cè)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由小組組長(zhǎng)組織，在實(shí)驗(yàn)方案中畫(huà)出預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并選擇一人匯報(bào)討論結(jié)果。電泳組CI和電泳組C2兩位學(xué)生將電泳膠放入DNA圖譜觀察儀器中，利用同屏技術(shù)在展示瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果。

各小組比較預(yù)期結(jié)果與實(shí)際電泳條帶差異，分析異?，F(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并解決以下問(wèn)題：

①DNA分子為什么需要放入DNA圖譜觀察儀器中觀察？

②如何知道PCR擴(kuò)增后的分離的DNA片段的長(zhǎng)度？

③如果希望知道PCR擴(kuò)增出的DNA含量，可以通過(guò)什么辦法？

部分學(xué)生指出肉眼下難以觀察到DNA分子。教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)前加入的Red 4S 2.5 μL熒光染料，認(rèn)識(shí)到在紫外光下能激發(fā)出熒光。學(xué)生觀察Marker條帶，思考認(rèn)識(shí)到的Marker的作用。

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)習(xí)小組組長(zhǎng)的組織下，組內(nèi)成員討論交流，畫(huà)出預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在正常結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的對(duì)比中，思考異常結(jié)果出現(xiàn)的原因和實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方向。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)，提高實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)能力，并在組內(nèi)成員的討論交流中，學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)闡明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，形成主動(dòng)合作意識(shí);針對(duì)電泳出現(xiàn)的異常結(jié)果的分析和討論中，提高問(wèn)題解決能力，逐步增強(qiáng)對(duì)科學(xué)探究的好奇心和求知欲。

5.6任務(wù)5：實(shí)驗(yàn)的拓展與應(yīng)用

學(xué)生舉例說(shuō)明PCR技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。師生共同交流，思考PCR技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例：化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點(diǎn)的DNA，就能用PCR加以放大，進(jìn)行比對(duì)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)PCR技術(shù)應(yīng)用的案例的探討，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到科技能夠造福于人類的態(tài)度和價(jià)值觀，形成運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)解決社會(huì)問(wèn)題的意識(shí)。

在本課的教學(xué)組織中，由于DNA分子和PCR過(guò)程微觀和動(dòng)態(tài)，而類比推理屬于合情推理，結(jié)論的正確與否與類比對(duì)象的屬性的認(rèn)識(shí)程度密切相關(guān)。因此，教師在教學(xué)中提供了豐富的案例事實(shí)作為支撐，盡量引導(dǎo)學(xué)生利用圖形、微課和視頻等直觀材料輔助教學(xué)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，實(shí)證得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幫助學(xué)生克服對(duì)抽象過(guò)程認(rèn)識(shí)的困難，對(duì)類比對(duì)象屬性的認(rèn)識(shí)更為科學(xué)全面。在高中生物教學(xué)中，很多概念與知識(shí)點(diǎn)十分龐雜和瑣碎，概念與概念之間如果缺乏有效的銜接，學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶的難度將大大增加。類比思維的運(yùn)用可有效幫助學(xué)生能發(fā)現(xiàn)類比對(duì)象與學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的共性、差異和特殊性，啟發(fā)學(xué)生的思維，使生物概念間建立起高效的網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)系。

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