梁姝颋 （清華大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100084）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》凝練出生命觀(guān)念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任4 個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)[1]。素養(yǎng)是“個(gè)體在與各種真實(shí)情景持續(xù)的社會(huì)性互動(dòng)中，不斷解決問(wèn)題和創(chuàng)生意義的過(guò)程中形成的”[2]。筆者在進(jìn)行“基因工程的基本操作程序”教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合科學(xué)研究為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，幫助學(xué)生在真實(shí)情境下體會(huì)和理解基因工程的基本操作程序和用途；同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)及軟件資源，激發(fā)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的興趣并提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以“基因工程的基本操作程序”一節(jié)中“利用PCR 獲取和擴(kuò)增目的基因”小節(jié)（1 課時(shí)）為例。

本小節(jié)的內(nèi)容屬于課程標(biāo)準(zhǔn)選擇性必修課程模塊3“生物技術(shù)與工程”中的概念5“基因工程賦予生物新的遺傳特性”[1]?；蚬こ淌沟萌祟?lèi)可通過(guò)轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類(lèi)型和生物產(chǎn)品。基因工程的應(yīng)用涉及農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面，已與人們的日常生活密切聯(lián)系，并引起普遍關(guān)注。本節(jié)在2007年版的人教版教材中位于選修1“生物技術(shù)實(shí)踐”的第5 章[3]，而在2019年版的人教版教材中，已整合放入選擇性必修3“生物技術(shù)與工程”第3 章“基因工程”中[4]，使得內(nèi)容更加連貫，與所處章節(jié)內(nèi)容成為一個(gè)整體。

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已掌握了基因工程相關(guān)部分的基礎(chǔ)理論，包括艾弗里等證明了遺傳物質(zhì)是DNA，并可在同種生物的不同個(gè)體間進(jìn)行轉(zhuǎn)移；沃森和克里克建立了DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并提出了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的假說(shuō)；梅賽爾森和斯塔爾用實(shí)驗(yàn)證明了DNA 的半保留復(fù)制。在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)PCR 的基本原理難度不大。但結(jié)合近年來(lái)考查的情況分析，難點(diǎn)主要在PCR 的引物選擇、引物對(duì)應(yīng)PCR 擴(kuò)增片段方面。因此，教師在本節(jié)課中創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，利用真實(shí)案例（圖1），結(jié)合學(xué)生已有知識(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)資源和軟件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)中的概念，突破難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和社會(huì)責(zé)任。

圖1 “利用PCR 獲取和擴(kuò)增目的基因”學(xué)習(xí)的真實(shí)情境

任務(wù)1：對(duì)比體內(nèi)復(fù)制和PCR 時(shí)DNA 復(fù)制所需的基本條件。

學(xué)生在必修2 模塊已系統(tǒng)學(xué)習(xí)了遺傳的分子基礎(chǔ)，能概述親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上；DNA 分子通常由2 條堿基互補(bǔ)配對(duì)的反向平行長(zhǎng)鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基的排列順序編碼了遺傳信息。同時(shí)，學(xué)生已掌握了DNA 分子如何通過(guò)半保留方式進(jìn)行復(fù)制?；诰S果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理論，教師在創(chuàng)設(shè)第1 個(gè)任務(wù)時(shí)，選擇了學(xué)生跳一跳可夠得著的“果子”。從DNA 分子在生物體內(nèi)進(jìn)行的半保留復(fù)制所需條件及對(duì)應(yīng)作用出發(fā)，介紹PCR 所需組分，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)比學(xué)習(xí)PCR 的反應(yīng)體系和循環(huán)程序，引發(fā)學(xué)生關(guān)注體內(nèi)、體外進(jìn)行DNA 復(fù)制時(shí)的異同，并用文字及表格的方式正確表達(dá)。

任務(wù)2：利用網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計(jì)引物序列，擴(kuò)增人體抑癌基因tp53。

