“一境到底”培養(yǎng)科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例
——以“PCR技術(shù)”為例

施心悅 林中良

(湖北省鄂南高級中學(xué) 湖北咸寧 437000)

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)提出“教學(xué)過程重實(shí)踐”的課程理念,《課程標(biāo)準(zhǔn)》的“教學(xué)提示”中明確提出了“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。PCR技術(shù)在科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,基于科研論文的全國高考中對其多有考查,因此,教師有必要在高中階段,基于教材和《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求,開展對PCR技術(shù)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析的深度教學(xué)。

本節(jié)課基于復(fù)旦大學(xué)分子人類學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科研論文,通過曹操骸骨身份鑒定這一貫穿式情境,引導(dǎo)學(xué)生利用PCR技術(shù)的基本原理解決問題,實(shí)現(xiàn)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“教學(xué)過程重實(shí)踐”的要求,落實(shí)科學(xué)探究和社會責(zé)任的培養(yǎng)。

2 學(xué)情分析

本節(jié)課所授對象是高二年級的學(xué)生,從知識水平來看,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過“DNA 的分子結(jié)構(gòu)”“DNA 的半保留復(fù)制”等理論基礎(chǔ)知識;從能力水平來看,高二年級的學(xué)生已經(jīng)具備了一定的模型建構(gòu)和科學(xué)探究能力;從自身發(fā)展來看,學(xué)生也希望應(yīng)用所學(xué)知識來解決實(shí)際生活中的問題。

本節(jié)內(nèi)容容量多、層次深,學(xué)生理解起來具有一定的難度。因此,在教學(xué)過程中,教師要找準(zhǔn)學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”,適時搭建“支架”,高觀點(diǎn)立意,小口徑切入,設(shè)置開放性問題,幫助學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)和課后拓展學(xué)習(xí)等不同形式擁有參與感和獲得感。

3 教學(xué)目標(biāo)

(1)通過分析PCR 的組分和條件,發(fā)展物質(zhì)與能量觀;通過分析尋找含耐高溫DNA 聚合酶的生物,發(fā)展進(jìn)化與適應(yīng)觀。

(2)通過比較分析PCR 和體內(nèi)DNA 復(fù)制的異同,開展PCR 過程模擬制作活動和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)展歸納和概括、模型與建模和批判性思維等科學(xué)思維能力。

(3)基于PCR 的基本原理,分析利用PCR 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和方法,提升創(chuàng)造性思維,并解決實(shí)際問題。

(4)以歷史人物為素材,以家譜分析為線索,從一家一姓的探索到中華文明的溯源,在弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化的同時,逐漸形成以科學(xué)實(shí)踐解決現(xiàn)實(shí)生活中生物學(xué)問題的意識,并了解科學(xué)技術(shù)對社會的巨大作用。

4 教學(xué)過程

為了達(dá)成本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo),教師設(shè)計(jì)了如圖1所示的教學(xué)流程。

4.1 導(dǎo)入

教師播放河南安陽墓考古的相關(guān)視頻資料,介紹課題的研究背景:安陽墓位置、出土文物及骸骨年齡和年份等信息均指向該墓很可能是曹操墓,但是由于曹操有“七十二疑冢”的傳聞,因此,關(guān)于安陽墓是否是曹操墓仍存在大量爭議。教師從而引出本節(jié)課的核心問題:怎樣利用PCR技術(shù)鑒定安陽墓骸骨是否是曹操?

4.2 任務(wù)一:利用PCR技術(shù)擴(kuò)增骸骨中提取的DNA

教師提出問題:從1800年前的骸骨里提取的DNA 很少,因此需要利用PCR技術(shù)對DNA 進(jìn)行體外擴(kuò)增,從而把微量的信號放大,這是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。

4.2.1 分析PCR 的組分

PCR 的基本原理是DNA 的半保留復(fù)制,但是反應(yīng)場所在生物體外,結(jié)果是要大量復(fù)制DNA 分子,因此,PCR 所需的組分和反應(yīng)條件與DNA 體內(nèi)復(fù)制并不完全相同。教師要求學(xué)生通過自主學(xué)習(xí),列表比較DNA體內(nèi)復(fù)制和PCR 所需的組分,學(xué)生的分析結(jié)果見表1。

