尚常花　駱海玉　陸祖軍

【摘 要】本文論述基于“任務(wù)驅(qū)動”的“聚合酶鏈反應(yīng)及其反應(yīng)條件的優(yōu)化”教學(xué)設(shè)計(jì)，提出通過“任務(wù)驅(qū)動”指向核心概念的教學(xué)方法，在創(chuàng)設(shè)情境、師生互動、生生合作及教師引導(dǎo)等環(huán)節(jié)適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生從科研實(shí)際出發(fā)，在教師指導(dǎo)下自主進(jìn)行PCR反應(yīng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際操作，在實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐中深刻領(lǐng)會相關(guān)理論知識，為課后直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】聚合酶鏈反應(yīng) 任務(wù)驅(qū)動 教學(xué)設(shè)計(jì) 大學(xué)生物學(xué)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）05C-0141-03

人民軍醫(yī)出版社出版的大學(xué)生物學(xué)專業(yè)教材《基因工程原理與方法》（孫樹漢主編）第七章第一節(jié)為“聚合酶鏈反應(yīng)及其反應(yīng)條件的優(yōu)化”。該節(jié)是第六章“基因工程載體及其選用”的延續(xù)，在基因工程操作中選定合適的載體后，還需要獲取目的基因。聚合酶鏈反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）是基因工程中使用最廣泛的獲取目的基因的方法。其教學(xué)重點(diǎn)是聚合酶鏈反應(yīng)的原理及其反應(yīng)條件的優(yōu)化，教學(xué)難點(diǎn)是聚合酶鏈反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容比較抽象，選擇合適的教學(xué)方法，利用實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生掌握聚合酶鏈反應(yīng)的應(yīng)用是本節(jié)教學(xué)的著眼點(diǎn)。本文嘗試以“任務(wù)驅(qū)動”進(jìn)行教學(xué)，在創(chuàng)設(shè)情境、師生互動、生生合作及教師引導(dǎo)等環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生從科研實(shí)際出發(fā)，讓學(xué)生在實(shí)踐中加深理解相關(guān)理論，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作技能。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下。

一、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識目標(biāo)。了解聚合酶鏈反應(yīng)的原理，分析影響聚合酶鏈反應(yīng)的因素。

（二）能力目標(biāo)。通過具體的實(shí)例分析，培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行基因工程操作的能力。

（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)。領(lǐng)悟生物學(xué)的科學(xué)價(jià)值，樹立利用聚合酶鏈反應(yīng)等基因工程技術(shù)加快我國科技發(fā)展的理念，形成科學(xué)的價(jià)值觀。

二、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境?！痘蚬こ淘砼c方法》的課堂教學(xué)中，教師其實(shí)都在進(jìn)行情境教學(xué)，只是部分教師沒有意識到“創(chuàng)設(shè)情境”這一概念。教育專家關(guān)于教學(xué)情境已有諸多論述。本節(jié)課以兩則新聞引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入“聚合酶鏈反應(yīng)及其反應(yīng)條件的優(yōu)化”的學(xué)習(xí)。第一則新聞是關(guān)于反轉(zhuǎn)基因人士崔永元赴美考察的報(bào)道。2014年，崔永元自費(fèi)100萬元赴美國考察，拍攝了一部關(guān)于揭露轉(zhuǎn)基因真相的紀(jì)錄片。然而，紀(jì)錄片發(fā)布后受到方舟子等人的公開質(zhì)疑。第二則新聞是農(nóng)業(yè)部首次主動召開有關(guān)轉(zhuǎn)基因的新聞發(fā)布會。2016年4月，農(nóng)業(yè)部新聞辦公室舉行了一場非常吸引眼球的新聞發(fā)布會，不是肉價(jià)上漲，也不是菜價(jià)上漲，而是“農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因”。截至2016年4月，我國共批準(zhǔn)發(fā)放7種轉(zhuǎn)基因作物安全證書，分別是耐儲存番茄、抗蟲棉花、改變花色矮牽牛、抗病辣椒、抗病番木瓜、轉(zhuǎn)植酸酶玉米和抗蟲水稻。但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的只有抗蟲棉和抗病番木瓜。國務(wù)院2008年批準(zhǔn)設(shè)立了轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)，支持農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因技術(shù)研發(fā)，我國科研人員克隆了100多個(gè)重要基因，取得了抗蟲棉、抗蟲玉米、耐除草劑大豆等一批重大成果，我國自主基因、自主技術(shù)、自主品種的研發(fā)能力顯著提升。由上述兩則新聞引出轉(zhuǎn)基因和克隆目的基因的概念，引導(dǎo)學(xué)生討論：在第六章“基因工程載體及其選用”選定載體后，如何獲得目的基因用于基因工程操作？學(xué)生帶著問題與懸念進(jìn)入“聚合酶鏈反應(yīng)及其反應(yīng)條件的優(yōu)化”的學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：通過熱點(diǎn)新聞吸引學(xué)生的注意力，直奔主題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生帶著問題主動進(jìn)入新課的學(xué)習(xí)。

