高成

摘 ? ?要：科學(xué)探究要求學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)生活中的科學(xué)問題，并進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施和結(jié)果交流討論，是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑。在“DNA的PCR擴增”一節(jié)的實驗教學(xué)中，通過對“鑒定古墓骨骼樣本的性別”問題創(chuàng)設(shè)真實情境，引導(dǎo)學(xué)生進行資料分析，逐步剖析PCR擴增過程中模板來源、反應(yīng)體系、反應(yīng)條件等內(nèi)容，并自主設(shè)計實驗，能有效發(fā)展學(xué)生的理性思維，幫助其構(gòu)建知識體系。

關(guān)鍵詞：DNA的PCR擴增;科學(xué)探究

蘇霍姆林斯基說：“人的心靈深處有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者、研究者、探究者?！笨茖W(xué)探究要求學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)生活中的科學(xué)問題，并進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施和結(jié)果交流討論[1]。在科學(xué)探究的過程中，學(xué)生可以親歷科學(xué)事實的發(fā)現(xiàn)過程，掌握科學(xué)探究的基本方法和技能，主動進行意義建構(gòu)，完善知識網(wǎng)絡(luò)，拓展思維深度和廣度。因而，科學(xué)探究被認(rèn)為是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑[2]。

PCR技術(shù)（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是利用DNA聚合酶在體外進行DNA復(fù)制的過程。所涉及的反應(yīng)過程都是微觀的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生沒有直觀認(rèn)識，也難以理解其在疾病診斷、醫(yī)學(xué)鑒定、科學(xué)研究等方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。在以往的教學(xué)過程中，這部分內(nèi)容往往采用的是理論講解或者觀看動畫等方式，學(xué)生缺乏真實體驗，學(xué)習(xí)效率不高。隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，PCR技術(shù)早已不是什么高深的實驗內(nèi)容。在杭州的普通高中實驗室中，已經(jīng)配備了PCR儀等相關(guān)的實驗器材。因此，如何挖掘科學(xué)問題，設(shè)置學(xué)生可操作、能探究、有意義的PCR實驗情境，是提高儀器利用率，構(gòu)建高效生物課堂的關(guān)鍵。

在浙科版普通高中教科書《生物學(xué)》選擇性必修3《生物技術(shù)與工程》第四章《基因工程》第一節(jié)第二個“活動”——“PCR擴增DNA片段及凝膠電泳鑒定”的教學(xué)活動中，筆者先讓學(xué)生通過閱讀背景資料，逐步發(fā)現(xiàn)并提出問題“如何鑒定未知骨骼樣本的性別”，以此創(chuàng)設(shè)真實的情境。接著以解決真實情境問題為導(dǎo)向，借助合適的學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生主動運用科學(xué)思維，通過小組匯報等形式，共享學(xué)習(xí)成果，逐步剖析PCR擴增過程中模板來源、反應(yīng)體系、反應(yīng)條件等內(nèi)容，發(fā)展理性思維，自主構(gòu)建知識體系。學(xué)生借助實驗操作手冊和產(chǎn)品使用說明書，自主設(shè)計實驗，以口腔上皮細(xì)胞等簡單有效的實驗材料完成實驗，既在學(xué)中做，又在做中學(xué)，解決問題，并學(xué)以致用，加深對PCR技術(shù)的理解，提升應(yīng)用知識的能力，體會PCR技術(shù)在生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用。

一、創(chuàng)設(shè)真實情境，導(dǎo)出科學(xué)問題

PCR技術(shù)在古生物研究、基因檢測、刑事偵破、疾病診療等方面有廣泛應(yīng)用，這為生物課堂創(chuàng)設(shè)真實問題情境提供了大量的素材。例如，在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，可以采用對曹操墓進行考古挖掘的相關(guān)新聞報道為例導(dǎo)入新課，提出問題：“考古人員在古墓中發(fā)現(xiàn)了一塊骨骼殘骸，你有什么辦法可以確定該遺骸的性別？”學(xué)生閱讀筆者提供的資料，分析推理得出：可以通過觀察樣本中是否含有Y染色體的特有基因DYZ1來判斷。DYZ1基因，位于人類的Y染色體上，其特異序列長度為154bp，拷貝數(shù)為3000～5000。由于其拷貝數(shù)多，特異性好，被廣泛用于性別鑒定。

從真實案例出發(fā)，可快速將學(xué)生帶入問題情境，引導(dǎo)學(xué)生明確探究活動的目的和意義，讓學(xué)生對本節(jié)實驗課內(nèi)容產(chǎn)生期待并激發(fā)學(xué)習(xí)欲望。但從骨骼殘骸中提取到的DNA的量非常少，怎樣檢驗其是否含有154bp的DYZ1基因片段呢？筆者指導(dǎo)學(xué)生閱讀資料學(xué)習(xí)DNA瓊脂糖凝膠電泳的基本原理和方法（如圖1），然后嘗試使用課前準(zhǔn)備好的DNA樣本進行瓊脂糖凝膠電泳，電泳需要30分鐘左右。在這個等待過程中，筆者安排后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

基本原理及相關(guān)問題

筆者給出一個電泳結(jié)果圖，并提出問題串：1.第一泳道中加入標(biāo)準(zhǔn)DNA的作用是什么？2.第二泳道的DNA片段大小是多少？3.觀察到的DNA條帶是一個DNA分子嗎……以此鞏固并深化學(xué)生對DNA瓊脂糖凝膠電泳的掌握。在學(xué)生掌握了DNA瓊脂糖凝膠電泳的原理后，筆者將探究任務(wù)明確為：如何從微量DNA中精確獲得大量的DYZ1基因片段？

