創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境進(jìn)行指向解決問題的生物技術(shù)教學(xué)

付鑫

摘要：以“PCR技術(shù)的應(yīng)用”一節(jié)為例，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，通過核心問題引發(fā)學(xué)生思考和主動(dòng)探究尋求解決問題的方案。四個(gè)情境對應(yīng)的PCR技術(shù)背景逐步加深，均基于“引物是PCR技術(shù)中實(shí)現(xiàn)特異性DNA片段擴(kuò)增的保證”這一重要概念，幫助學(xué)生深入挖掘PCR技術(shù)的突破和創(chuàng)新，提高學(xué)生解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)情境，解決問題，PCR，生物技術(shù)，核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

1 教學(xué)內(nèi)容分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）提出“教學(xué)過程重實(shí)踐”的課程理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)參與，通過探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力。選擇性必修模塊3《生物技術(shù)與工程》是突出實(shí)踐性教學(xué)的典型內(nèi)容。20世紀(jì)后期以來，生物技術(shù)快速發(fā)展，支持生物學(xué)研究的不斷演進(jìn)。在分子水平的研究中，PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是最常用的技術(shù)之一。《新課標(biāo)》的“教學(xué)提示”明確提出了“利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增DNA片段并完成電泳鑒定”的要求。在基因工程等微觀領(lǐng)域的生物學(xué)研究與實(shí)踐中，PCR實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)增目的基因以及更為廣泛的應(yīng)用。本節(jié)課作為一節(jié)生物技術(shù)的拓展課，一般放在選擇性必修模塊3《生物技術(shù)與工程》中“基因工程”一章中，以“PCR技術(shù)的應(yīng)用”為題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用PCR技術(shù)的基本原理解決實(shí)際生活中的問題，實(shí)現(xiàn)課標(biāo)對“教學(xué)過程重實(shí)踐”的要求，落實(shí)科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）比較說明PCR與體內(nèi)DNA復(fù)制的異同，概述PCR技術(shù)在生物學(xué)研究與實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值。

（2）基于PCR的基本原理，說明檢測基因型、DNA測序、獲取基因啟動(dòng)子的思路和方法，提升創(chuàng)造性思維。

（3）體會(huì)在真實(shí)科學(xué)研究與實(shí)踐中PCR技術(shù)應(yīng)用的情境，嘗試在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中利用PCR技術(shù)解決實(shí)際問題。

（4）舉例說明PCR技術(shù)在科學(xué)研究、醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用，體會(huì)生物技術(shù)在實(shí)際生活中的實(shí)踐價(jià)值。

3 教學(xué)過程

為凸顯教學(xué)的實(shí)踐性，整節(jié)課以“片段式情境”貫穿始終。首先，由教師提出研究情境，明確研究主題和待解決的問題，通過學(xué)生合作討論，提煉情境中的核心問題。接著，學(xué)生基于本節(jié)課的知識(shí)背景，嘗試提出核心問題的解決方案，從而對生物技術(shù)產(chǎn)生更深入的認(rèn)識(shí)，明確生物技術(shù)的科研、醫(yī)療、環(huán)保等社會(huì)價(jià)值。教學(xué)思路如圖1所示。

3.1 導(dǎo)入環(huán)節(jié)

教師為學(xué)生播放提前準(zhǔn)備的PCR過程模擬視頻，提示學(xué)生關(guān)注每輪循環(huán)的具體細(xì)節(jié)，提出問題：PCR技術(shù)實(shí)現(xiàn)特異DNA片段擴(kuò)增的核心條件是什么？學(xué)生在觀看視頻時(shí)候回應(yīng)問題，發(fā)現(xiàn)“特異引物對保障了PCR實(shí)現(xiàn)特異片段擴(kuò)增”的重要結(jié)論，為本節(jié)課情境探究落下伏筆。

3.2 情境探究環(huán)節(jié)

3.2.1 利用PCR進(jìn)行基因型鑒定

教師創(chuàng)設(shè)情境一：Uterman研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了ApoE基因表達(dá)的載脂蛋白對膽固醇運(yùn)輸有重要作用。通過插入序列引發(fā)的ApoE基因突變會(huì)引起高血脂癥。小明一家的系譜圖如圖2所示。請利用PCR的方法判斷小明剛剛出生的妹妹是否具有高血脂癥的風(fēng)險(xiǎn)。

學(xué)生首先在完成情境閱讀后明確核心問題：突變基因與野生型基因的差異是什么？如何利用PCR技術(shù)區(qū)分？該核心問題是PCR技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用，學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)插入序列引發(fā)突變基因的片段變長。那么，在已知ApoE基因兩端序列的前提下，設(shè)計(jì)ApoE特異性引物對小明妹妹的基因組DNA進(jìn)行PCR，通過電泳區(qū)分條帶大小，即可鑒定疑似病例的基因型（圖3）。該案例情境與遺傳診斷相關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注遺傳病議題，使學(xué)生體會(huì)生物技術(shù)在醫(yī)療工作中的價(jià)值。

3.2.2 利用PCR進(jìn)行DNA序列測序

教師創(chuàng)設(shè)情境二：Ronaghi利用DNA分子雜交技術(shù)探知了基因R兩端的序列。為了研究基因R的功能，請為Ronaghi提供一種獲得基因R全堿基序列的方法。