表1 DNA 體內(nèi)復(fù)制與PCR 組分的比較分析

在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題:①什么是引物? 為什么DNA 復(fù)制都需要引物?②DNA 復(fù)制時,子鏈的延伸方向是從5′→3′還是從3′→5′? ③利用加熱的方法解旋和使用解旋酶相比,有什么優(yōu)點(diǎn)? ④PCR 反應(yīng)體系中為什么不能加普通的DNA 聚合酶? ⑤你認(rèn)為應(yīng)該到什么樣的環(huán)境中去尋找含有耐高溫DNA 聚合酶的生物? ⑥在體外實(shí)驗(yàn)中,為了給酶提供適宜的pH,還應(yīng)添加什么試劑? 為了激活酶,還應(yīng)添加哪種離子?

設(shè)計(jì)意圖:教師根據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論,引導(dǎo)學(xué)生類比推理、遷移應(yīng)用DNA 體內(nèi)復(fù)制的相關(guān)知識,并讓學(xué)生找出PCR 與體內(nèi)復(fù)制的不同。

4.2.2 推導(dǎo)PCR 的步驟

學(xué)生小組合作,利用教師提供的電腦軟件,模擬推導(dǎo)PCR 的步驟,并思考問題:PCR 應(yīng)該分為幾步?每一步中的DNA 分子分別發(fā)生哪些變化? 學(xué)生利用電腦軟件推導(dǎo)的PCR 步驟如圖2所示。

圖2 學(xué)生推導(dǎo)PCR 三個步驟示意圖

設(shè)計(jì)意圖:教師將抽象的分子水平的變化轉(zhuǎn)變成具體的、可操作的模擬實(shí)驗(yàn),既可以使學(xué)生通過動手操作直觀地感受引物的作用、引物與模板鏈的結(jié)合部位和子鏈延伸方向,又可以讓學(xué)生順利推導(dǎo)得出PCR 的步驟,并為后續(xù)教學(xué)中選擇溫度和設(shè)計(jì)引物做鋪墊。

4.2.3 思考PCR 的條件

在學(xué)生模擬推導(dǎo)PCR 的反應(yīng)步驟之后,教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考:現(xiàn)有三個溫度,分別為50 ℃左右、72 ℃左右和90 ℃以上,你認(rèn)為PCR 反應(yīng)的每步分別應(yīng)該選擇什么溫度? 你的理由是什么?

設(shè)計(jì)意圖:教師結(jié)合PCR 三個步驟中DNA 分子發(fā)生的變化,引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識到三個步驟中溫度設(shè)計(jì)的要求。

4.2.4 觀看PCR 過程動畫

教師為學(xué)生播放PCR 反應(yīng)過程的動畫,并提出問題:①一個DNA 分子復(fù)制n 輪后可得到多少個DNA 分子? 一輪DNA 復(fù)制的時間約為兩分鐘,一個多小時可進(jìn)行三十輪復(fù)制,可以將一個DNA 分子擴(kuò)增成大約多少個? ②PCR 為什么只擴(kuò)增整個DNA分子的一小段? 哪種物質(zhì)決定了復(fù)制的起點(diǎn)?

設(shè)計(jì)意圖:教師使學(xué)生直觀感受PCR 快速大量擴(kuò)增的特點(diǎn),并讓學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。同時,幫助學(xué)生認(rèn)識到引物在PCR 中的作用,進(jìn)而使教學(xué)過渡到任務(wù)二。

4.3 任務(wù)二:聚焦PCR技術(shù)鑒定骸骨身份的核心問題——引物的設(shè)計(jì)

4.3.1 提出實(shí)驗(yàn)思路

師生共同分析,提出實(shí)驗(yàn)思路:實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是找到曹操DNA 分子上有特異性的序列,并根據(jù)這段序列設(shè)計(jì)和合成引物,再進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,通過瓊脂糖凝膠電泳等方法分析擴(kuò)增結(jié)果。