基因工程相關(guān)內(nèi)容在近年來(lái)的重要考試中出現(xiàn)頻率高、綜合性強(qiáng)，并與科學(xué)研究結(jié)合緊密。2019 版人教版教材中，為了幫助學(xué)生更全面了解真實(shí)的科學(xué)研究，簡(jiǎn)單介紹了序列數(shù)據(jù)庫(kù)（例如，GenBank）、序列比對(duì)工具（例如，BLAST）等[4]。因此，教師選取癌癥發(fā)生中常突變的抑癌基因tp53作為目的基因，使用GenBank 與學(xué)生共同完成該基因的體外擴(kuò)增。

教材中出現(xiàn)的GenBank 和BLAST 都可通過(guò)美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）官方網(wǎng)站（https://www.ncbi.nlm.nih.gov）進(jìn)入，NCBI 網(wǎng)站同時(shí)可進(jìn)行科學(xué)文獻(xiàn)的查找和引物的設(shè)計(jì)等，是生命科學(xué)領(lǐng)域研究者使用頻率極高的網(wǎng)站之一。教師可通過(guò)共享屏幕的方式，分步帶領(lǐng)學(xué)生利用Gen-Bank 的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索tp53的基因序列。通過(guò)實(shí)際操作，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基因工程基本操作程序中目的基因的篩選與獲取的理解；同時(shí)，以學(xué)生自己獲得的基因序列作為目的基因，有助于激發(fā)學(xué)生解決問(wèn)題的興趣。

在獲取目的基因tp53的序列后，教師要求學(xué)生首先通過(guò)紙筆的方式，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則設(shè)計(jì)引物，擴(kuò)增出指定片段。對(duì)于這一任務(wù)，教師先按照傳統(tǒng)方式，利用幻燈片演示推算過(guò)程，強(qiáng)調(diào)引物設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的方向問(wèn)題；之后，再利用NCBI 網(wǎng)站上內(nèi)嵌的在線(xiàn)引物設(shè)計(jì)工具（primer-BLAST）展示，與傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，學(xué)生體會(huì)到完成同一任務(wù)時(shí)工具的方便、快捷和準(zhǔn)確，能將技術(shù)運(yùn)用于解決科學(xué)問(wèn)題。

通過(guò)任務(wù)2，教師從生活中的疾病入手，回顧細(xì)胞癌變的原因，引入對(duì)抑癌基因tp53的研究。學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下，利用網(wǎng)絡(luò)資源獲得目的基因的堿基序列并設(shè)計(jì)引物。在這個(gè)任務(wù)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)DNA 半保留復(fù)制相關(guān)細(xì)節(jié)的理解，同時(shí)切身體會(huì)到技術(shù)手段對(duì)科學(xué)研究的重要性。

任務(wù)3：結(jié)合軟件確定PCR 在第幾個(gè)循環(huán)后出現(xiàn)目的片段長(zhǎng)度的雙鏈DNA 分子。

通過(guò)前2 個(gè)任務(wù)，學(xué)生對(duì)PCR 的原理和過(guò)程已具備了初步的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于PCR 的過(guò)程，尤其是對(duì)引物在PCR 中的作用的認(rèn)識(shí)還不到位。因此，教師提出任務(wù)3，即PCR 在第幾個(gè)循環(huán)后，出現(xiàn)目的片段長(zhǎng)度的雙鏈DNA 分子？學(xué)生解決這一任務(wù)時(shí)，如果僅利用教材上虛擬的、無(wú)堿基序列的DNA 雙鏈進(jìn)行模擬，往往在PCR 的第2 個(gè)循環(huán)時(shí)，就已很難區(qū)分DNA 的2 條鏈，導(dǎo)致不能將引物結(jié)合在正確的模板鏈上。因此，教師同時(shí)采用了以下2 種方法：

