关于“利用PCR技术扩增目的基因”的教学建议[文档资料]

关于 “ 利用 PCR 技术扩增目的基因 ” 的教学建议 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 PCR 技术是生物学研究上一项非常重要的技术，它是体外快速扩增特定基因或 DNA 序列的方法，只需在 eppendorf离心管中建立反应，经数小时后，就能将极其微量的目的基因或某一特定 DNA 片段扩增数十万倍，甚至千百万倍 .这项技术不仅可以用于获取和扩增目的基因，而且在癌症治疗的监控、临床医疗诊断以及法医学等众多领域都有着重要的用途，如此一项有重要作用的技术，笔者认为高中生必 要理解和掌握这项技术 . 但是实际情况是学生对于 PCR 技术的掌握情况并不是很理想，对 PCR 技术原理和过程的掌握不够到位 .究其原因，一方面由于 PCR 扩增 DNA 技术所需设备昂贵，一般中学很少具备动手操作的条件，另一方面 PCR 技术在高中教材中仅有少许的原理介绍，教师仅按照课本进行教学，难以让学生完全理解掌握这项技术 .因此，教师有必要对教材内容加以适当挖掘和拓展 .纵观近几年高考对于这一部分内容的考查，主要有一些基础识记内容，比如 PCR 技术的基本原理是什么？ PCR技术的基本步骤是什么？ PCR 反应条件有哪些？ 所用 DNA 聚合酶有什么特点等等 .对于这些基础内容的考查，学生得分率还是较高 .当然，也有基于 PCR 原理和过程引伸出的考点，比如引物相关考点， DNA 片段种类和比例的相关考点 .如 2011 年江苏卷的 33 题，这道题难度很大，基于 PCR 技术的原理和过程来考查学生的思维能力，由于大多数学生对 PCR 技术原理和过程理解不够到位，所以碰到这种难度拔高的题目，无法很自如运用相关知识来解题，导致这道题得分率很低 . 从近两年全国各地的高考试题对选修内容的考查难度来看，选修部分知识的考查难度有明显的提高，不再是最初的提纲挈领 式以及纯记忆式考查，因此必须对选修的相关专题版块特别是基因工程的相关知识加以深化，让学生真正理解而不是仅仅停留在记忆层面 .基于这些情况，笔者认为在“ 利用 PCR 技术扩增目的基因 ” 这部分内容教学中，有必要对 PCR 原理及过程进行适当拓展，以帮助学生全面理解 PCR技术 .以下是具体的教学建议： 一、 PCR 技术的基本原理 利用 PCR 技术扩增目的基因，是基因工程操作步骤中获取目的基因的常用方法之一 . PCR 是聚合酶链式反应的缩写，是一项在生物体外复制特定 DNA 片段的核酸合成技术，它利用的原 理是 DNA 双链复制的原理，在学本节内容之前，学生已有了 DNA 复制的知识，因 自主学习 .以 “ 基因的自由组合定律 ” 的教学为例，教师在引导学生复习孟德尔豌豆杂交实验（一）相关知识基础上提出问题 “ 基因到底遵循怎样的遗传规律？ ” 引入课题后，幻灯呈现黄色圆粒豌豆和绿色皱粒豌豆的杂交试验图，然后提出问题 “(1) 孟德尔以豌豆的哪两对相对性状进行实验的？ (2)F1 代的表现型是什么？说明了什么问题？ (3)F2 代的表现型是什么？比值是多少、为什么出现了两种新的性状？(4)分析每对性状的遗传是否遵循基因的分离定律？ ” 引 导学生进行讨论，讨论后总结出不同性状的组合是自由的、随机的结论，接着以问题 “ 孟德尔是如何解释这一现象 ” 过渡到“ 对自由组合现象的解释 ” 的探究中 .这样，让学生在原有知识基础上来探究新问题，在探究新问题中构建新知识，让学生经历知识的获得过程，较好地激发了学生的学习兴趣 . 其次，课堂中引导学生探究过程中，教师要引导学生积极参与到活动过程中，在活动中积极表达自己的意见，从而分享收获，提出问题 .