理論上來說,如果待測樣品中含有目的序列,則能得到大量特異性擴(kuò)增產(chǎn)物,結(jié)果呈陽性;如果待測樣品中不含有目的序列,則不能得到大量特異性擴(kuò)增產(chǎn)物,結(jié)果呈陰性。

4.3.2 找到特異性序列

教師首先為學(xué)生提供以下兩則資料。

資料一:DNA 上有一些被稱為SNP(單核苷酸多態(tài)性)的位點(diǎn),每個堿基對的突變率僅為三千萬分之一,所以祖先的SNP 位點(diǎn)可以穩(wěn)定地遺傳給子孫。

資料二:復(fù)旦大學(xué)歷史系教授韓昇和現(xiàn)代人類學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授李輝領(lǐng)銜的聯(lián)合課題組通過家譜分析找到了多個曹操的后人家族,又通過考古發(fā)現(xiàn)了曹操叔祖父曹鼎的骸骨,課題組通過對這些個體Y 染色體上DNA 分子的SNP 位點(diǎn)檢測,發(fā)現(xiàn)他們都屬于一種非常罕見的O2*-M268 類型,從而證實(shí)了這個類型確實(shí)來自曹操家族。

基于資料,教師引導(dǎo)學(xué)生思考:①在找到了多個曹操后人家族的DNA 后,為什么還要找曹操祖先的骸骨DNA 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)? ②為什么要選擇Y 染色體上DNA 分子進(jìn)行鑒定?

4.3.3 分析引物設(shè)計(jì)

通過分析模擬實(shí)驗(yàn),教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)引物的種類、結(jié)合位點(diǎn)、長度和堿基比例等要點(diǎn),并讓學(xué)生思考某位學(xué)生設(shè)計(jì)的2 組引物(圖3)的部分序列是否合理,要求學(xué)生說明理由。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)的引物

教師進(jìn)而總結(jié):一對引物之間不能互補(bǔ),一個引物分子內(nèi)部也不能互補(bǔ),否則都會降低引物與模板鏈結(jié)合的概率。

設(shè)計(jì)意圖:通過分析引物設(shè)計(jì),教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到引物的設(shè)計(jì)是PCR 實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

4.4 任務(wù)三:利用PCR技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 觀看興趣小組的學(xué)生利用PCR 試劑盒進(jìn)行PCR 操作的視頻

教師播放興趣小組的學(xué)生利用PCR 試劑盒進(jìn)行PCR 操作的視頻,并讓學(xué)生思考:①實(shí)驗(yàn)中所用的酶等試劑為什么需要在-20 ℃的條件下保存? ②實(shí)驗(yàn)中所用的微量離心管、槍頭和蒸餾水為什么都需要經(jīng)過高壓蒸汽滅菌處理?

設(shè)計(jì)意圖:通過播放PCR 操作的視頻和問題思考,教師引導(dǎo)學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作的重要性。

4.4.2 觀看興趣小組的學(xué)生利用PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行電泳操作的視頻

教師繼續(xù)播放興趣小組的學(xué)生利用PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行電泳操作的視頻,并讓學(xué)生思考:①不同大小的DNA 分子分離的原理是什么? ②怎樣檢測DNA分子? ③怎樣大致判斷樣品DNA 分子的種類?④電泳未出現(xiàn)條帶的可能原因有哪些? ⑤電泳出現(xiàn)非特異性條帶的可能的原因有哪些?

設(shè)計(jì)意圖:教師通過播放PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行電泳操作的視頻和提出思考問題,使學(xué)生了解電泳鑒定PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物的原理和出現(xiàn)異常結(jié)果的可能原因。

4.4.3 合作探究,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教師讓學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,以檢測安陽墓骸骨的Y 染色體DNA 是否屬于O2*-M268 類型,并提出問題:①除實(shí)驗(yàn)組外,還應(yīng)設(shè)計(jì)哪些對照組?為什么? ②你認(rèn)為造成假陽性和假陰性的可能原因有哪些? ③怎樣分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