方法1：延續(xù)tp53的結(jié)構(gòu)化情境，在含有tp53的基因組DNA 雙鏈上，利用任務(wù)2 中設(shè)計(jì)的引物，要求每一步標(biāo)注DNA 鏈及引物的方向，完成PCR 的前3 個(gè)循環(huán)。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在具體的、已知序列的DNA 上，更容易把握新鏈延伸的方向及長(zhǎng)度，更有助于理清思路、突破難點(diǎn)。

方法2：利用冷泉港實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站（https://dnalc.cshl.edu/resources/animations/pcr.html）的小程序[5]（圖2）幫助學(xué)生掌握PCR 反應(yīng)過(guò)程。冷泉港實(shí)驗(yàn)室共誕生了8 位諾獎(jiǎng)得主，被譽(yù)為“分子生物學(xué)搖籃”。除了《分子克隆實(shí)驗(yàn)指南》這樣的科學(xué)研究經(jīng)典著作以外，冷泉港實(shí)驗(yàn)室也出品了不少適合中學(xué)生的小程序或小視頻。例如，在PCR 反應(yīng)過(guò)程的教學(xué)程序中，既可通過(guò)自主操作，具象化觀(guān)察PCR 反應(yīng)過(guò)程中的每一步變化（圖2左），幫助學(xué)生動(dòng)態(tài)掌握PCR 反應(yīng)過(guò)程；又可根據(jù)生成每個(gè)循環(huán)完成后獲得總DNA 分子數(shù)及目的片段長(zhǎng)度的雙鏈DNA 分子數(shù)（圖2右），幫助學(xué)生理解為什么PCR 完成30 個(gè)循環(huán)后絕大多數(shù)分子都是目的片段長(zhǎng)度的雙鏈DNA 分子。

圖2 冷泉港實(shí)驗(yàn)室的PCR 教學(xué)軟件[5]

教師結(jié)合上述2 種方法，引導(dǎo)學(xué)生掌握PCR反應(yīng)過(guò)程；能通過(guò)有限的前幾個(gè)PCR 循環(huán)過(guò)程，運(yùn)用歸納的方法概括PCR 反應(yīng)過(guò)程中目的片段長(zhǎng)度的雙鏈DNA 分子數(shù)與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系。學(xué)生親自操作軟件并與教師展示相比，可根據(jù)自己的需求重復(fù)相關(guān)步驟或循環(huán)，更有助于其掌握PCR 反應(yīng)過(guò)程。

任務(wù)4：PCR 在生活中的應(yīng)用。

PCR 作為基因工程中的基礎(chǔ)技術(shù)，在臨床診斷和刑偵工作中都有著重要應(yīng)用。在這一任務(wù)中，教師先向?qū)W生介紹PCR 技術(shù)在新型冠狀病毒檢測(cè)及研究方面、在白銀市連環(huán)殺人案的偵破中的應(yīng)用。學(xué)生通過(guò)小組討論，補(bǔ)充應(yīng)用的原理及操作步驟。通過(guò)任務(wù)4，學(xué)生回顧DNA 作為遺傳物質(zhì)的特異性、中心法則及Y 染色體的遺傳特點(diǎn)；關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)中的生物學(xué)議題，能基于生物學(xué)知識(shí)和基本觀(guān)點(diǎn)解釋相關(guān)現(xiàn)象，并愿意主動(dòng)向親朋好友進(jìn)行宣傳。教師在“利用PCR 獲取和擴(kuò)增目的基因”小節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，從學(xué)生熟悉的DNA 半保留復(fù)制出發(fā)，通過(guò)對(duì)比的方法掌握PCR所需基本條件及過(guò)程；通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)科學(xué)研究的抑癌基因擴(kuò)增任務(wù)，利用網(wǎng)絡(luò)及軟件資源，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用PCR 解決實(shí)際問(wèn)題的興趣，提升學(xué)生解釋現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活中的生物學(xué)問(wèn)題的擔(dān)當(dāng)和能力；通過(guò)PCR 在疾病診斷及案件偵破中的作用，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注生物技術(shù)在生活中的應(yīng)用。