以問(wèn)題解決為導(dǎo)向，構(gòu)建高效生物課堂

高成

摘 ? ?要：科學(xué)探究要求學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)生活中的科學(xué)問(wèn)題，并進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施和結(jié)果交流討論，是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑。在“DNA的PCR擴(kuò)增”一節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)對(duì)“鑒定古墓骨骼樣本的性別”問(wèn)題創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行資料分析，逐步剖析PCR擴(kuò)增過(guò)程中模板來(lái)源、反應(yīng)體系、反應(yīng)條件等內(nèi)容，并自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能有效發(fā)展學(xué)生的理性思維，幫助其構(gòu)建知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞：DNA的PCR擴(kuò)增;科學(xué)探究

蘇霍姆林斯基說(shuō)：“人的心靈深處有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探究者?！笨茖W(xué)探究要求學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)生活中的科學(xué)問(wèn)題，并進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施和結(jié)果交流討論[1]。在科學(xué)探究的過(guò)程中，學(xué)生可以親歷科學(xué)事實(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，掌握科學(xué)探究的基本方法和技能，主動(dòng)進(jìn)行意義建構(gòu)，完善知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，拓展思維深度和廣度。因而，科學(xué)探究被認(rèn)為是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑[2]。

PCR技術(shù)（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是利用DNA聚合酶在體外進(jìn)行DNA復(fù)制的過(guò)程。所涉及的反應(yīng)過(guò)程都是微觀的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生沒(méi)有直觀認(rèn)識(shí)，也難以理解其在疾病診斷、醫(yī)學(xué)鑒定、科學(xué)研究等方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。在以往的教學(xué)過(guò)程中，這部分內(nèi)容往往采用的是理論講解或者觀看動(dòng)畫等方式，學(xué)生缺乏真實(shí)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)效率不高。隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，PCR技術(shù)早已不是什么高深的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在杭州的普通高中實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)配備了PCR儀等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材。因此，如何挖掘科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置學(xué)生可操作、能探究、有意義的PCR實(shí)驗(yàn)情境，是提高儀器利用率，構(gòu)建高效生物課堂的關(guān)鍵。

在浙科版普通高中教科書《生物學(xué)》選擇性必修3《生物技術(shù)與工程》第四章《基因工程》第一節(jié)第二個(gè)“活動(dòng)”——“PCR擴(kuò)增DNA片段及凝膠電泳鑒定”的教學(xué)活動(dòng)中，筆者先讓學(xué)生通過(guò)閱讀背景資料，逐步發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題“如何鑒定未知骨骼樣本的性別”，以此創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境。接著以解決真實(shí)情境問(wèn)題為導(dǎo)向，借助合適的學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用科學(xué)思維，通過(guò)小組匯報(bào)等形式，共享學(xué)習(xí)成果，逐步剖析PCR擴(kuò)增過(guò)程中模板來(lái)源、反應(yīng)體系、反應(yīng)條件等內(nèi)容，發(fā)展理性思維，自主構(gòu)建知識(shí)體系。學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)和產(chǎn)品使用說(shuō)明書，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以口腔上皮細(xì)胞等簡(jiǎn)單有效的實(shí)驗(yàn)材料完成實(shí)驗(yàn)，既在學(xué)中做，又在做中學(xué)，解決問(wèn)題，并學(xué)以致用，加深對(duì)PCR技術(shù)的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，體會(huì)PCR技術(shù)在生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用。

