孫寶山　林偉　周業(yè)宇

摘要 運用“類比思維”的邏輯思維方法對DNA復(fù)制過程和PCR擴增過程、光合色素分離與瓊脂糖凝膠電泳實驗進(jìn)行類比，提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 類比思維 科學(xué)思維 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號C633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 設(shè)計思想

類比是指根據(jù)兩個研究對象的相同或相似方面，來推斷它們在其他方面一致性的一種思維方法和推理形式，是科學(xué)思維的重要組成部分。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)中逐步發(fā)展科學(xué)思維，能基于生物學(xué)事實和證據(jù)采用演繹與推理的方法，說明生物工程與技術(shù)的原理及其與社會之間的關(guān)系。本課主要通過對DNA復(fù)制過程和PCR擴增過程、光合色素分離實驗原理與瓊脂糖凝膠電泳實驗原理等類比，推理建構(gòu)PCR擴增體系，理解物質(zhì)分離的原理，并認(rèn)識分子篩效應(yīng)和電荷效應(yīng)。

2 教學(xué)背景分析

本節(jié)課選自浙科版選擇性必修模塊3《生物技術(shù)與工程》，學(xué)習(xí)對象是高三年級學(xué)生。學(xué)生能夠概述DNA分子的構(gòu)成、雙螺旋結(jié)構(gòu)特點、細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制方式和條件，認(rèn)同化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)和能量守恒規(guī)律，為實驗操作的順利開展和學(xué)習(xí)目標(biāo)的完成奠定了良好的基礎(chǔ)。另一方面，部分學(xué)生存在著DNA分子基本單位是核糖核苷酸、DNA分子復(fù)制是分段復(fù)制、DNA復(fù)制中只有DNA聚合酶參與等錯誤的認(rèn)知，給學(xué)習(xí)目標(biāo)的完成帶來干擾。

3 學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制過程和PCR過程的比較，從物質(zhì)和能量觀角度，運用類比思維闡述PCR擴增體系的物質(zhì)和條件。

通過比較光合色素提取分離實驗和瓊脂糖凝膠電泳實驗，運用類比推理、批判性思維，解釋在電場中不同大小DNA分子分離的原因。

在小組交流和實驗操作活動中，小組內(nèi)成員主動合作，交流和討論，預(yù)測瓊脂糖凝膠電泳實驗結(jié)果，分析異常結(jié)果出現(xiàn)的原因。

通過PCR技術(shù)應(yīng)用案例的討論，在科技造福于人類的態(tài)度和價值觀下，形成運用生物學(xué)知識解決社會問題的責(zé)任意識和敬畏生命的觀念。

4 教學(xué)準(zhǔn)備

全班學(xué)生分為A1（實驗組）、B1（對照組）、C1（Marker組）、C2（Marker組）共4個小組，選出小組長。在小組活動時，字母相同的兩個小組的活動任務(wù)相同。課前各組學(xué)生完成預(yù)習(xí)實驗方案材料提綱，自學(xué)實驗操作微課視頻。小組長課前th到實驗室配置預(yù)混液和制膠。

5 教學(xué)過程

5.1 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

教師創(chuàng)設(shè)情境，提出問題：新型冠狀病毒是一種RNA病毒，RNA結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，人們檢測新冠病毒時需首先將RNA逆轉(zhuǎn)錄為穩(wěn)定的DNA進(jìn)行測序檢測，但逆轉(zhuǎn)錄出的DNA含量極其微量。如何用生物技術(shù)和工程的方法，獲取大量具有相同遺傳信息的病毒DNA？

學(xué)生自由發(fā)言，思考解決病毒基因的擴增和分離問題。

設(shè)計意圖：教師利用社會熱點事件創(chuàng)設(shè)類比聯(lián)想的問題情境，將情境中隱含的現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變成科學(xué)問題。

5.2 任務(wù)1：PCR擴增DNA片段及凝膠電泳鑒定課堂實驗操作

學(xué)生根據(jù)課前任務(wù)分組和課前微課學(xué)習(xí)，按照實驗操作流程（表1）進(jìn)行科學(xué)實踐。

（1）實施PCR擴增（操作時間10 min，等待時間25 min）。學(xué)生根據(jù)反應(yīng)體系在離心管中加入相應(yīng)物質(zhì)后，將離心管放入PCR儀中按照設(shè)定程序進(jìn)行擴增。A1、B1組每位學(xué)生分別用移液器取20 μL的預(yù)混液加入微量PCR管中。將離心管放入PCR儀中，記號筆標(biāo)記后，按照設(shè)定程序進(jìn)行擴增。

