PCR结果分析及应用教学设计

PAGEPAGE8教学基本信息课题PCR结果分析及其应用是否属于地方课程或校本课程否学科生物学段：高中年级高二教材人教版选修1生物技术实践指导思想与理论依据生物科学是一门以实验为基础的自然科学，很多知识和理论都是通过实验获取的，实验技术的发展和进步也极大的促进生物科学的发展。实验教学是生物教学中的重要环节，本课通过分析SRY基因PCR扩增结果的电泳图谱，帮助学生理解和提升对PCR原理的认识，训练学生基于实验证据做出合理判断得出正确结论的能力，提高学生用逻辑思维解决生物学实际问题的能力。《普通生物高中生物课程标准（实验）》倡导探究性学习，注重与现实生活的联系。强调让学生亲历思考和探究的过程，注重使学生在现实生活的背景中学习生物学，倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念。本课通过分析PCR技术在基因工程和基因诊断等实际情境中的应用，帮助学生理解生物科学、技术和社会的相互关系，提高了学生解决问题的能力，帮助学生认识生物科学和社会发展的联系。教学背景分析教学内容分析：《多聚酶链式反应扩增DNA片段》是选修1模块“DNA和蛋白质技术”专题的核心内容之一，课程标准规定的教学要求是“尝试PCR（DNA多聚酶链式反应）技术的基本操作和应用”，属于理解应用水平。该内容是对必修2模块“概述DNA分子的复制”的拓展和应用，有助于学生体会理论研究与技术应用之间的关系，提高生命科学素养；PCR技术是获取目的基因的重要方式，该内容的学习为选修3“基因工程”专题的学习奠定基础,有助于激发学生对基因工程的学习兴趣；同时PCR技术广泛应用于生命科学和医学的各个领域，该内容的学习有助于拓展学生的生物科技视野、增进学生对生物科技与社会关系的理解。《多聚酶链式反应扩增DNA片段》主要内容包括PCR技术原理、PCR技术操作、PCR结果鉴定与分析、PCR技术应用，本节课为第2课时，主要完成PCR结果分析和PCR技术应用的教学。学情分析：通过第一课时学习，学生能够说出PCR技术的原理、条件和循环过程，但是技术原理的理解并不透彻，难以有效的迁移应用。PCR扩增的结果如何分析，是否扩增出模板DNA，扩增结果异常的原因及如何排除其他因素对扩增结果的干扰是学生未知的。PCR仪的操作过程学生比较容易掌握，因此在课下完成。但是PCR结果分析和PCR技术的应用这两部内容比较抽象，对学生的能力要求较高，需要在课上通过适当的方式引导，借助实验观察和分析、实验图片、情境分析等方式引导学生迁移知识，自主归纳梳理PCR技术的应用，主动探究构建知识，培养科学思维能力。教学资源、方法与手段：在教学过程中，适时使用多媒体课件和同屏器等现代化信息技术，直观生动的呈现实验，引导学生观察实验、分析实验，在分析中感悟，体会科学实验设计的严谨性，训练逻辑思维的严密性。拓展教学内容，引导学生完善实验思路，改进实验方案。技术准备：多媒体、同屏器教学目标知识目标：1.辨别PCR的扩增结果。2.总结PCR技术在基因工程、性别鉴定、基因诊断等方面的应用能力目标：1.尝试观察电泳图谱，分析PCR的扩增结果。2.运用PCR的原理分析归纳PCR的应用。情感态度与价值观目标：1.通过性别鉴定实验的实施和分析，体验科学探究过程，提高学习生物科学的兴趣。2.认同PCR技术广泛地应用于基因工程、性别鉴定、基因诊断等多个方面。教学重难点1.教学重点总结PCR技术在基因工程、性别鉴定、基因诊断等方面的应用2.教学难点辨别PCR的扩增结果教学流程示意教学过程教学环节教师活动学生活动教学意图课前环节1.指导兴趣小组完成以下任务：任务一：利用口腔上皮细胞，完成SRY基因的PCR扩增，将扩增产物放于4℃保存。