要让学生积极参与探究活动，教师除要创设和谐的课堂氛围来引导学生大胆发言外，还要在学生讨论中及时给予指导和点拨 .以 “ 伴 性遗传 ” 教学中 “ 色盲 ”的教学为例，教师先用幻灯片简介色盲病来激发学生的学习兴趣，呈现色盲检查图提出问题 “ 色盲基因是隐性的，它与它的等位基因都只存在于 X 染色体上， Y 染色体上没有，这是为什么？ ” 学生讨论后教师呈现 X 和 Y 染色体的对应关系图并点拨 “ 由于 Y 染色体很短小，因此，在 X 染色体上位于非同源区段上的基因 Y 染色体就没有，比如，色盲基因 b 和它的等位基因 B 就只存在于 X 染色体的非同源区段上 .” 同时强调在写色觉基因型时，为了与常染色体的基因相区别，一定要先写出性染色体，再在右上角标明基因型 .这样将教师的“ 教 ” 和学生的 “ 学 ” 相互同一起来，让学生在主动学习，才有助于学习效率的提高 . 三、引导学生课后应用，形成能力 经过课前预习和课堂探究，学生形成了一定的知识构建，此时教师要注重引导学生根据自己的实际情况而进行练习和复习，在练习和复习中巩固知识，应用知识，这样才有助于学生技能的培养，让学生做到活学活用 . 首先，就课后练习而言，教师要注重引导学生在自己知识基础上进行训练 .在这个过程中，教师要针对学生的基础知识而以多样化的作业方式来引导学生进行训练 .如教学中针对基础稍差的学生，教师提供了选择题、填空题、 判断题等多种题型，学生不必全部完成，只需根据自己的实际选择最低数量的作业完成即可 .学生完成相应的练习后，教师要及时对学生练习情况进行反馈，然后在针对学生存在的问题进行引导 .如有的学生对基础概念没有理解，教师可利用课余时间对其进行辅导，通过案例、实验等多种方式来引导学生理解概念 .其次，就复习而言，教师要在复习习惯和方法上给予引导 .如引导学生以教材为出发点，在通读教材的基础上掌握基本概念后去完成一定的练习，针对自己不懂的知识点要多提出问题进行分析，要多和同伴进行交流，向教师请教，这样才会收到效果 . 总 之，在高中生物课堂教学中，教师要真正树立学生主体意识，从学生实际出发，结合学生的认识规律，引导学生掌握一定的学习方法，促进学生主动学习，这样才有利于学生学习效率的提升 .当然，教师在学生学习过程中的指导作用也不可或缺，尤其是课堂中的引导，教师要注重在学生自主学习的基础上针对学生的实际而进行引导，让学生在原有基础上不断发展，这样才能更好地激发学生的学习兴趣，树立学习信心，让学生为将来的学习打下坚实的基础 . 此教学中首先让学生分析细胞内 DNA 复制的所需原料和反应条件，然后让学生设想如何在体外设置一个类似 DNA复制环境，再进入新知识的学习 .通过比较细胞内 DNA 复制和PCR 技术的异同点（如表 1 所示），把 PCR 知识归纳到已有的知识结构中，形成完整的学科知识体系，这样学生也更全面地掌握 PCR 技术的原理 . 表 1 细胞内 DNA 复制和 PCR 技术的比较 比较项目细胞内 DNA 复制 PCR 技术 解链方式解旋酶，需要消耗 ATP90 -95 受热变性解链 引物 RNA 引物 DNA 引物 DNA 聚合酶普通 DNA 聚合酶热稳定 DNA 聚合酶（ Taq酶） 温度细胞内温和条件需要控制温度 结果合成 DNA 分子合成 DNA 片段或基因 联系：都需要 DNA 为模板，四种脱氧核苷酸作为原料 首先，解链方式不同， DNA 复制是利用解旋酶解开两条链，这个过程要消耗细胞内的 ATP，而 PCR 反应则是通过高温破坏氢键，从而使双链解开 .其次，所用的引物也不同， PCR反应的引物是人工合成的 DNA 短片段，而 DNA 复制其实也需要一段 RNA 作为引物，这个内容高中并不做要求，了解一下即可 .