（二）任務(wù)一：師生互動。教師組織學(xué)生思考聚合酶鏈反應(yīng)原理圖，通過形象的原理圖，讓學(xué)生說出一個(gè)模板DNA分子是如何通過PCR經(jīng)過n個(gè)循環(huán)得到2n-1個(gè)一樣的雙鏈DNA分子。通過師生互動，學(xué)生搞清楚PCR原理，方便后續(xù)內(nèi)容的掌握。

設(shè)計(jì)意圖：通過形象的原理圖，學(xué)生更容易掌握抽象的PCR原理，為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

（三）任務(wù)二：生生合作及教師引導(dǎo)。思考、討論如下問題：（1）通過原理圖分析PCR反應(yīng)的兩個(gè)重要特征是什么？（2）典型的PCR包含哪些步驟？（3）PCR反應(yīng)體系由哪些組分構(gòu)成？PCR每一種組分在具體的實(shí)驗(yàn)中各有哪些注意事項(xiàng)？如何在PCR儀上設(shè)置程序？請學(xué)生分別回答上述問題。在學(xué)生回答問題時(shí)，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

有關(guān)問題一的探討。在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上歸納出PCR反應(yīng)的兩個(gè)重要特征：（1）擴(kuò)增所得到的DNA片段大小由兩個(gè)引物結(jié)合位點(diǎn)之間的距離確定，即最終獲得的DNA片段是兩個(gè)引物之間的片段。（2）經(jīng)過n輪擴(kuò)增后理論上可以得到2n-1個(gè)一樣的雙鏈DNA分子。在學(xué)生回答后增加一個(gè)小問題：一般的PCR反應(yīng)需要擴(kuò)增多少個(gè)循環(huán)？在學(xué)生回答需要25-30個(gè)循環(huán)后，教師要及時(shí)提醒學(xué)生，書上所說的數(shù)字只是針對一般情況而言，實(shí)際上在某些特定PCR中需要20個(gè)循環(huán)（例如RACE第一輪PCR一般只需要20個(gè)循環(huán)）或者有些擴(kuò)增效率較低的PCR需要30-35個(gè)循環(huán)。告訴學(xué)生設(shè)置PCR循環(huán)數(shù)需要綜合考慮三個(gè)因素：一是提供Taq酶的生物公司的說明書；二是某些特殊PCR的特定要求；三是結(jié)合瓊脂糖凝膠電泳的結(jié)果對循環(huán)數(shù)進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整。讓學(xué)生樹立“不唯書”“實(shí)踐出真知”的科學(xué)意識。這樣有助于學(xué)生在將來的科研實(shí)驗(yàn)中可以迅速上手，而不是只知理論，遇到具體的實(shí)驗(yàn)很茫然。

有關(guān)問題二的探討。在學(xué)生回答典型的PCR包含變性、退火和延伸三大步驟后，教師要及時(shí)提醒學(xué)生，常規(guī)PCR一般都是包含這三個(gè)步驟，但是有些特殊的PCR程序設(shè)置比較復(fù)雜（比如利用Genome Walking試劑盒進(jìn)行PCR的時(shí)候，程序設(shè)置就很復(fù)雜；進(jìn)行Touch-down PCR的時(shí)候，程序設(shè)置也比較復(fù)雜），因此進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)的時(shí)候一定要參照前人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)程序，不能誤以為所有的PCR都只需要設(shè)置三步，這樣可以提前讓學(xué)生避免將來實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的誤區(qū)。