一、創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，導(dǎo)出科學(xué)問(wèn)題

PCR技術(shù)在古生物研究、基因檢測(cè)、刑事偵破、疾病診療等方面有廣泛應(yīng)用，這為生物課堂創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境提供了大量的素材。例如，在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，可以采用對(duì)曹操墓進(jìn)行考古挖掘的相關(guān)新聞報(bào)道為例導(dǎo)入新課，提出問(wèn)題：“考古人員在古墓中發(fā)現(xiàn)了一塊骨骼殘骸，你有什么辦法可以確定該遺骸的性別？”學(xué)生閱讀筆者提供的資料，分析推理得出：可以通過(guò)觀察樣本中是否含有Y染色體的特有基因DYZ1來(lái)判斷。DYZ1基因，位于人類的Y染色體上，其特異序列長(zhǎng)度為154bp，拷貝數(shù)為3000～5000。由于其拷貝數(shù)多，特異性好，被廣泛用于性別鑒定。

從真實(shí)案例出發(fā)，可快速將學(xué)生帶入問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生明確探究活動(dòng)的目的和意義，讓學(xué)生對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容產(chǎn)生期待并激發(fā)學(xué)習(xí)欲望。但從骨骼殘骸中提取到的DNA的量非常少，怎樣檢驗(yàn)其是否含有154bp的DYZ1基因片段呢？筆者指導(dǎo)學(xué)生閱讀資料學(xué)習(xí)DNA瓊脂糖凝膠電泳的基本原理和方法（如圖1），然后嘗試使用課前準(zhǔn)備好的DNA樣本進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳，電泳需要30分鐘左右。在這個(gè)等待過(guò)程中，筆者安排后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

基本原理及相關(guān)問(wèn)題

筆者給出一個(gè)電泳結(jié)果圖，并提出問(wèn)題串：1.第一泳道中加入標(biāo)準(zhǔn)DNA的作用是什么？2.第二泳道的DNA片段大小是多少？3.觀察到的DNA條帶是一個(gè)DNA分子嗎……以此鞏固并深化學(xué)生對(duì)DNA瓊脂糖凝膠電泳的掌握。在學(xué)生掌握了DNA瓊脂糖凝膠電泳的原理后，筆者將探究任務(wù)明確為：如何從微量DNA中精確獲得大量的DYZ1基因片段？

二、理論實(shí)踐結(jié)合，嘗試科學(xué)探究

學(xué)生在普通高中教科書《生物學(xué)》必修2模塊中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)DNA的復(fù)制過(guò)程，為學(xué)習(xí)DNA的體外擴(kuò)增打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)類比分析，結(jié)合相關(guān)閱讀資料，能夠根據(jù)PCR技術(shù)的基本原理，得出PCR反應(yīng)需要模板、原料、DNA聚合酶等成分。

通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)PCR試劑使用說(shuō)明書，學(xué)生可以依葫蘆畫瓢，設(shè)計(jì)配置PCR反應(yīng)體系的方法。為方便實(shí)驗(yàn)操作，筆者推薦學(xué)生使用2X PCR mix試劑，它含有耐高溫的taq酶（DNA聚合酶）、dNTP、PCR 反應(yīng)所需的緩沖液等，只需加入適量引物和模板，即可進(jìn)行PCR擴(kuò)增（見表1）。

由于PCR反應(yīng)非常靈敏，可以擴(kuò)增目的基因序列超過(guò)1000萬(wàn)倍，在使用時(shí)應(yīng)注意避免微量待擴(kuò)增DNA的污染，并盡量考慮設(shè)置不加模板的空白對(duì)照，以確認(rèn)是否有待擴(kuò)增DNA的污染。筆者設(shè)計(jì)表格（見表2）引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)置空白對(duì)照、陽(yáng)性對(duì)照和陰性對(duì)照。

