科學(xué)思維視角下PCR 的深度學(xué)習(xí)

江蘇

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中“科學(xué)思維”是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。

本文以各類PCR 考題為主線，談?wù)勅绾问箤W(xué)生在深度學(xué)習(xí)PCR 時(shí)養(yǎng)成科學(xué)思維。

1.背景知識(shí)

PCR（多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）是在體外迅速擴(kuò)增DNA 片段的技術(shù)。反應(yīng)體系包括：緩沖液、一對(duì)引物、Taq DNA聚合酶、模板DNA、4 種dNTP。反應(yīng)過(guò)程包括：高溫變性、低溫復(fù)性、中溫延伸。反應(yīng)結(jié)果：在短時(shí)間內(nèi)，以指數(shù)形式擴(kuò)增DNA 片段。

2.以題說(shuō)題，提升分析與綜合能力

【例1】（2017 年，江蘇卷，第33 題節(jié)選）（題干略）

（2）設(shè)計(jì)一對(duì)與MT 基因兩端序列互補(bǔ)配對(duì)的引物（引物1 和引物2），為方便構(gòu)建重組質(zhì)粒，在引物中需要增加適當(dāng)?shù)腳_________位點(diǎn)。設(shè)計(jì)引物時(shí)需要避免引物之間形成__________，而造成引物自連。

（4）PCR 擴(kuò)增時(shí)，退火溫度的設(shè)定是成敗的關(guān)鍵。退火溫度過(guò)高會(huì)破壞_________的堿基配對(duì)。退火溫度的設(shè)定與引物長(zhǎng)度、堿基組成有關(guān)，長(zhǎng)度相同但_________的引物需要設(shè)定更高的退火溫度。

【答案】（2）限制性核酸內(nèi)切酶 堿基互補(bǔ)配對(duì)

（4）引物與模板 GC 含量高

【例2】（2018 年，江蘇卷，第32 題節(jié)選）（題干略）

（2）為了便于擴(kuò)增的DNA 片段與表達(dá)載體連接，需在引物的_________端加上限制性酶切位點(diǎn)，且常在兩條引物上設(shè)計(jì)加入不同的限制性酶切位點(diǎn)，主要目的是__________________________________________________。

【答案】5′ 使DNA 片段能定向插入表達(dá)載體，減少自連

筆者認(rèn)為教師在實(shí)際教學(xué)中不妨大膽借助真題的信息設(shè)計(jì)問(wèn)題，幫助學(xué)生更充分地理解PCR 中引物與退火的聯(lián)系。

設(shè)計(jì)問(wèn)題如下：

①請(qǐng)根據(jù)真題的信息，從引物長(zhǎng)度、堿基含量等方面歸納引物設(shè)計(jì)的原則；

②退火時(shí)，是引物結(jié)合模板鏈的機(jī)會(huì)大還是模板鏈互補(bǔ)的機(jī)會(huì)大；

③深度挖掘例1 的信息，如何理解退火溫度的設(shè)計(jì)應(yīng)“既高也低”。

可能出現(xiàn)的情況：針對(duì)問(wèn)題①學(xué)生綜合分析后不難得出引物設(shè)計(jì)的原則：引物長(zhǎng)度需適中，過(guò)短可能導(dǎo)致與模板結(jié)合特異性較差，過(guò)長(zhǎng)則很有可能導(dǎo)致引物自身發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)；引物GC 的含量應(yīng)適中，否則會(huì)影響退火。針對(duì)問(wèn)題②學(xué)生也能推測(cè)出由于引物比模板鏈短得多，所以引物和模板鏈之間的結(jié)合機(jī)會(huì)較大。突破這兩個(gè)問(wèn)題后，在分析問(wèn)題③退火溫度的設(shè)計(jì)應(yīng)“既高也低”的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)“兩極分化”，有些學(xué)生會(huì)很容易得出只有當(dāng)溫度足夠低時(shí)才能保證引物同目的序列有效結(jié)合，同時(shí)還要足夠高，以減少非特異性結(jié)合；有些學(xué)生可能依舊無(wú)法準(zhǔn)確掌握“既高也低”的意思。但是無(wú)論如何，相信以題說(shuō)題在一定程度上不僅可以提升學(xué)生分析與綜合的能力，還能避免教師“機(jī)械”地教、學(xué)生“麻木”地聽的現(xiàn)象發(fā)生。

3.以題畫題，提升比較與分類能力

【例3】（2020 年，江蘇卷，第33 題節(jié)選）（題干略）

（2）Taq DNA 聚合酶的作用是催化 ________________________。

【答案】以DNA 為模板的DNA 鏈的延伸

憑借對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的識(shí)記，學(xué)生可以較為輕松地回答此題。但是如果追問(wèn)Taq 酶與DNA 連接酶的區(qū)別，學(xué)生很有可能就會(huì)陷入迷思。

