基于模型建構突破“PCR技術”教學難點的策略

何紅星

摘 要：本文通過PCR技術中變性、復性、延伸三個環節及其循環，應用概念模型、物理模型及數學模型等方法構建，將抽象微觀的知識通過親手構建變成具體的模型，從而突破學習難點.

關鍵詞：模型建構;PCR技術;變性;復性;延伸

PCR技術（聚合酶鏈式反應）是高中生物人教版選修三基因工程中目的基因體外擴增的重要學習內容，在刑事偵破、古生物研究、基因序列分析、基因檢測等方面，只要提供微量的DNA分子就能通過PCR技術進行體外擴增，獲得大量的DNA分子，因此，應用廣泛，為生物學命題提供大量的素材，更重要的是架起學生科學探究和理性思維的平臺.學生已經具備了DNA復制的相關知識，但在平時教學和學生訓練中，對于PCR技術學習的深度和廣度把握不好，對引物設計理解不到位，學校缺乏相應儀器，學生常常感

到PCR技術內容抽象，給學習帶來一定的困難.

模型構建是學習生物學的一種重要的科學方法，有利于學生主動學習，體驗科學探究過程，增加思維強度，延伸思維寬度，拓展思維深度，從而培養學生的理性思維，提高學習效率.

1 應用概念模型厘清概念

活動1：建立思維導圖，梳理知識脈絡，引領學生對核心概念有序學習.

2 物理模型體驗PCR技術擴增過程

活動2：表1圖解為第一次循環結果，每兩人一組相互配合用卡紙剪出并用透明膠粘貼或根據引物、堿基互補關系畫出第一次循環，依次構建第二次循環、第三次循環結果，構建過程中任務驅動思考下列問題：

①為何要引物？（DNA聚合酶無法單獨開始復制，即無法憑空開始往模板上添加對應的核苷酸，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′方向得出什么結論？（DNA的兩條鏈是反向平行的）

③擴增產物DNA片段和DNA復制是否完全相同，擴增產物DNA片段是否等長，至少循環幾次后出現等長的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′方向延伸合成互補鏈（對應模板3′→5′方向），有上下兩個引物相對而行的， 引物 DNA序列是按模板設計互補的寡核苷酸鏈，且引物 DNA序列一般很少和模板最端部堿基配對，假設引物1堿基TG對應模板AC，引物2堿基TA對應模板AT，讓學生根據模板鏈和引物關系依次構建3～4次循環相關的DNA序列.

3 數學模型

活動3：模擬建構過程，歸納推理得出N次循環后含有引物1和引物2的DNA分子數均為2n-1;既含有引物A又含有引物B的DNA分子數為2n-2;擴增N次后DNA分子片段類型歸納：如圖3出現五種類型（類型1：只含引物1，兩鏈不等長既引物1延伸與母鏈互補無論循環多少次，始終只有1條;類型2：只含引物2，兩鏈不等長，既引物2延伸與母鏈互補，無論循環多少次始終也只有1條;類型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，N次循環后有N-1條;類型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，N次循環后也是有N-1條;類型5：既含有引物1又含有引物2，兩鏈等長，N次循環后有2n-2n條.

結合物理模型分析可知，DNA復制結果一般形成等長的DNA，復制結果DNA類型只有一種，PCR技術一般要到第三輪才出現等長的DNA，如果引物也從最端部開始，則DNA類型也只有一種.

4 拓展延伸：電泳DNA測序模型

循環產物也可以用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA類型，不同DNA有自己相應的條帶，不同大小的DNA有不同位置，越靠前的電泳速度快，通過比較，可進行基因診斷、結合遺傳圖譜分析DNA親緣關系等遺傳學命題的熱點.

5 課后提升：動態模型設計

學生繼續查閱PCR技術相關資料（包括發展史、引物設計、熱穩定性聚合酶作用機理），觀看PCR技術視頻，網上查閱電子、機械制作原理，結合科技創新活動，嘗試動手設計制作PCR動態模型，學生在課外科技活動中熱情高，學習生物學興趣深厚，培養學生熱愛科學、尊重科學，體驗科技探究過程，享受創新成果.

通過模型建構，學生親身體會知識形成，加強了學生的思維訓練，讓學生頭腦動起來，巧手動起來，課堂氣氛活起來，真正感知科學本質，踐行核心素養的生命觀點、科學探究和理性思維，對微觀生命理解更加深刻透徹.

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（收稿日期：2019-04-02）