有關(guān)問題三的探討。由于書上所講內(nèi)容非常偏理論化且非常陳舊，而且與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合非常松散，因此計(jì)劃在這方面的教學(xué)通過學(xué)生探討在教師的引導(dǎo)下加以改進(jìn)。首先，在教師的引導(dǎo)下由學(xué)生回答PCR的組分包括10XPCR Buffer、DNA聚合酶、引物1、引物2、dNTP、去離子水及DNA模板。接著引導(dǎo)學(xué)生討論每一組分的注意事項(xiàng)。為了增強(qiáng)學(xué)生對每一種試劑的感性認(rèn)識，教師此時(shí)可以展示生物公司銷售的每一種組分的圖片，讓學(xué)生消除畏懼心和神秘感。同時(shí)，為了使學(xué)生將來可以直接上手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以在課堂給學(xué)生現(xiàn)場演示登錄寶日醫(yī)生物技術(shù)（北京）有限公司的官方網(wǎng)站http：//www.takarabiomed.com.cn/（里面有很多比較實(shí)用的實(shí)驗(yàn)信息），依次點(diǎn)擊網(wǎng)站首頁的產(chǎn)品選擇指南—一般PCR相關(guān)制品—基本PCR：Taq系列-TaKaRa TaqTM下載Code No.R001A產(chǎn)品的說明書?，F(xiàn)場以說明書進(jìn)行講解，可以發(fā)現(xiàn)一般的PCR總的反應(yīng)體積都是50μL。其中對應(yīng)的10XPCR Buffer的終濃度為1X。dNTP的終濃度一般為0.2mM，由于生物公司銷售的dNTP一般有10mM和2.5mM兩種規(guī)格，所以一定要提醒學(xué)生配制PCR反應(yīng)體系的時(shí)候不僅要知道用的是什么物質(zhì)，而且一定要看清楚濃度。引物1和引物2的濃度一般一樣，范圍均為0.2-1.0μM。在這里可以給學(xué)生現(xiàn)場展示從生物公司合成的引物會有一些粘在管壁上，因此要蓋緊蓋子首先離心2min，使得引物全部聚集于離心管底部。然后按照引物說明書上提示的體積加入去離子水，形成100μM的引物母液，在配置PCR反應(yīng)體系的時(shí)候，可以稀釋至20μM利用。同時(shí)，給學(xué)生講述引物設(shè)計(jì)最常用的幾個(gè)規(guī)則，可以選取若干個(gè)具體基因的例子，在現(xiàn)場演示軟件使用方法的情況下，讓學(xué)生嘗試用常用生物軟件primer premier 5進(jìn)行引物設(shè)計(jì)。至于模板DNA，因?yàn)樯婕暗膬?nèi)容比較廣泛，既可以是基因組DNA，又可以是cDNA，還可以是質(zhì)?；蛘呒?xì)菌菌液，可以給學(xué)生布置課后作業(yè)，讓學(xué)生課后到中國知網(wǎng)上搜索一篇相關(guān)的文章，詳細(xì)了解模板DNA的類型及各種DNA模板的制備方法。此外，告訴學(xué)生Taq酶的種類比較多，需要根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇不同的Taq酶，讓學(xué)生課后依次點(diǎn)擊網(wǎng)站首頁的產(chǎn)品選擇指南—一般PCR相關(guān)制品—PCR原理說明—PCR Enzymes的選擇詳細(xì)了解在何種場合選用何種具體的DNA聚合酶。同時(shí)，現(xiàn)場向?qū)W生展示每一種成分的具體實(shí)物，配置PCR反應(yīng)體系所要用到的20μL和2μL移液器及0.2mL PCR管子，現(xiàn)場展示PCR反應(yīng)體系配置過程。然后，以一個(gè)具體的程序?yàn)槔?，現(xiàn)場講解PCR儀器中如何設(shè)置和運(yùn)行程序，雖然PCR儀器的廠家眾多，儀器界面各有差異，但是主流的PCR儀器設(shè)置和運(yùn)行程序大同小異。講解后讓學(xué)生現(xiàn)場操作設(shè)置相關(guān)的程序并運(yùn)行。最后，教師告知學(xué)生，雖然課本上講了很多影響因素，但是多數(shù)理論在實(shí)際中應(yīng)用很少，在實(shí)際的科研中PCR的反應(yīng)條件中最具有可調(diào)節(jié)性的就是退火溫度，一般可以在引物的Tm值上下波動5℃的范圍內(nèi)設(shè)定退火溫度，以獲得更好的PCR產(chǎn)物的特異性（由瓊脂糖凝膠電泳中目的條帶的特異性來體現(xiàn)）。

設(shè)計(jì)意圖：貫徹將課堂還給學(xué)生的教育理念，同時(shí)為了解決我國大學(xué)生普遍存在的眼高手低和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^差的缺點(diǎn)，大膽拋棄書中一些比較瑣碎但是對具體的科研意義不大的理論講解。以現(xiàn)實(shí)中的產(chǎn)品說明書、各種組分、加樣品的移液器、最后在其中實(shí)際進(jìn)行PCR反應(yīng)的PCR儀器及相關(guān)的生物軟件的實(shí)操，讓學(xué)生在討論和實(shí)踐中真正地掌握本節(jié)課的理論知識和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作技能。