筆者認(rèn)為由于DNA 聚合酶與Taq 酶的作用機(jī)理是非常相似的，所以大可“借”DNA 聚合酶“以畫促學(xué)”。

具體操作如下：先畫基本單位脫氧核苷酸；繼續(xù)畫一條脫氧核苷酸鏈作為模板；再畫引物結(jié)合至模板鏈上；最后畫上由DNA 聚合酶催化合成的子鏈。

可能出現(xiàn)的情況：在學(xué)生親手作畫的過(guò)程中，自然而然領(lǐng)悟到DNA 聚合酶是將單個(gè)脫氧核苷酸連接到已有的引物鏈上；DNA 連接酶是將經(jīng)限制酶切割后的有黏性末端或平末端的DNA 片段連接起來(lái)。此外還可以借畫圖的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生自我強(qiáng)化PCR 子鏈延伸方向的知識(shí)。

4.以題論題，提升逆向思辨能力

【例4】（2020 年，江蘇卷，第33 題節(jié)選）如果已知一小段DNA 的序列，可采用PCR 的方法，簡(jiǎn)捷地分析出已知序列兩側(cè)的序列，具體流程如圖1（以EcoR Ⅰ酶切為例）：

圖1

（3）若表1 所列為已知的DNA 序列和設(shè)計(jì)的一些PCR 引物，步驟Ⅲ選用的PCR 引物必須是________（從引物①②③④中選擇，填編號(hào)）。

表1

【答案】②④

有了前面的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，絕大多數(shù)學(xué)生會(huì)選擇①③，還會(huì)質(zhì)疑答案是否錯(cuò)誤。筆者認(rèn)為無(wú)論如何，都應(yīng)贊許學(xué)生有質(zhì)疑的勇氣，此外若能幫助學(xué)生從問(wèn)題的本質(zhì)出發(fā)，無(wú)形之中就發(fā)展了學(xué)生“肯定—否定—思考—修正”這一思辨能力。都說(shuō)“授人以魚不如授人以漁”，不妨先請(qǐng)學(xué)生根據(jù)教師提供的圖形（如圖2）說(shuō)說(shuō)PCR 與反向PCR 的區(qū)別；其次，請(qǐng)學(xué)生完成表2；最后，回歸答案、認(rèn)同答案。

圖2

表2

5.以題算題，提升模型構(gòu)建能力

【例5】若一個(gè)該DNA 分子在PCR 儀中經(jīng)過(guò)4 次循環(huán)，需要______個(gè)引物。

【答案】30

【例6】p53 基因是人體內(nèi)一種抑癌基因。n 次循環(huán)之后，只含目的基因的片段占所有擴(kuò)增產(chǎn)物的比例為______。

【答案】（2n－2n）/ 2n

這是PCR 試題中另一種較為常見且難度系數(shù)較大的題型——計(jì)算題：考查循環(huán)次數(shù)與引物、目的基因等的數(shù)量關(guān)系。學(xué)生解答這一類題目時(shí)，僅有生物學(xué)知識(shí)還不夠，較為完善的數(shù)學(xué)學(xué)科思維也很重要。以上述兩題為例，筆者認(rèn)為應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)探索、學(xué)習(xí)更符合新時(shí)代的教學(xué)要求。

具體操作為給出PCR 三次循環(huán)的過(guò)程圖（如圖3），引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)摸索規(guī)律、搭建數(shù)學(xué)模型來(lái)解答此題。

圖3

觀察圖形、推理演算、匯總數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的情況：

①關(guān)于引物

第一次循環(huán)后，得到2 個(gè)DNA，都有引物，引物A與引物B 各1 個(gè)；

第二次循環(huán)后，得到4 個(gè)DNA，都有引物，引物A與引物B 各3 個(gè)；

第三次循環(huán)后，得到8 個(gè)DNA，都有引物，引物A與引物B 各7 個(gè)。

②關(guān)于DNA 片段

第一次循環(huán)后，得到2 個(gè)DNA，共4 條鏈（2 長(zhǎng)、2 中）；

第二次循環(huán)后，得到4 個(gè)DNA，共8 條鏈（2 長(zhǎng)、4 中、2 短）；

第三次循環(huán)后，得到8 個(gè)DNA，共16 條鏈（2 長(zhǎng)、6 中、8 短）。

以上基礎(chǔ)加上數(shù)據(jù)思維，繼續(xù)構(gòu)建循環(huán)n 次各項(xiàng)目的數(shù)量表格模型（如表3）就會(huì)相對(duì)容易了。

表3

學(xué)無(wú)止境，上文只是PCR 內(nèi)容的冰山一角，除了普通PCR、反向PCR 以外還有逆轉(zhuǎn)錄PCR、原位PCR 等，不同類型的PCR 擴(kuò)增過(guò)程相差不多，但又各有特殊要求。因此，筆者認(rèn)為在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的同時(shí)教師也應(yīng)注重提升自身業(yè)務(wù)能力，這樣才是真正意義上的“教學(xué)相長(zhǎng)”。