教師補(bǔ)充介紹陽性對照組和陰性對照組的概念。學(xué)生通過小組討論獲得上述問題的答案。針對問題①,學(xué)生認(rèn)為可以用已知屬于O2*-M268 類型的曹姓男子Y 染色體DNA 進(jìn)行陽性對照,可以用女性DNA 樣品或者無菌水進(jìn)行陰性對照。針對問題②,學(xué)生指出,可以從樣品是否被污染、酶的活性、引物的設(shè)計(jì)、溫度的設(shè)計(jì)和控制、實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范等多個方面開放性地展開討論。針對問題③,通過討論,學(xué)生發(fā)現(xiàn)只有陽性對照組呈陽性和陰性對照組呈陰性時,實(shí)驗(yàn)才是有效的。在實(shí)驗(yàn)有效的前提下,如果實(shí)驗(yàn)組呈陰性,則說明骸骨不是曹操,如果實(shí)驗(yàn)組呈陽性,不能說明骸骨一定是曹操,但是如果再結(jié)合出土文物等信息,就基本上可以確定骸骨是曹操。

此外,教師補(bǔ)充介紹了曹操骸骨實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)實(shí)施情況與相關(guān)研究。安陽方面出于保護(hù)文物的考慮,沒有提供骸骨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。雖然曹操的骸骨鑒定實(shí)驗(yàn)未能完成,但是科學(xué)家們利用該技術(shù)進(jìn)行了很多有意義的研究,例如,復(fù)旦大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研究了中華文明的起源,發(fā)現(xiàn)接近50%的中國男人都是距今約5000 ～7000年前三個男性的直系后代;科學(xué)家斯萬特·帕博運(yùn)用類似的思路,研究已滅絕古人類和現(xiàn)代人類的進(jìn)化關(guān)系,榮獲了2022年諾貝爾獎。

設(shè)計(jì)意圖:通過合作探究與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,教師意在培養(yǎng)學(xué)生邏輯的嚴(yán)密性和結(jié)果分析的嚴(yán)謹(jǐn)性,培養(yǎng)學(xué)生的辯證性思維和批判性思維。同時,本環(huán)節(jié)基于學(xué)生對PCR 理論、PCR 實(shí)驗(yàn)和電泳實(shí)驗(yàn)的理解,在真實(shí)情境的應(yīng)用中反映出學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)效果。

4.5 深化鞏固,課后探究

在本節(jié)課教學(xué)結(jié)束時,教師進(jìn)一步介紹了PCR技術(shù)的其他應(yīng)用,如新冠核酸檢測、法醫(yī)鑒定、親子鑒定,基因工程對目的基因的獲取和擴(kuò)增等等。教師用PCR 之歌(圖4)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié),并要求學(xué)生運(yùn)用今天所學(xué)知識、查閱資料分析新冠核酸檢測時出現(xiàn)假陽性和假陰性的原因。

圖4 PCR 之歌

設(shè)計(jì)意圖:教師通過自編的PCR 之歌,引導(dǎo)學(xué)生梳理本節(jié)課的思維流程和知識要點(diǎn),通過課后探究,進(jìn)一步加深學(xué)生對PCR 反應(yīng)的理解,引導(dǎo)學(xué)生深入思考。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課采用貫穿式情境,將骸骨身份鑒定這一實(shí)驗(yàn)的三個重要環(huán)節(jié)和PCR 實(shí)驗(yàn)的三個重要內(nèi)容聯(lián)系起來。教學(xué)中滲透了“STS”教學(xué)理念,教師引導(dǎo)學(xué)生在課堂中探討科學(xué)、技術(shù)和社會的關(guān)系,重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析能力的培養(yǎng),鍛煉了學(xué)生的思維,落實(shí)了生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng),充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性。通過構(gòu)建物理模型,教師將微觀的問題宏觀化,使學(xué)生能直觀地感受PCR 的相關(guān)過程。通過播放興趣小組的PCR 和電泳過程的實(shí)踐操作,教師讓學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題,幫助學(xué)生更好地深化對知識的理解。但由于課堂容量有限,因此,學(xué)生對PCR 的溫度設(shè)計(jì)、引物設(shè)計(jì)和電泳結(jié)果分析等內(nèi)容的討論都只能淺嘗輒止。