“聚合酶链反应（PCR）原理”的教学设计，本文主要内容关键词为：教学设计论文,原理论文,PCR论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
聚合酶链反应技术，是在DNA聚合酶作用下进行体外DNA扩增的一种分子生物学技术，简称为PCR技术。这种技术具有简便、快速、灵敏的特点，已广泛应用于基因获取、基因定点突变、DNA序列分析、医学诊断、基因检测等方面。在高中生物学选修内容中，“聚合酶链反应（PCR）技术”是教学难点。笔者将这部分内容移到必修模块“DNA的复制”之后，通过合理的教学设计引导学生逐步生成核心概念，取得理想的教学效果。
一、学习需要分析
PCR扩增是“基因工程”专题的重点内容之一。这种技术不仅为基因工程拓展了目的基因的获取途径，而且让基因工程具有实际生产力。但是，PCR扩增原理让学生感到深奥而抽象，既是学习重点，也是学习难点，教师帮助学生突破这个学习重点和难点，有助于激发学生对基因工程的学习兴趣。
二、学习内容分析
笔者将选修模块3中有关PCR技术的内容抽出来，安排在必修模块2“DNA的复制”之后。这样调整知识顺序有3点好处：①PCR技术原理是基于对体内DNA复制的模仿，但如果两者的教学时间相隔过久，教学中就不得不花费时间先组织学生复习已有知识。②调整后的知识结构具有连贯性，有关DNA复制的基本知识点是学生继续习得PCR技术原理的理论基础，PCR技术原理则是DNA复制知识的迁移和应用。学生真正认同沃森一克里克提出的“DNA分子结构及复制模型”具有划时代的重要意义，有助于强化学生的学习动机。③“基因工程”专题的难点过于集中，将PCR挪到“遗传的分子基础”单元，可降低“基因工程”专题的知识难度，有利于学生理解和内化。
将“聚合酶链反应（PCR）技术”教学内容进行梳理后可用思维导图概括如图1，安排2课时：第1课时介绍PCR技术史、揭示PCR技术原理、介绍PCR技术应用；第2课时组织学生参与PCR技术操作。本文只涉及第1课时教学设计，其中，PCR技术发展史对培养学生的生物科学素养有重要意义。首先，PCR技术是在一切理论基础都具备的前提下提出的，是后置成熟的典型案例。1971年，曾经有科学家提出类似PCR的设想，大家都觉得如此简单的构想不可能创新，因此没有后续的实验和文献。直到1985年，穆利斯发明了PCR技术。学生从穆利斯的成功应体会到科学研究不仅要勇于思考，更要大胆尝试。其次，PCR技术史也是科学灵感→技术研发→生产力→推动社会进步的经典例子。穆利斯仅仅提出了理论的可行性，真正将PCR技术完善的是才木等众多技术人员和科学家。PCR技术发展史，有助于学生认识PCR技术研发并转化为生产力，推动社会进步是很多科学家和技术人员艰苦努力的结果。
三、学情分析
学生习得的体内DNA复制知识，为学习体外DNA扩增打下必要基础。学生通过类比分析法能够推测出体外扩增需要模板、原料、聚合酶，以及基本过程等；另外，学生通过各种媒体接触一些有关DNA鉴定等事例，但不知其原理和技术方法。所以，学生对本节课内容有一定的学习期待和热情；以往的教学实践表明，恰当地运用科学发现史话，能激发学生的学习兴趣，促进情感态度和科学观念的转变。
四、教学目标表述
（1）知识性目标：知道PCR技术发展的大体过程，说出PCR技术的基本原理要点、反应体系和循环过程，举例说出PCR技术在基因工程、医学诊断、基因检测等方面的应用。
（2）技能目标：以体内DNA复制为参照，用类比法推断PCR技术的原理和过程，提高科学思维能力：分析、讨论、交流PCR技术发展史料，提高获取有关知识和处理信息的能力；领悟PCR技术的应用要点，通过知识迁移对来自社会生活的有关新问题做出尝试性解释。
（3）情感性目标：通过了解穆利斯的成功经历，认同科学研究需要勇于思考、大胆尝试的品质，以及科学的成功模式并不唯一，认同由揭示科学概念到技术应用，是很多科学家艰苦努力工作的结果，认同PCR技术广泛地应用于法医、医疗等多个方面，推动了社会进步。
五、课堂教学设计
课堂教学设计主要涉及课堂教学的过程安排、模式选择、活动组织和方法，其教学设计过程也要从学科教学设备条件的实际出发。北京四中高中部的分子生物学实验室，拥有PCR仪、凝胶电泳成像等先进教学设备。教学PCR原理等之后，要组织学生亲自完成PCR扩增和凝胶电泳检测实验操作。本文的课堂教学设计只涉及PCR技术发展史、技术原理及应用部分，这部分内容实质上是聚合酶链反应（PCR）概念的教学（概念传递），其教学过程设计和教学模式选择的思路大体如下：