任务二:课前制作浓度为2%的琼脂糖凝胶。2.上课前教师利用保存的PCR扩增产物完成电泳点样。兴趣小组志愿者刮取口腔上皮细胞，完成任务一和二。课下完成PCR扩增，节约课上时间，提高课堂效率。学生亲身参与实验，激发学生的兴趣。课上环节一：直接导入上节课，我们学习了PCR技术的原理，利用刮取的口腔上皮细胞，扩增了Y染色体上特有的SRY基因片段。如何鉴定是否扩增到SRY基因片段呢？聆听承上启下，问题引入的形式，激发学生的学习兴趣。课上环节二：PCR结果的分析可以通过琼脂糖凝胶电泳的方法鉴定PCR结果，电泳的原理是什么？如何操作呢？（一）电泳的操作步骤兴趣小组代表利用PPT介绍凝胶电泳的操作步骤：称取琼脂糖、量取TAE缓冲液、微波炉加热融化、铺制凝胶、点样、电泳、紫外透射仪观察等操做步骤。观察学生通过观察兴趣小组的展示，能够说出电泳操作的主要步骤。（二）电泳的原理资料1：DNA在TAE缓冲液中带有负电荷。问题：PCR产物应该加在电源的哪一极？电泳中DNA移动方向是怎样的？资料2：电泳时，长度不同的DNA分子由于所受凝胶的阻遏作用大小不一，迁移的速度不同。问题：DNA分子越大，在凝胶中泳动速度越快吗？资料3：核酸荧光染料可插入到DNA分子的双链中。在紫外光的照射下，插入染料的DNA呈绿色荧光。思考、分析、讨论、回答理解电泳的主要原理通过资料提示及问题引导的形式，使学生理解电泳的主要原理。同时训练学生的语言分析及逻辑思维能力。（三）结果分析课前点样的电泳需要20分钟才能观察，我们先借用其他班的实验结果了解一下如何分析电泳的图谱。展示图片：课上环节二：PCR结果的分析简介：加样孔在上，扩增的DNA片段会从加样孔向远端泳动，形成一个跑道，加样孔下方的条带就是检测产物。M表示marker，1-7表示检测的样本。M中是已知大小的不同DNA分子。问题1：M中的几个条带与加样孔距离为什么不同？M的作用是什么？教师点拨：M中的DNA分子片段大小不同。以M为参照比对待测样本中DNA分子片段的大小。问题2：1-7为什么有的有条带，有的没有条带？教师点拨：男性个体有Y染色体上的SRY基因，女性个体没有Y染色体。根据PCR结果可以确定1、4、6、7为男性，其余为女性。问题3：为什么1、4、6、7条带的亮度有差异？受哪些因素的影响？教师点拨：产物中DNA片段的数目不同，亮度不同，DNA分子数目越多，条带越亮。问题4：1号是女性却有扩增条带，原因是什么？如何验证？教师点拨：最有可能是模板污染导致假阳性条带，可以设置不添加模板，只添加引物、dNTP和TaqDNA聚合酶的一组实验作为阴性对照，排除操作中污染的干扰。问题5：哪些因素可能导致扩增失败？如何验证？教师点拨：没有模板或模板质量差、酶失活、引物、dNTP失活都可能导致扩增失败，可以设置添加已知正常模板和反应体系的一组作为阳性对照排除这些因素的干扰。同屏器展示：课前教师点样的电泳图谱。引导学生自主分析实验结果。观察、思考、分析、讨论、表达。解释电泳图谱的检测结果。观察、分析、描述电泳的检测结果。通过分析讨论5个问题，引导学生掌握电泳图谱的分析方法，以及阴性和阳性对照的设计方法。强化学生对PCR原理的理解。训练学生的实验探究能力，对实验结果的解释和科学论证能力。引导学生观察并描述实验结果，训练学生基于实验证据的科学分析能力。过渡PCR实验应该设置阴性对照、阳性对照，同时多次重复试验以确保实验结果可靠性。通过以上实验我们知道PCR可以用于鉴定性别，除此之外PCR技术还可以应用到哪些领域呢？课上环节四：PCR技术的应用课上环节四：PCR技术的应用一、PCR技术在基因工程中的应用资料1：培育转植酸酶基因玉米的过程示意图。