（2）實施瓊脂糖凝膠電泳（操作時間10 min，等待時間25 min）。分別加入不同樣品進(jìn)行點樣，并放入水平電泳槽中進(jìn)行電泳。CI、C2組學(xué)生在一次性手套上分別滴上4滴10 μL上樣緩沖液，分別加入2μL樣品（實驗組2滴、對照組2滴）混勻，點樣，最后分別加入7 μL 2 000 bp Marker和7μL 5 000 bp Marker。調(diào)節(jié)電壓120V，時間25 min進(jìn)行電泳。

設(shè)計意圖：學(xué)生以小組為單位操作，小組內(nèi)成員根據(jù)課前設(shè)計的實驗方案，在小組長的指導(dǎo)下，使用微量移液器、PCR儀、瓊脂糖凝膠電泳儀等設(shè)備，互學(xué)合作完成實驗操作過程。這個過程可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗方案的設(shè)計、實驗工具使用、實驗結(jié)果的呈現(xiàn)等科學(xué)探究能力。學(xué)生在等待實驗結(jié)果的同時，建構(gòu)PCR擴增體系。

5.3 任務(wù)2：建構(gòu)PCR擴增的實驗體系

學(xué)生閱讀教材和教師提供材料，運用類比思維，思考PCR擴增的條件和原料，解決以下問題：

①細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制的條件和原料是什么？

②PCR過程中的條件和原料是什么？

學(xué)生代表板書出DNA復(fù)制的相關(guān)條件，其余學(xué)生在學(xué)案上完成，寫出模板DNA、四種脫氧核苷酸作為原料、DNA聚合酶、解旋酶和引物、ATP等。接著，學(xué)生交流討論，比較DNA復(fù)制和PCR過程的異同，解決以下問題：

①DNA復(fù)制和PCR擴增的模板DNA是一樣的嗎？有什么區(qū)別呢？

②整條DNA分子和DNA片段在復(fù)制上會有什么區(qū)別和影響呢？氫鍵如何打開？

③在PCR擴增時需要加入解旋酶打開DNA雙鏈嗎？為什么？

④高溫下DNA聚合酶變性，如何讓擴增過程變得可持續(xù)？

⑤如何解決這一問題呢？在哪里尋找含有耐高溫的DNA聚合酶？

然后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考PCR過程的能量供應(yīng)，回答以下問題：

①PCR過程的能量從哪里來？

②高溫確實可以提供能量，但這只能給氫鍵斷裂提供能量。形成磷酸二酯鍵需要的能量來自哪里？

③體內(nèi)DNA復(fù)制誰提供磷酸二酯鍵形成的能量來自哪里？

④為什么ATP能夠提供能量？

⑤是高能磷酸鍵斷裂提供能量，PCR體系中為什么沒有加入ATP了嗎？

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生類比細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制和體外PCR擴增的過程，從PCR擴增的模板、酶、原料和能量的角度聯(lián)想，引導(dǎo)學(xué)生運用模型和建模、類比推理的思維方式，推理出PCR擴增的條件和原理，建構(gòu)出PCR擴增體系，從而培養(yǎng)學(xué)生的模型和建模、演繹和推理、批判性思維等一系列科學(xué)思維的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。另一方面，部分學(xué)生認(rèn)為PCR體系中DNA擴增的能量來源于加熱，因此教師引導(dǎo)學(xué)生對dNTP和ArIP的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比，推理出dNTP（四種三磷酸脫氧核苷酸）中含有高能磷酸鍵斷裂提供能量，斷裂后作為DNA合成的原料，幫助學(xué)生形成物質(zhì)與能量觀。

5.4任務(wù)3：PCR原理的展示與評價

學(xué)生觀看PCR過程視頻，解說關(guān)鍵過程，解決以下問題：

①體內(nèi)DNA復(fù)制需要引物嗎？

②設(shè)計的引物在DNA上位置距離較近，對擴增出的DNA有什么影響？

③根據(jù)以上的原理，引物設(shè)計時需要注意哪些問題？

學(xué)生自由發(fā)言，通過DNA復(fù)制和PCR過程進(jìn)行類比，認(rèn)識到PCR擴增的特殊性和相似性，發(fā)現(xiàn)并解決引物設(shè)計的相關(guān)問題，從而認(rèn)同科學(xué)家正是對體內(nèi)DNA復(fù)制過程的模仿，發(fā)明了具有劃時代意義的聚合酶鏈反應(yīng)。

設(shè)計意圖：教師通過學(xué)生解說PCR擴增視頻，評價課堂學(xué)習(xí)效果，體現(xiàn)出“教學(xué)評”的一致性。在解說中的生生、師生互動，生成問題，在類比的基礎(chǔ)上實現(xiàn)創(chuàng)新，歸納出PCR過程的特點是便捷、快速和靈敏。