三、結(jié)論

“任務(wù)驅(qū)動”是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)方法，它強(qiáng)調(diào)“任務(wù)”的目標(biāo)性和教學(xué)情境的創(chuàng)建，這種教學(xué)方式能為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)踐及感悟問題的情境。這期間，學(xué)生在教師的幫助和引導(dǎo)下，圍繞任務(wù)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作中領(lǐng)會理論知識的學(xué)習(xí)過程。本節(jié)課首先以兩則社會上的熱點(diǎn)新聞引入轉(zhuǎn)基因的話題，進(jìn)一步涉及轉(zhuǎn)基因操作中目的基因的獲取這一步驟及實(shí)現(xiàn)獲取目的基因最常見的PCR方法，自然地將話題從新聞轉(zhuǎn)入正軌。然后，在“師生互動”及“生生合作，教師引導(dǎo)”兩個(gè)任務(wù)的驅(qū)動下，將生物網(wǎng)站、生物產(chǎn)品說明書、生物軟件、PCR反應(yīng)體系各種組分及PCR儀器引入課堂，讓學(xué)生在動手實(shí)踐中加深理解相關(guān)理論，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作技能。這種教學(xué)方法一改部分教師在上面高談闊論、學(xué)生在下面聽得昏昏欲睡的沉悶“灌輸式”課堂教學(xué)，使得學(xué)生能積極參與到課堂中，通過實(shí)驗(yàn)獲得成就感，增強(qiáng)學(xué)習(xí)基因工程原理與方法課程的積極性。并非學(xué)生不愛學(xué)習(xí)，而是部分教師過于脫離實(shí)驗(yàn)實(shí)際的空洞降解扼殺了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。當(dāng)然，本節(jié)課程的設(shè)計(jì)還可以在將來的教學(xué)實(shí)踐中不斷加以完善。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姚艷玲.聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)在食品源性分析中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017（9）

（下轉(zhuǎn)第145頁）

（上接第142頁）

[2]許暉.基于任務(wù)驅(qū)動的“蛋白質(zhì)”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2017（8）

[3]王威.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在高職高專生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].化學(xué)工程與裝備，2017（11）

[4]胡鶴娟，邱秀芹.運(yùn)用“任務(wù)驅(qū)動的頂層設(shè)計(jì)思想”實(shí)施分子生物學(xué)技術(shù)課程教學(xué)改革[J].醫(yī)學(xué)理論與實(shí)踐，2017（10）

[5]徐國芬.淺議如何在教學(xué)情境中培養(yǎng)學(xué)生問題意識[J].考試周刊，2018（14）

[6]何麗紅.試論教學(xué)情境在大學(xué)英語教學(xué)中的應(yīng)用[J].太原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）

[7]張艷君，孫遠(yuǎn)東，譚樹華.多元化教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)在生物化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)雜志，2017（6）

[8]戴玉.中國轉(zhuǎn)基因主糧商業(yè)化問題的理論與應(yīng)用研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2013

[9]羅云波，賀曉云.中國轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述[J].中國食品學(xué)報(bào)，2014（8）

[10]肖迎新.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于學(xué)生為主體的大學(xué)英語教學(xué)模式改革研究——以內(nèi)蒙古師范大學(xué)為例[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2017（30）

[11]王曉梅.問題意識為高校英語教師贏得課堂教學(xué)主動權(quán)的運(yùn)用效果研究[J].普洱學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（33）

[12]李萍.基于任務(wù)驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用研究——以大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程為例[J].陜西學(xué)前師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（5）

[13]華激文.以“任務(wù)驅(qū)動”進(jìn)行“能量流動”一節(jié)（第一課時(shí)） 的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2017（9）

[14]李曉薇，董園園，李海燕.《植物基因工程》教學(xué)實(shí)踐的幾點(diǎn)體會[J].高教學(xué)刊，2016（3）

[15]鄒先瓊，林軍，廖錦鋒.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在生物信息學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐與思考[J].教育教學(xué)論壇，2017（28）

【基金項(xiàng)目】廣西科協(xié)資助青年科技工作者專項(xiàng)課題（桂科協(xié)[2017]ZC-41）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2018JGA136，2017JGB161）

（責(zé)編 盧 雯）