二、理論實踐結(jié)合，嘗試科學(xué)探究

學(xué)生在普通高中教科書《生物學(xué)》必修2模塊中已經(jīng)學(xué)習(xí)過DNA的復(fù)制過程，為學(xué)習(xí)DNA的體外擴增打下了堅實的基礎(chǔ)。學(xué)生通過類比分析，結(jié)合相關(guān)閱讀資料，能夠根據(jù)PCR技術(shù)的基本原理，得出PCR反應(yīng)需要模板、原料、DNA聚合酶等成分。

通過小組合作學(xué)習(xí)PCR試劑使用說明書，學(xué)生可以依葫蘆畫瓢，設(shè)計配置PCR反應(yīng)體系的方法。為方便實驗操作，筆者推薦學(xué)生使用2X PCR mix試劑，它含有耐高溫的taq酶（DNA聚合酶）、dNTP、PCR 反應(yīng)所需的緩沖液等，只需加入適量引物和模板，即可進行PCR擴增（見表1）。

由于PCR反應(yīng)非常靈敏，可以擴增目的基因序列超過1000萬倍，在使用時應(yīng)注意避免微量待擴增DNA的污染，并盡量考慮設(shè)置不加模板的空白對照，以確認(rèn)是否有待擴增DNA的污染。筆者設(shè)計表格（見表2）引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)置空白對照、陽性對照和陰性對照。

學(xué)生分小組進行實驗操作，提取男性和女性的口腔上皮細(xì)胞DNA粗提取物，作為對照組的模板，進行PCR擴增。口腔上皮細(xì)胞DNA粗提取液（模板）的制備方法如下：1.取檢材前，用涼開水漱凈，去除口腔內(nèi)的食物殘渣;2.用無菌的牙簽在口腔兩側(cè)頰部輕輕刮動數(shù)次，獲得口腔上皮細(xì)胞;3.將牙簽放入300μL裂解液中，反復(fù)攪動幾次，再將細(xì)胞洗下即可。陽性對照和陰性對照的DNA模板獲取方法簡單易行，可由學(xué)生自主探究總結(jié)。如此，可以使學(xué)生對實驗結(jié)果產(chǎn)生認(rèn)同感，有效激發(fā)學(xué)生的探究興趣。各小組同時按照設(shè)計好的PCR反應(yīng)體系和實驗分組（見表1、2），配制反應(yīng)液，在實驗探究中解決問題。

三、探究結(jié)果分享，知識遷移拓展

各小組將配制好的PCR反應(yīng)液放入PCR儀中進行反應(yīng)。傳統(tǒng)手動PCR儀有95℃、55℃和72℃三個不同溫度池，分別對應(yīng)變性、退火和延伸三步，學(xué)生能較為直觀地體驗PCR儀的工作原理，但這類PCR儀使用費時費力，而且效果不佳?，F(xiàn)在實驗室配備的PCR儀一般都是全自動PCR儀，僅需設(shè)置儀器參數(shù)，方便高效，缺點是學(xué)生難以對變性、退火和延伸三步反應(yīng)的本質(zhì)即“溫度變化”產(chǎn)生直觀體驗。對比兩類PCR儀的使用方法，可讓學(xué)生體會到技術(shù)進步能推動科學(xué)發(fā)展。教師可讓學(xué)生體驗PCR儀程序設(shè)置過程，再結(jié)合教學(xué)視頻講解PCR擴增的基本步驟，以使學(xué)生了解PCR儀的基本工作原理，明確變性、退火、延伸三步的作用，理解PCR擴增能以指數(shù)的形式大量擴增DNA的原理。

最后，筆者引導(dǎo)學(xué)生觀察課前制備的樣本的DNA瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果，判斷未知樣本的性別，實現(xiàn)問題的解決，完成科學(xué)探究過程（如圖2）。筆者適時總結(jié)PCR技術(shù)的基本原理和特點，介紹其在科學(xué)研究和疾病診斷等方面的重要作用，以及其在非法性別鑒定中的作用，讓學(xué)生認(rèn)識到科技是一把雙刃劍，并提示學(xué)生對任何科學(xué)技術(shù)都要理性科學(xué)地使用。

在本實驗教學(xué)過程中，筆者以解決性別鑒定的問題為核心，通過材料閱讀和實驗設(shè)計等環(huán)節(jié)幫助學(xué)生完成實驗探究。在具體操作中，又將PCR過程分解為DNA檢測、PCR反應(yīng)體系配制、PCR儀操作等部分，并將PCR技術(shù)基本原理和基本操作過程以問題串的形式呈現(xiàn)出來。學(xué)生則通過材料閱讀、小組匯報、小組實驗等環(huán)節(jié)，獲取信息、理性思考，并在同伴分享中提升對知識的理解。課堂上，筆者利用小組匯報、分享、交流等教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷將學(xué)習(xí)推向深入。

以科學(xué)探究為主體的教學(xué)活動，能夠讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的探索中，發(fā)現(xiàn)生活中有意義的問題，并促使學(xué)生主動生成相關(guān)知識體系。在開展教學(xué)活動的過程中，教師應(yīng)當(dāng)充分考慮學(xué)情，靈活運用多種教學(xué)組織方式，改進并拓展教材實驗，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，給學(xué)生提供足夠的探究活動，構(gòu)建高效的生物課堂，以實現(xiàn)“學(xué)中做”和“做中學(xué)”，幫助學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]楊銘，劉恩山.生物學(xué)核心素養(yǎng)視角下的科學(xué)探究[J].生物學(xué)通報，2017（9）：12.