“從DNA復(fù)制到PCR技術(shù)”教學(xué)設(shè)計

程偉

◆摘 要：《2019年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱·生物》中，將選修3中“基因工程的原理及技術(shù)”調(diào)整為“基因工程的原理及技術(shù)（含PCR技術(shù)）。以DNA復(fù)制為基礎(chǔ)，引入PCR技術(shù)教學(xué)，在教學(xué)過程中注重科學(xué)史教學(xué)，最終學(xué)生能夠清楚PCR技術(shù)概念和過程。

◆關(guān)鍵詞：DNA復(fù)制；PCR；科學(xué)史

一、教材分析

在人教版高中生物教材中，PCR技術(shù)是在選修1和選修3中都有涉及的內(nèi)容。PCR技術(shù)是基因工程中一項重要的技術(shù)。本節(jié)課介紹PCR技術(shù)發(fā)現(xiàn)史、揭示PCR技術(shù)原理、介紹PCR技術(shù)應(yīng)用。其中，PCR技術(shù)發(fā)展史對培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)有重要意義。學(xué)生從穆利斯的成功中體會到科學(xué)研究不僅要用于思考，更要大膽嘗試。通過學(xué)習(xí)PCR發(fā)現(xiàn)史，有助于學(xué)生認(rèn)識PCR技術(shù)研發(fā)并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，推動社會進步是很多科學(xué)家和技術(shù)人員艱苦努力的結(jié)果。

二、學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制過程，能夠說出DNA復(fù)制的條件和特點，這就為PCR技術(shù)的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。學(xué)生通過類比分析法能夠推測出體外擴增需要模板、原料、聚合酶、以及基本過程等；另外學(xué)生通過各種媒體接觸一些有關(guān)DNA鑒定等事例，但不知其原理和技術(shù)方法。所以，學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容有一定的學(xué)習(xí)期待和熱情；以往的學(xué)習(xí)實踐表明，恰當(dāng)?shù)剡\用科學(xué)發(fā)現(xiàn)史，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的價值觀。

三、教學(xué)目標(biāo)

生命觀念目標(biāo)：知道PCR技術(shù)發(fā)展的大體過程，說出PCR技術(shù)的基本原理要點，反應(yīng)體系和循環(huán)過程。

科學(xué)思維目標(biāo)：以體內(nèi)DNA復(fù)制為參照，用類比法推斷PCR技術(shù)的原理和過程，提高科學(xué)思維能力。

科學(xué)探究目標(biāo)：分析、討論、交流PCR技術(shù)發(fā)展史料，提高獲取有關(guān)知識和處理信息的能力；領(lǐng)悟PCR技術(shù)的應(yīng)用要點，通過知識遷移對來自社會生活的有關(guān)新問題做出嘗試性解釋。

社會責(zé)任目標(biāo)：關(guān)注PCR技術(shù)在法醫(yī)、醫(yī)療等多個方面的應(yīng)用，感悟PCR技術(shù)推動社會的進步。

四、教學(xué)重點和難點

“PCR技術(shù)”科學(xué)史的教學(xué)。

五、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師活動：展示犯罪現(xiàn)場的假設(shè)情景，如何將嫌疑人所留下的少量的血跡中的DNA進行擴增？引出問題：DNA在體內(nèi)可以復(fù)制，那么我們在體外可以將DNA進行擴增嗎？

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生興趣。聯(lián)系前位知識，引發(fā)學(xué)生思考。

（二）探究“體外擴增DNA”條件

活動一：PPT展示DNA復(fù)制的圖片，學(xué)生回憶DNA復(fù)制所需的條件，引導(dǎo)學(xué)生推測“體外DNA復(fù)制”的條件。

設(shè)計意圖：學(xué)生在必修2中已經(jīng)學(xué)習(xí)過“DNA復(fù)制”的相關(guān)知識，此時學(xué)生可以運用類比推理推測“體外DNA復(fù)制”的條件，從而提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。學(xué)生產(chǎn)生疑問：①如何進行解旋？②引物怎么合成呢？

（三）“PCR技術(shù)”科學(xué)史教學(xué)

