高中PCR与凝胶电泳实验教学的探索与改进_电泳论文

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      一、直面困难

      对于中学生来说，从头到尾完成PCR实验难度无疑很大，一线教师往往会觉得PCR实验及电泳检测涉及的理论知识背景繁杂、操作过程多、时程长、成本高，没有专门的实验室，实验结果和教学效果都不理想，从而只是介绍其中的原理而放弃这个实验。有些具备条件的实验室，PCR仪等沦为“摆设”，只是让学生参观，而没有将实验引入课堂。除实验成本外，还有很重要的一个原因，就是这个实验的时程很长。确实，按正常实验流程，没有半天以上的时间，这个实验是无法完成的。

      而高中生物学课堂实验时间有限，多数为40 min（一节课），有的是80 min（连续两节课）。长时程实验若安排成课外活动，该实验对学生而言可能名存实亡。如果这些仪器或相应实验只能满足少数学生的研究性学习，对学校而言是资源浪费，对学生而言，多数学生错过了接触现代生物学科技的机会[1]。倘若只是利用理论课堂介绍PCR的原理，学生没有通过动手操作，很难激发学生的学习兴趣，学生对这部分知识的理解和掌握程度之肤浅可想而知。

      二、利用与改造教学资源，将PCR实验引入课堂

      如果中学配备了分子生物学实验室，教师应该积极克服困难，通过预实验对教学程序等进行各方面的探究，充分利用现有的实验室资源并进行改造，将PCR实验引入课堂。

      1.确定教学目标和重难点

      教学目标和重难点的确定（表1）依赖于对学生的学情分析。在学本节内容之前，学生已有了DNA复制的知识，PCR是在生物体外复制特定DNA片段的技术，它的原理基于DNA复制。

      

      因此，教学中可通过回顾与比较来理解PCR的原理；同时，利用学生已有的化学和物理学知识，帮助学生迁移理解凝胶电泳的原理。实验原理是操作方法的依据，而通过实际的实验操作，又能更深入理解实验原理。这样才能够运用基本原理来解释相关的问题或异常现象，这正是教学目标能力层面的要求。

      2.准备实验

      实验教师深刻理解实验原理和相关程序，是对实验进行合理改造的关键。结合仪器和试剂公司提供的材料以及教师的实践经验，通过多次预实验摸索，将实验材料和实验仪器调整到最佳的状态。

      （1）实验材料的优选

      PCR实验之所以耗时较长，原因有以下几个方面：仪器在每个循环中升降温的过程中需要时间；目的基因越长所需时间越多；循环数越多需要时间越多。针对这几个方面，在材料准备时可做以下调整：

      不使用试剂公司提供的1000 bp目的基因片段和引物，而是自己寻找一段大约350 bp的一个基因片段并设计特异性强的引物。一是可以缩短延伸时间（由1 min缩短为30s）；二是可以采用较高的退火温度，从而降低升降温的落差。总之，可减少每个循环所用的时间。

      实验体系中采用较高的模板浓度和很纯的模板，这样就可从40个循环，减为20～25个循环，不仅能够扩增出很纯的目的基因，便于电泳检测，还可明显缩短时间。

      （2）实验仪器的调整

      开始实验前，使PCR仪处于预热状态，以减少反应时间；全班学生同时进行加样操作，每个小组一套固定刻度的微量移液器，不用调整刻度，以节约加样时间。每个电泳仪连接两个电泳槽，可保证两组学生同时加样。每个电泳槽放置双排共20孔的宽孔凝胶，保证每位学生都有加样机会，使用宽孔凝胶还可提高加样的成功率并节约时间。由于检测结果以后，目的基因不需要回收，所以电泳时可以用浓度较低的凝胶和较高的电压，电泳20 min左右即可检测结果。

      将电泳结果及时拍照保存，并可让同学轮流通过凝胶成像仪进行观测。还可使用新型荧光染料，在电泳过程中即可实时粗略观测电泳结果。

      3.改造教学程序

      正常情况下，PCR实验和电泳检测的程序如下：设计引物→购买PCR试剂盒→模板DNA的提取→设计反应体系→PCR加样→PCR→配制琼脂糖凝胶板→电泳加样→电泳→凝胶成像观测→对实验结果进行分析。实验准备过程比较繁琐，也超出高中阶段的学生实验要求，所以学生的操作一般是从PCR加样开始。即使这样，并且经过上述对实验材料和实验仪器的调整，整个实验完成也需3h左右。所以，让学生在课堂实验时间就看到自己的实验结果，还是不现实的。

