“紙片模擬PCR”實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)設(shè)計(jì)

北京市第四中學(xué)(100034) 張 瑾

為了抗擊新冠肺炎疫情，我校師生開展了線上學(xué)習(xí)活動(dòng)。教學(xué)形式的改變給筆者的教學(xué)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。尤其在學(xué)習(xí)基因工程中PCR相關(guān)內(nèi)容時(shí)，由于反應(yīng)原理復(fù)雜抽象，無(wú)法組織“PCR擴(kuò)增DNA片段及凝膠電泳鑒定”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，僅依靠觀看PCR原理動(dòng)畫、繪圖和教師講授，很難取得理想的教學(xué)效果。

為此，筆者查閱國(guó)內(nèi)外資料，嘗試采用紙片模擬PCR的方法，指導(dǎo)學(xué)生居家實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解PCR原理，提高科學(xué)思維和探究能力。該實(shí)驗(yàn)很好地反映了PCR原理，用具簡(jiǎn)單，步驟簡(jiǎn)便，直觀易懂，適合居家開展。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材內(nèi)容、學(xué)生情況及線上教學(xué)特點(diǎn)，制定教學(xué)目標(biāo)為：用紙片模擬并推理PCR過(guò)程及原理，構(gòu)建產(chǎn)物數(shù)量的數(shù)學(xué)模型，提高科學(xué)思維及探究能力。教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)均為用紙片模擬并推理PCR過(guò)程及原理。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

上課前一天，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)用具：彩紙、剪刀、膠水(或膠條)、尺子。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

3.1 類比推理

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)體內(nèi)DNA復(fù)制，類比推理體外DNA復(fù)制反應(yīng)體系。教師將DNA體內(nèi)、體外復(fù)制條件列表，分別做成選擇題及判斷題，學(xué)生單擊選擇答案。教師可快速掌握全班學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，邀請(qǐng)學(xué)生網(wǎng)上連麥闡述推斷理由，進(jìn)而導(dǎo)出PCR概念并展示相關(guān)資料，印證學(xué)生猜想，引導(dǎo)學(xué)生建立知識(shí)框架，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。

大部分學(xué)生根據(jù)高溫能使DNA雙鏈間的氫鍵斷裂形成2條DNA單鏈，可以推測(cè)出體外DNA復(fù)制不需要解旋酶和連接酶，只需要DNA聚合酶。教師介紹耐高溫的Taq DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)史、最適溫度、特性(以引物與模板形成的小段DNA雙鏈區(qū)為起點(diǎn)，催化合成一條新的DNA互補(bǔ)鏈)，并說(shuō)明人工合成短的DNA單鏈可作為體外復(fù)制的引物，在50～60 ℃與互補(bǔ)的模板鏈結(jié)合，為后續(xù)模擬實(shí)驗(yàn)作好鋪墊。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作

教師介紹PCR技術(shù)的科學(xué)史，早期DNA合成是以1條DNA單鏈為模板，由1個(gè)引物啟動(dòng)，效率很低。

質(zhì)疑：用一對(duì)引物分別以2條互補(bǔ)的DNA單鏈為模板合成DNA，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度，多次循環(huán)，為什么能使DNA成倍擴(kuò)增？引導(dǎo)學(xué)生嘗試通過(guò)紙片模擬實(shí)驗(yàn)，推理PCR原理。

提示學(xué)生：帶箭頭的長(zhǎng)紙條為模板鏈，帶箭頭的短紙條作為引物。2個(gè)箭頭方向相反并排放在一起[見(jiàn)圖1(a)]，表示通過(guò)互補(bǔ)配對(duì)形成雙鏈；紙條分開是指DNA雙鏈間的氫鍵斷裂，形成DNA單鏈[見(jiàn)圖1(b)]。在引物紙條箭頭所指方向貼上長(zhǎng)紙條，并根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則寫出序列，剪斷多余紙條并在尾部剪出箭頭，模擬DNA互補(bǔ)鏈的合成。

學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，通過(guò)剪紙、粘貼、書寫序列等簡(jiǎn)單操作，基本能順利地推導(dǎo)出PCR過(guò)程(見(jiàn)圖1)及原理。

3.3 直播互動(dòng)

教學(xué)平臺(tái)如有學(xué)生視頻互動(dòng)功能，教師可讓學(xué)生將攝像頭對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作，了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，邀請(qǐng)成功模擬的學(xué)生視頻連線。如果沒(méi)有視頻互動(dòng)功能，教師可讓學(xué)生拍照上傳實(shí)驗(yàn)步驟到教學(xué)平臺(tái)，邀請(qǐng)學(xué)生連麥講解，教師配合展示學(xué)生上傳的實(shí)驗(yàn)操作照片。

學(xué)生展示并講解紙片模擬PCR過(guò)程，分析PCR達(dá)成指數(shù)倍擴(kuò)增DNA的原理，通過(guò)嚴(yán)密的邏輯推理提高科學(xué)思維和探究能力，同時(shí)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生之間相互評(píng)價(jià)，完成有效互動(dòng)。

教師結(jié)合學(xué)生的分析，介紹“變性”“退火”“延伸”概念，師生一同歸納出PCR過(guò)程，并分析引物設(shè)計(jì)原則。

3.4 鞏固落實(shí)

相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，線上教學(xué)互動(dòng)較少，教師需借助教學(xué)平臺(tái)采取有效手段敦促全體學(xué)生及時(shí)鞏固落實(shí)知識(shí)。因此，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生用紙片模擬PCR3個(gè)循環(huán)，拍照并記錄產(chǎn)物分子的類型及個(gè)數(shù)。提示學(xué)生注意觀察目的基因的單鏈DNA、雙鏈DNA片段分別在第幾次循環(huán)后出現(xiàn)，并推算第n次循環(huán)后，產(chǎn)物分子的類型及個(gè)數(shù)。隨后，聯(lián)線學(xué)生分享模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。此外，要求全體學(xué)生課后整理實(shí)驗(yàn)照片及數(shù)據(jù)，書寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，制作成PPT并上傳至教學(xué)平臺(tái)。以此來(lái)鞏固落實(shí)所學(xué)知識(shí)，完成實(shí)驗(yàn)分享和評(píng)價(jià)。

3.5 課堂小結(jié)

最后，教師播放“PCR原理”動(dòng)畫視頻，以簡(jiǎn)明、直觀的形式回顧本節(jié)知識(shí)內(nèi)容。要求學(xué)生課下根據(jù)興趣或教師提供的議題(如新冠肺炎病毒的檢測(cè)、法醫(yī)指證、親子鑒定等)，搜索PCR應(yīng)用實(shí)例并準(zhǔn)備直播分享。從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，認(rèn)同現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)社會(huì)的推動(dòng)作用。

4 教學(xué)反思

如果課堂時(shí)間有限，可讓學(xué)生課下完成模擬PCR3個(gè)循環(huán)及構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，制作成PPT上傳至教學(xué)平臺(tái)。在下節(jié)課上，學(xué)生展示、教師講評(píng)PPT，從而給學(xué)生留下更充足的獨(dú)立思考的時(shí)間。

本實(shí)驗(yàn)用具簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，形象、直觀地反映了PCR過(guò)程，有助于學(xué)生理解重要且抽象的PCR原理。學(xué)生通過(guò)推理PCR過(guò)程及原理，分享交流，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，書寫完整實(shí)驗(yàn)報(bào)告，切實(shí)提高了科學(xué)思維和探究能力。