學(xué)生分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，提取男性和女性的口腔上皮細(xì)胞DNA粗提取物，作為對(duì)照組的模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增?？谇簧掀ぜ?xì)胞DNA粗提取液（模板）的制備方法如下：1.取檢材前，用涼開水漱凈，去除口腔內(nèi)的食物殘?jiān)?2.用無(wú)菌的牙簽在口腔兩側(cè)頰部輕輕刮動(dòng)數(shù)次，獲得口腔上皮細(xì)胞;3.將牙簽放入300μL裂解液中，反復(fù)攪動(dòng)幾次，再將細(xì)胞洗下即可。陽(yáng)性對(duì)照和陰性對(duì)照的DNA模板獲取方法簡(jiǎn)單易行，可由學(xué)生自主探究總結(jié)。如此，可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生認(rèn)同感，有效激發(fā)學(xué)生的探究興趣。各小組同時(shí)按照設(shè)計(jì)好的PCR反應(yīng)體系和實(shí)驗(yàn)分組（見表1、2），配制反應(yīng)液，在實(shí)驗(yàn)探究中解決問(wèn)題。

三、探究結(jié)果分享，知識(shí)遷移拓展

各小組將配制好的PCR反應(yīng)液放入PCR儀中進(jìn)行反應(yīng)。傳統(tǒng)手動(dòng)PCR儀有95℃、55℃和72℃三個(gè)不同溫度池，分別對(duì)應(yīng)變性、退火和延伸三步，學(xué)生能較為直觀地體驗(yàn)PCR儀的工作原理，但這類PCR儀使用費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果不佳?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室配備的PCR儀一般都是全自動(dòng)PCR儀，僅需設(shè)置儀器參數(shù)，方便高效，缺點(diǎn)是學(xué)生難以對(duì)變性、退火和延伸三步反應(yīng)的本質(zhì)即“溫度變化”產(chǎn)生直觀體驗(yàn)。對(duì)比兩類PCR儀的使用方法，可讓學(xué)生體會(huì)到技術(shù)進(jìn)步能推動(dòng)科學(xué)發(fā)展。教師可讓學(xué)生體驗(yàn)PCR儀程序設(shè)置過(guò)程，再結(jié)合教學(xué)視頻講解PCR擴(kuò)增的基本步驟，以使學(xué)生了解PCR儀的基本工作原理，明確變性、退火、延伸三步的作用，理解PCR擴(kuò)增能以指數(shù)的形式大量擴(kuò)增DNA的原理。

最后，筆者引導(dǎo)學(xué)生觀察課前制備的樣本的DNA瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果，判斷未知樣本的性別，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決，完成科學(xué)探究過(guò)程（如圖2）。筆者適時(shí)總結(jié)PCR技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)，介紹其在科學(xué)研究和疾病診斷等方面的重要作用，以及其在非法性別鑒定中的作用，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技是一把雙刃劍，并提示學(xué)生對(duì)任何科學(xué)技術(shù)都要理性科學(xué)地使用。

在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，筆者以解決性別鑒定的問(wèn)題為核心，通過(guò)材料閱讀和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)探究。在具體操作中，又將PCR過(guò)程分解為DNA檢測(cè)、PCR反應(yīng)體系配制、PCR儀操作等部分，并將PCR技術(shù)基本原理和基本操作過(guò)程以問(wèn)題串的形式呈現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生則通過(guò)材料閱讀、小組匯報(bào)、小組實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，獲取信息、理性思考，并在同伴分享中提升對(duì)知識(shí)的理解。課堂上，筆者利用小組匯報(bào)、分享、交流等教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷將學(xué)習(xí)推向深入。

以科學(xué)探究為主體的教學(xué)活動(dòng)，能夠讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、研究問(wèn)題、解決問(wèn)題的探索中，發(fā)現(xiàn)生活中有意義的問(wèn)題，并促使學(xué)生主動(dòng)生成相關(guān)知識(shí)體系。在開展教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)充分考慮學(xué)情，靈活運(yùn)用多種教學(xué)組織方式，改進(jìn)并拓展教材實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，給學(xué)生提供足夠的探究活動(dòng)，構(gòu)建高效的生物課堂，以實(shí)現(xiàn)“學(xué)中做”和“做中學(xué)”，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]楊銘，劉恩山.生物學(xué)核心素養(yǎng)視角下的科學(xué)探究[J].生物學(xué)通報(bào)，2017（9）：12.