在概念教学过程中，一方面需要向学生提供丰富的、有代表性的事实性知识，为学生形成概念提供支撑，另一方面要启发学生通过对事实的抽象和概括，揭示其本质特征而生成概念，进而引导学生能够在新情境下应用概念解决有关问题。因此，教学活动的选择和组织也应围绕着PCR概念的生成过程展开。随着教学过程的推进，笔者组织的学生活动如下：
活动1：展示犯罪现场的图片，一把匕首上的血迹中DNA含量很少，不够进行检验。引导学生思考如何获得大量的DNA样品？导入核心概念：体外DNA复制——PCR。
活动2：教师出示体内DNA复制的图片，促使学生在回忆细胞内DNA复制条件的基础上，类比推断体外DNA复制所需的条件——模板、原料、能量、酶和引物等，进而教师加以认定并以表格形式落实板书如下（括号中的内容在后续的课堂教学中逐步进行完善）：
活动3：引导学生从科技史料中体验PCR技术发展过程。①1957年科恩伯格因发现并提取大肠杆菌DNA聚合酶（最适温度为37℃）时，曾探讨用此酶在体外进行DNA复制的可能性，因此获1959年诺贝尔生理学和医学奖。②1968年科拉纳因破译遗传密码而获诺贝尔生理学和医学奖，期间引导学生体外合成短链DNA（引物）技术，1971年其实验室研究员提出PCR技术的基本原理。
活动4：简略介绍穆利斯的生平。展示让穆利斯得到灵感的夜间高速公路的照片，并描述当时情景：1983年一个周末晚上，穆利斯带女友开车回家，加州公路上两排路灯和相对行驶的车辆让他感到似曾相识。然后，启发学生结合DNA复制方式与公路上车辆相对行驶的情景进行联想：①两排路灯犹如DNA的双链；②反向行驶车辆像是DNA聚合酶，面对面地合成着单链DNA；③公路两端在绿灯处起步的2辆车恰似2个引物。在学生联想和小组讨论的基础上，教师结合下页图3向学生介绍穆利斯最初的PCR设想，以及简要介绍兰德尔·才木、亨利·厄利克、史蒂文·沙夫等人为PCR技术日趋成熟所做的贡献。
活动5：先引导学生思考：高温使DNA双链分开时，会破坏哪种生物大分子？带领学生分析出：从大肠杆菌中提取的DNA聚合酶在高温下易失活，使得DNA每次复制都需要加入新酶。结果不仅操作复杂，而且价格非常昂贵。然后，教师展示黄石热泉生态系统图并讲述Taq酶发现史：①1969年美国微生物学家托马斯·布洛克就在黄石公园发现了生长于70℃～75℃的水生嗜热菌。②1976年，华裔女科学家钱嘉韵从Thermus Aquaticus中成功分离出嗜热DNA聚合酶。这种酶被命名为Taq DNA聚合酶，最适温度为72℃。③1985年成功纯化后，开始应用于PCR技术。因其耐热性强，特异性高，扩增片段长，使得PCR技术具有真正的实践意义，标志着PCR技术的成功。
活动6：启发学生根据PCR技术史话，猜想PCR反应过程的大体步骤，设定每步反应的温度。播放《PCR原理》录像，或者教师可结合图4向学生阐述PCR技术原理的基本要点：“DNA受热变性后解链为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后在DNA聚合酶作用下进行延伸，如此重复循环多次。由于延伸后得到的产物同样可以和引物结合，因此每一次循环后DNA的量可以增加一倍，即成指数形式扩增。”在此基础上，请学生依据图4逐一陈述PCR反应体系和循环过程，从而凸显知识体系的重要概念。最后，师生共同以板书形式概括PCR技术原理。
活动7：教师介绍PCR在法医、亲子鉴定、分析远古DNA、医疗上的应用。如，1986年，才木等科学家研发出用于案件侦破的人类白细胞抗原分型检测试剂盒，以及用于检测HIV病毒携带者的试剂盒等。请学生思考：如何利用HIV病患者携带的DNA，通过PCR技术扩增HIV基因片段，使学生理解PCR定向扩增功能，为进一步学习“基因工程”获取目的基因打下基础，同时促使学生认同生物科学技术的价值。
活动8：引导学生简略回顾PCR技术原理，思考并讨论：①1993年，穆利斯因发明PCR独享诺贝尔化学奖。PCR的原理很简单，为什么穆利斯之前的科学家都没有尝试？②从PCR概念生成到技术应用，仅穆利斯一个人就能完成吗？在讨论的过程中，教师逐步展示资料：
①1971年在科拉纳的实验室工作的挪威科学家Kjell Kleppe发表的文章中提到：用2个引物和多次循环可得到大量目的产物。但没有任何进一步尝试和记载。
②穆利斯在自传《心灵裸舞》中写到：科学已被操作成根据科研经费的目的来找特定答案，而他本人则更喜欢在驾驶和冲浪中寻找灵感。
③人类学家Paul Rabinow 1996年著书《Making PCR》中称：PCR是一个典型的团队合作的结果。
④《纽约时报》:PCR是如此的重要，将生物学划分成了PCR前时代和PCR后时代。
启发学生通过对上述信息资料的讨论，认同勇于思考、大胆尝试对科学研究的重要意义；科学概念的提出到实际技术的应用，是很多科学家艰苦努力工作的结果；科学技术的发展能够极大地推动社会生产力。