设问：基因工程操作过程中，PCR技术可以应用在哪些步骤中？图片展示植酸酶基因的示意图，列表归纳在基因工程中应用PCR技术的具体过程。二、PCR技术在基因诊断方面的应用资料2：亨廷顿舞蹈症(Huntington'sdisease,HD)是染色体显性遗传病，多在30～40岁发病，致病基因构成如下图所示：创设情境：能否设计实验在患者发病前进行诊断？如何诊断个体3、4是否为患者？展示遗传系谱中每个人的PCR产物的电泳图谱。分析各家庭成员的基因组成。教师点拨：根据电泳图谱可以确定2号为杂合子，1、3、4不含致病基因为纯合子，因此3号和4号成员不会患病。分析资料，思考并讨论问题。归纳梳理基因工程中应用PCR技术的具体过程。思考，讨论，描述诊断方案。分析电泳图谱，判断家庭各成员的基因组成，判断3、4是否为患者。通过文字、图片的分析，以图表的形式梳理归纳。使学生理解PCR技术在基因工程中的具体应用过程。训练学生用比较、分析、综合等方法对某些生物学问题进行解释的能力。通过对创设情境的分析，使学生了解PCR技术在基因诊断过程中的如何应用。训练学生能运用所学知识与观点，分析、判断、解释实际问题的能力。

课上环节五：总结利用板书总结所学内容：总结所学内容，加深对PCR技术应用的认同。学习效果评价设计评价方式本节课容量较大，涉及实验操作问题，主要通过学生课上的表现和课后作业的完成情况进行评价。评价量规评价结果主要从回答问题的准确度、学生的参与情况来衡量。本教学设计与以往或其他教学设计相比的特点本节课围绕PCR技术展开，从PCR结果的鉴定入手，引导学生分析结果，发现问题，解决问题，然后通过资料分析总结PCR技术的应用，具有探究性的特点，并渗透着科学的思维方法和研究方法，有助于提高学生的生物科学素养。根据本节课的知识特点和学生的实际情况，在教学中进行了针对性的设计，主要体现在以下几个方面：1.巧用兴趣小组完成实验，活用同屏展示结果，激发学习兴趣。PCR技术是分子水平上的操作，对试剂和操作的要求就高，耗时长，难度大，难以实施。在本节课中，首先，教师指导兴趣小组的同学课下完成取样、扩增和制胶等操作，使学生成为实验主体，变被动观察为主动操作，既训练了学生的动手能力，又激发了学习兴趣；第二，课下由兴趣小组组织学生完成实验，避免人多手杂，保障实验的有效进行，同时节约了课上时间；第三，课上由学生介绍凝胶电泳的操作过程，既加深了学生对实验操作的理解和体会，又培养了学生的表达能力；第四，课上完成电泳，使用同屏器实时展示实验结果，让学生直观的观察实验分析结果，极大的增加学生参与度，激发学习兴趣。2.基于实验证据，领悟研究中发现问题、分析问题和解决问题的思路方法。本节课在分析PCR的电泳图谱时，通过与实际情况对比，引导学生发现问题，设置悬疑，激发学生的探究欲望，然后讨论交流分析问题寻找原因，提升学生提出问题做出假设的能力，最后设个引导学生利用所学知识设计阴性对照和阳性对照解决问题，使学生进行知识迁移加强学生对对照实验的理解和应用，提升了学生的实验设计能力。同时，整个分析过程使学生通过实际情况领悟了科学家研究中发现问题、分析问题和解决问题的思路方法。3.呈现方式多种多样，变被动接受为主动获取。本课通过图片和资料等形式将抽象的描述变得生动具体，学生通过资料和图片的分析讨论，使获取知识变被动接受为主动获取，培养了学生的获取信息能力和解决实际问题的能力。通过同屏器实时展示实验结果，极大激发学生的兴趣。4.注重与现实生活的联系，培养逻辑思维能力。本课以转植酸酶基因玉米的培育、亨廷顿舞蹈症的基因诊断两个真实的研究为背景资料，转换为学生看得懂、学得会的内容，利用图表和文字呈现，