还有所用的 DNA 聚合酶种类也不同， PCR 反应用到的是耐高温的 Taq 酶，该菌是 1969 年从美国黄石国家森林公园火山温 泉中分离得到的 .反应的温度也有很大差别， DNA 复制整个过程是在细胞内温和条件下进行，而 PCR 反应需要控制温度，解链（ 90-95 ） 退火（ 55-60 ） 延伸（ 70-75 ） .最后，合成的产物也不同， DNA 复制是合成一样的 DNA 分子，而 PCR 反应则是合成目的基因 . 二、利用 PCR 技术扩增目的基因的过程 利用 PCR 技术扩增目的基因是一个重复模板 DNA 解链、引物结合到互补 DNA 链、 DNA 聚合酶催化形成新的 DNA 链的过程，该过程主要是通过人为控制反应体系的温度来实现的 .在高中教 学中，教师一般只是简单介绍 PCR 技术的三个步骤以及相应的反应温度，这样学生只是表面了解这项技术的过程，但是没有实质地掌握，所以需要在介绍各步骤基础上进行适当拓展 . 1.引物及其作用 在影响基因体外扩增的各种因素中，引物设计最为重要，它决定了扩增的目的基因的特异性 .2013 年福建理综卷的33 题，其中一空就直接考查 “ 引物 ”. 在 PCR 技术的介绍中引物是一个重要概念，所以有必要在教材基础上进行适当拓展，让学生真正理解什么是引物 .所谓引物是指与待扩增的目的基因两端序列互补的人工合成的寡核苷酸短片段 ，引物有一对，分别对应于目的基因的两条链 .引物就像是标记，它能够指导 DNA 聚合酶从此点开始向一个方向延伸出与模板链互补配对的子链，并且往一个方向延伸直至模板链的末端 .引物的位置是不动的，并且一轮循环中的引物，是下一轮循环中模板链的组成片段 . 2.PCR 反应的具体过程 人教版选修 3 图 1-8PCR 反应原理示意图（图 1 略），虽说能够比较形象直观展现 PCR 的反应过程，但却没有完整地反映出实际的过程 .按图 1 来看， PCR 反应的起始模板 DNA就是目的基因，但其实不然，实际上 PCR 反应的起始反应物通常是 一个含有目的基因的 DNA 片段 .那么要扩增目的基因，首先应该从模板 DNA 中获取出目的基因，然后再进行扩增 .如果需要从某个 DNA 片段中获取目的基因，这个 DNA 片段就相当于模板 DNA 了，需要进行 PCR 扩增的片段是目的基因 .很重要的是在扩增目的基因前，必须先搞清楚待扩增片段两端的部分碱基序列，然后根据两端碱基序列设计好互补的引物，接着构建反应体系进行 PCR. 利用 PCR 技术获取和扩增目的基因的具体过程如图 2所示，反应起始是一个含有目的基因的 DNA 片段，接着一对引物各自结合到与之互补的模板链 .然后以引物位置 为起点，在 Taq 聚合酶作用下往一个方向延伸下去，如此循环下去，引物的位置始终不变一轮循环中的引物，是下一轮循环中模板链的组成片段 .由图可以看到在整个 PCR 反应体系中，含目的基因的 DNA 片段有多种类型，而且到了循环 3 才获得 2 个所要的目的基因（如图 2 所示），如此循环下去目的基因数目会越来越多，所占比例会越来越大，所以目的基因数目的变化可以近似看成以指数形式扩增（约 2n） . 在实际教学中，可以利用 PPT 动画依次演示图 2 所示的各个循环，理解 PCR 反应包含了目的基因的获取和扩增两个过程 .如果按人教版教材的图 1 来介绍 PCR 技术，相信很多学生很难理解 “PCR 技术是获取目的基因的常用方法之一 ” 这句话，而据图 2 就很容易理解了 . 三、小结 现如今高考越来越注重考查学生的思维能力，很多试题会将学生 “ 空投 ” 到一个较为陌生的领域，看学生能否根据已有的知识，在规定的时间到达 “ 目的地 ”. 换句话说生物试题的答案不是靠背出来的，而要善于将抽象推理具体化、形象化，这是思维方式的转变 .而要做到快速的