5.5任務(wù)4：理解瓊脂糖凝膠電泳原理，預(yù)測并分析實驗結(jié)果

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶光合色素提取和分離實驗，比較光合色素的提取和分離實驗和瓊脂糖凝膠電泳實驗的異同，思考以下問題：

①不同大小DNA分子可以利用溶解度不同進(jìn)行分離嗎？

②DNA有哪些特性有助于對其進(jìn)行分離？什么方法可以實現(xiàn)分離？

③電泳時選用的介質(zhì)是什么？為什么選擇瓊脂糖凝膠作為介質(zhì)呢？

④電泳時除了加入凝膠，還加入了什么物質(zhì)？

⑤電泳緩沖液有什么作用？

學(xué)生自由發(fā)言，類比光合色素的提取和分離實驗和瓊脂糖凝膠電泳實驗進(jìn)行，結(jié)合兩者的相似性和特殊性，認(rèn)識到瓊脂糖凝膠電泳實驗的原理是分子篩效應(yīng)和電荷效應(yīng)。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生運用類比和推理的思維方式，比較光合色素的提取和分離與瓊脂糖凝膠電泳原理的差異，歸納出瓊脂糖凝膠電泳的原理和操作原因。

接著，小組討論，預(yù)測并分析實驗結(jié)果。由小組組長組織，在實驗方案中畫出預(yù)期實驗結(jié)果，并選擇一人匯報討論結(jié)果。電泳組CI和電泳組C2兩位學(xué)生將電泳膠放入DNA圖譜觀察儀器中，利用同屏技術(shù)在展示瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果。

各小組比較預(yù)期結(jié)果與實際電泳條帶差異，分析異?，F(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并解決以下問題：

①DNA分子為什么需要放入DNA圖譜觀察儀器中觀察？

②如何知道PCR擴增后的分離的DNA片段的長度？

③如果希望知道PCR擴增出的DNA含量，可以通過什么辦法？

部分學(xué)生指出肉眼下難以觀察到DNA分子。教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實驗前加入的Red 4S 2.5 μL熒光染料，認(rèn)識到在紫外光下能激發(fā)出熒光。學(xué)生觀察Marker條帶，思考認(rèn)識到的Marker的作用。

設(shè)計意圖：在學(xué)習(xí)小組組長的組織下，組內(nèi)成員討論交流，畫出預(yù)測的實驗結(jié)果，在正常結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的對比中，思考異常結(jié)果出現(xiàn)的原因和實驗的改進(jìn)方向。學(xué)生通過實驗結(jié)果的預(yù)測，提高實驗預(yù)測能力，并在組內(nèi)成員的討論交流中，學(xué)會運用科學(xué)術(shù)語闡明實驗結(jié)果，形成主動合作意識;針對電泳出現(xiàn)的異常結(jié)果的分析和討論中，提高問題解決能力，逐步增強對科學(xué)探究的好奇心和求知欲。

5.6任務(wù)5：實驗的拓展與應(yīng)用

學(xué)生舉例說明PCR技術(shù)的應(yīng)用實例。師生共同交流，思考PCR技術(shù)的應(yīng)用實例：化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點的DNA，就能用PCR加以放大，進(jìn)行比對。

設(shè)計意圖：通過PCR技術(shù)應(yīng)用的案例的探討，學(xué)生能夠認(rèn)識到科技能夠造福于人類的態(tài)度和價值觀，形成運用生物學(xué)知識解決社會問題的意識。

在本課的教學(xué)組織中，由于DNA分子和PCR過程微觀和動態(tài)，而類比推理屬于合情推理，結(jié)論的正確與否與類比對象的屬性的認(rèn)識程度密切相關(guān)。因此，教師在教學(xué)中提供了豐富的案例事實作為支撐，盡量引導(dǎo)學(xué)生利用圖形、微課和視頻等直觀材料輔助教學(xué)，通過動手實踐，實證得出實驗結(jié)果，幫助學(xué)生克服對抽象過程認(rèn)識的困難，對類比對象屬性的認(rèn)識更為科學(xué)全面。在高中生物教學(xué)中，很多概念與知識點十分龐雜和瑣碎，概念與概念之間如果缺乏有效的銜接，學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶的難度將大大增加。類比思維的運用可有效幫助學(xué)生能發(fā)現(xiàn)類比對象與學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的共性、差異和特殊性，啟發(fā)學(xué)生的思維，使生物概念間建立起高效的網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)系。

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