      但是，通过教学程序调整，学生可以在等待仪器工作的同时，检测其他班的已经做过此实验的学生的结果。也就是说，可以将等待“仪器干活”的时间充分利用。

      具体来说，第一个班学生进行实验时，所用的电泳材料和凝胶成像材料是教师预实验提前准备出来的。这样一来，当学生完成PCR加样的操作后，在PCR仪运行时，就可利用教师准备好的DNA进行电泳操作。在电泳仪工作时，即可通过凝胶成像系统观察教师准备好的电泳结果。在以后上实验课的班级，使用的材料都是前一个班通过实验准备出来的。这样的程序安排，学生不会在等待仪器工作时出现懈怠，反而总是被新的仪器和新的原理所吸引，实验热情高涨，学习效率很高。在轮流操作和观察结果的简短等待过程，还可听取辅助教师讲解并深入理解实验原理[1]。

      需要说明的是，这样的教学程序调整，使得实验教学的完成除主讲教师外，还需依靠两位辅助教师。三位教师可分工，分别重点负责PCR仪、电泳仪和凝胶成像仪，对学生的实验操作进行指导。辅助教师的工作能实现“学生分流”，保证实验答疑和教学的有序和流畅。

      4.调整实验室工作区

      分子生物学实验室的建立，是中学开设PCR实验的必备条件。实验室的布局本身已经比较适合上述的程序调整。但是，由于实验课为整班上课，而实验室的空间有限，所以必须对学生和教师以及仪器的工作区进行调整。可将实验室划分为四个“工作区”：

      （1）实验室的中心工作区是学生座位和PCR加样区。此区适合全体学生同时操作的实验过程，将相应的实验仪器和材料摆放在学生座位实验台，有成套的微量移液器、“枪头”盒、震荡混悬器以及操作所需的冰盒和小指管等。

      （2）PCR仪工作区在教师讲台，并且连接多媒体。教师讲课可放映幻灯片，在PCR仪工作时，可将工作原理以动画形式呈现在电子白板上。

      （3）实验室的一侧实验边台是电泳区，适合学生分两大组进行电泳的加样和实时观察电泳过程。

      （4）实验室另一侧实验边台及拐角是电泳结果检测区，便于学生轮流观测电泳结果。

      三、教学反思

      由于学生背景知识、理解和操作能力的个体差异很大，教师在上课过程中要注意观察，区别对待。要多鼓励胆子较小、不敢尝试的学生进行实际操作。教师在指导实验过程中，头脑中要始终想着如何帮助学生理解实验原理，或利用实验原理分析相关问题。教师还要珍视实验课堂即时生成的问题，筛选有价值的问题，发挥学生的主动性，鼓励学生自己解决问题，支持、促进学生自主学习。生成的问题转化为促进教学的有效资源，从而优化教学，使课堂形成鲜活、生动的局面[2]。

      改造后的PCR实验课堂教学程序，知识容量和实验操作容量都很大，所以要保证有好的效果，占有的教师资源也较多，除了需要主讲教师外，还需要辅助教师。为解决这一问题，可尝试在预实验时，让有基础并感兴趣的学生（共5人左右）参与，教师重点培训这几位学生。在正式上实验课时，他们就可充当“小辅导员”帮助教师完成很多工作。

      依托于完善的实验室资源，根据新课程改革的要求和学生的需要，教师可通过改进实验和活动方式，使学生获得直接经验和最新信息以及实践能力。限于高中实验室的条件，还有很多问题没有得到解决，需要各方面继续付出努力去探索。如分子生物学试剂和材料时效性的问题，这一点决定了分子生物学实验的成本较高。

      举例来说，如果中学实验室能够将模板DNA克隆并保存，就不用每年重新制备模板。而实现这一点还需其他分子生物学技术以及微生物实验相关的仪器设备支持。如果能与相关高校或研究所的实验室建立稳定联系，依托其仪器设备和相关的技术支持，中学的分子生物学实验可能会开展得更顺利。

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