活動二：教師展示：資料1：1957年科恩伯格因發(fā)現(xiàn)并提取大腸桿菌DNA聚合酶（最適溫度為37℃）時，曾探討此酶在體外進行DNA復(fù)制的可能性，因此獲得1959年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。

資料3：印度裔美國科學(xué)家科拉納在1971年提出體外擴增DNA的新想法：他認(rèn)為可以通過DNA的變性，與合適的引物進行雜交，然后用DNA聚合酶來延伸引物，同時通過不停地循環(huán)進行該過程來擴增DNA。但是只是一個大膽的設(shè)想，并不能付諸實踐。

提出問題：同學(xué)們想一想，為什么這個設(shè)想不能付諸實踐？

活動三：資料3：取得突破性進展的穆利斯。展示讓穆利斯得到靈感的高速公路照片，并描述當(dāng)時的情景，1983年一個周末晚上，穆利斯帶著女友開車回家，加州公路上兩排路燈和相對行駛的車輛讓他感到似曾相識。

穆利斯想到了什么呢？啟發(fā)學(xué)生結(jié)合DNA復(fù)制方式與公路上車輛相對行駛的情景進行聯(lián)想。

教師結(jié)合圖示向?qū)W生介紹最初的PCR設(shè)想，并介紹才木等為PCR技術(shù)日趨成熟所做的貢獻。

活動四：引導(dǎo)學(xué)生思考：高溫使DNA雙鏈分開時，會破壞哪種生物大分子？

帶領(lǐng)學(xué)生分析：從大腸桿菌中提取的DNA聚合酶在高溫下易失活，使得DNA每次復(fù)制都需要加入新酶。結(jié)果不僅操作復(fù)雜，而且價格非常昂貴。那么我們應(yīng)該找一種具有什么特性的酶呢？

教師展示黃石熱泉生態(tài)系統(tǒng)圖并講述Taq酶發(fā)現(xiàn)史。

設(shè)計意圖：通過展示科學(xué)史資料，學(xué)生了解“PCR技術(shù)”誕生的基礎(chǔ)。并且隨著科學(xué)發(fā)展的道路，不斷提出疑問，提升學(xué)生的科學(xué)探究精神。

（四）“PCR技術(shù)”概念的構(gòu)建

活動五：啟發(fā)學(xué)生根據(jù)PCR技術(shù)科學(xué)史，猜想PCR反應(yīng)過程的大體步驟。播放“PCR原理”錄像，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建PCR過程概念圖。

設(shè)計意圖：“PCR技術(shù)”比較抽象，容易與生活脫節(jié)。學(xué)生通過觀看錄像和構(gòu)建圖示，可以更加直觀地感受整個過程，符合建構(gòu)主義所提倡的讓學(xué)生成為信息加工的主體、知識意義的主動構(gòu)建者的理念。

（五）“PCR技術(shù)”發(fā)現(xiàn)史感悟

活動六：①1993年，穆利斯因發(fā)明PCR獨享諾貝爾化學(xué)獎。PCR的原理很簡單，為什么穆利斯之前的科學(xué)家沒有嘗試？②從PCR概念生成到技術(shù)應(yīng)用之前，僅穆利斯一個人就能完成嗎？

教師逐步展示資料：1971年在科拉納的實驗室工作的科學(xué)家Kleppe發(fā)表的文章中提到：用2個引物和多次循環(huán)可得到大量目的產(chǎn)物，但沒有進一步嘗試和記載。

設(shè)計意圖：認(rèn)同科學(xué)研究需要勇于思考、大膽嘗試；認(rèn)同由揭示科學(xué)概念到技術(shù)應(yīng)用，是很多科學(xué)家艱苦努力的結(jié)果；認(rèn)同PCR技術(shù)研發(fā)并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，推動了社會進步。

（六）“PCR技術(shù)”的應(yīng)用”

活動七：教師介紹PCR在法醫(yī)、親子鑒定、分析遠(yuǎn)古DNA、醫(yī)療上的應(yīng)用，促使學(xué)生認(rèn)同生物科學(xué)技術(shù)的價值。