DNA測序是學(xué)生較為熟悉的話題，不少拓展資料為學(xué)生介紹了經(jīng)典的Sanger末端終止測序法。然而，末端終止法并非學(xué)生在利用PCR技術(shù)前提下思考測序過程的直接思路。在課堂討論中，學(xué)生提出希望將分子水平上每一次堿基互補(bǔ)配對“可視化”，這與第二代DNA測序——焦磷酸測序法的思路不謀而合。此時(shí)，教師介紹利用DNA復(fù)制過程中dNTP水解產(chǎn)生焦磷酸（PPi）發(fā)出熒光的方法，引導(dǎo)學(xué)生整理得出焦磷酸測序原理與方法（圖4）。相較于第一代DNA測序，焦磷酸測序法具有通量大、成本低的特點(diǎn)。學(xué)生通過對本情境問題的解決，體會(huì)到生物技術(shù)的不斷演進(jìn)和發(fā)展。

3.2.3 利用PCR獲取未知DNA片段

教師創(chuàng)設(shè)情境三：Jacob博士發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在lac基因啟動(dòng)子的位置具有一些蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)，能夠調(diào)控lac基因在需要的時(shí)候表達(dá)，因此他想獲得啟動(dòng)子序列來研究。在未知啟動(dòng)子堿基序列的情況下，請?zhí)岢隼胠ac基因序列進(jìn)行PCR思路。

這一情境對學(xué)生的挑戰(zhàn)較大，“如何在未知堿基序列的情況下設(shè)計(jì)引物”是解決這一情境的核心問題。此時(shí)，教師需為學(xué)生搭建“腳手架”——播放線性DNA經(jīng)過酶切、連接實(shí)現(xiàn)環(huán)化的視頻。學(xué)生在視頻的提示下，提出在啟動(dòng)子上游、基因下游尋找相同酶切位點(diǎn)，通過DNA連接酶處理實(shí)現(xiàn)環(huán)化，利用已知基因序列兩端序列設(shè)計(jì)出“反向引物”。學(xué)生通過繪制模型發(fā)現(xiàn)，“反向引物”實(shí)際也是位于目的序列兩端，3端相向，因此仍然符合PCR的原理，實(shí)現(xiàn)特異目的片段的擴(kuò)增。反向PCR使人類對基因組進(jìn)行了更加廣泛的探索，是基因定位、獲取調(diào)控序列的重要方式。

3.2.4 利用PCR實(shí)現(xiàn)DNA片段的融合

情境四是本節(jié)課比較特殊的一個(gè)，教師要求學(xué)生完善一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并且沒有直接提示PCR技術(shù)在該實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用：Leiprecht博士2010年在美國期刊《BBRC》上發(fā)表文章指出，乳頭瘤病毒特異蛋白E6能夠誘導(dǎo)瘤細(xì)胞提高葡萄糖的攝取能力。他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是：

①在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細(xì)胞中注射適量緩沖液。

②在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細(xì)胞中注射含E6蛋白基因的表達(dá)載體的緩沖液。

③在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細(xì)胞中注射等量含SGLTl（葡萄糖載體）蛋白基因的表達(dá)載體的緩沖液。

④在敲除葡萄糖載體蛋白基因的爪蟾細(xì)胞中注射_____。

學(xué)生通過變量分析，容易發(fā)現(xiàn)④組作為實(shí)驗(yàn)組應(yīng)該同時(shí)導(dǎo)入E6蛋白基因和SGLT1蛋白基因。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析構(gòu)建基因表達(dá)載體的過程，相較于兩段基因獨(dú)立的連接，融合基因與載體單次的連接成功率更高。因此，提出該情境的核心問題：如何利用PCR技術(shù)實(shí)現(xiàn)DNA片段的融合。仍然以特異性引物為線索，通過重疊的接頭來實(shí)現(xiàn)DNA片段的融合（圖5）。這一PCR的拓展能夠幫助學(xué)生理解DNA分子進(jìn)行融合、定點(diǎn)誘變等精細(xì)的操作。

3.3 總結(jié)與評價(jià)

教師帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課中PCR在四個(gè)情境中的應(yīng)用，分析不同情境的核心問題，提出“設(shè)計(jì)特異性引物是PCR成功的首要條件”，深化落實(shí)PCR技術(shù)的基本原理。教師總結(jié)：PCR不僅是體外進(jìn)行DNA復(fù)制的一種手段，更是生物學(xué)研究、醫(yī)療、環(huán)保等社會(huì)實(shí)踐中的重要方法，生物技術(shù)圍繞著人類的生活需要不斷地演進(jìn)和革新。在課堂最后流出個(gè)性化作業(yè)：①將本節(jié)課各情境中PCR的基本原理用圖示表示出來;②查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，列舉PCR技術(shù)在更多研究、實(shí)踐中的應(yīng)用。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課作為一節(jié)PCR技術(shù)的拓展課，重點(diǎn)不是講解PCR的基本原理，而是帶領(lǐng)學(xué)生通過分析教師創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境，利用生物學(xué)原理和方法解決問題。學(xué)生在討論與思考中需要跳脫P(yáng)CR常規(guī)方法和應(yīng)用情境的束縛，用建模的思想梳理研究情境中的核心問題，用創(chuàng)造性思維靈活運(yùn)用PCR技術(shù)解決該問題，并在這一過程中掌握科學(xué)探究的基本思路和方法。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)生為主題，教師作為情境的創(chuàng)設(shè)者，以“引路人”的角色帶領(lǐng)學(xué)生積極參與動(dòng)腦的探究活動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)，在真實(shí)情境中解決問題。本節(jié)課的四個(gè)情境既涵蓋生物學(xué)基礎(chǔ)科研，還包括醫(yī)療衛(wèi)生等社會(huì)實(shí)踐，帶領(lǐng)學(xué)生體會(huì)生物學(xué)原理與方法在生活實(shí)際中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生形成利用不斷革新的生物技術(shù)探索科學(xué)未知、造福人類生活，落實(shí)社會(huì)責(zé)任。