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“从DNA复制到PCR技术”教学设计

2019-08-27程伟

速读·中旬 2019年8期
关键词:科学史

程伟

◆摘 要:《2019年普通高等学校招生全国统一考试大纲·生物》中,将选修3中“基因工程的原理及技术”调整为“基因工程的原理及技术(含PCR技术)。以DNA复制为基础,引入PCR技术教学,在教学过程中注重科学史教学,最终学生能够清楚PCR技术概念和过程。

◆关键词:DNA复制;PCR;科学史

一、教材分析

在人教版高中生物教材中,PCR技术是在选修1和选修3中都有涉及的内容。PCR技术是基因工程中一项重要的技术。本节课介绍PCR技术发现史、揭示PCR技术原理、介绍PCR技术应用。其中,PCR技术发展史对培养学生的生物科学素养有重要意义。学生从穆利斯的成功中体会到科学研究不仅要用于思考,更要大胆尝试。通过学习PCR发现史,有助于学生认识PCR技术研发并转化为生产力,推动社会进步是很多科学家和技术人员艰苦努力的结果。

二、学情分析

学生已经学习了DNA的结构和复制过程,能够说出DNA复制的条件和特点,这就为PCR技术的学习奠定了基础。学生通过类比分析法能够推测出体外扩增需要模板、原料、聚合酶、以及基本过程等;另外学生通过各种媒体接触一些有关DNA鉴定等事例,但不知其原理和技术方法。所以,学生对本节课内容有一定的学习期待和热情;以往的学习实践表明,恰当地运用科学发现史,能激发学生的学习兴趣,有助于培养学生科学的价值观。

三、教学目标

生命观念目标:知道PCR技术发展的大体过程,说出PCR技术的基本原理要点,反应体系和循环过程。

科学思维目标:以体内DNA复制为参照,用类比法推断PCR技术的原理和过程,提高科学思维能力。

科学探究目标:分析、讨论、交流PCR技术发展史料,提高获取有关知识和处理信息的能力;领悟PCR技术的应用要点,通过知识迁移对来自社会生活的有关新问题做出尝试性解释。

社会责任目标:关注PCR技术在法医、医疗等多个方面的应用,感悟PCR技术推动社会的进步。

四、教学重点和难点

“PCR技术”科学史的教学。

五、教学过程

(一)创设情境,导入新课

教师活动:展示犯罪现场的假设情景,如何将嫌疑人所留下的少量的血迹中的DNA进行扩增?引出问题:DNA在体内可以复制,那么我们在体外可以将DNA进行扩增吗?

设计意图:创设情境,激发学生兴趣。联系前位知识,引发学生思考。

(二)探究“体外扩增DNA”条件

活动一:PPT展示DNA复制的图片,学生回忆DNA复制所需的条件,引导学生推测“体外DNA复制”的条件。

设计意图:学生在必修2中已经学习过“DNA复制”的相关知识,此时学生可以运用类比推理推测“体外DNA复制”的条件,从而提高学生的科学思维能力。学生产生疑问:①如何进行解旋?②引物怎么合成呢?

(三)“PCR技术”科学史教学

活动二:教师展示:资料1:1957年科恩伯格因发现并提取大肠杆菌DNA聚合酶(最适温度为37℃)时,曾探讨此酶在体外进行DNA复制的可能性,因此获得1959年诺贝尔生理或医学奖。

资料3:印度裔美国科学家科拉纳在1971年提出体外扩增DNA的新想法:他认为可以通过DNA的变性,与合适的引物进行杂交,然后用DNA聚合酶来延伸引物,同时通过不停地循环进行该过程来扩增DNA。但是只是一个大胆的设想,并不能付诸实践。

提出问题:同学们想一想,为什么这个设想不能付诸实践?

活动三:资料3:取得突破性进展的穆利斯。展示让穆利斯得到灵感的高速公路照片,并描述当时的情景,1983年一个周末晚上,穆利斯带着女友开车回家,加州公路上两排路灯和相对行驶的车辆让他感到似曾相识。

穆利斯想到了什么呢?启发学生结合DNA复制方式与公路上车辆相对行驶的情景进行联想。

教师结合图示向学生介绍最初的PCR设想,并介绍才木等为PCR技术日趋成熟所做的贡献。

活动四:引导学生思考:高温使DNA双链分开时,会破坏哪种生物大分子?

带领学生分析:从大肠杆菌中提取的DNA聚合酶在高温下易失活,使得DNA每次复制都需要加入新酶。结果不仅操作复杂,而且价格非常昂贵。那么我们应该找一种具有什么特性的酶呢?

教师展示黄石热泉生态系统图并讲述Taq酶发现史。

设计意图:通过展示科学史资料,学生了解“PCR技术”诞生的基础。并且随着科学发展的道路,不断提出疑问,提升学生的科学探究精神。

(四)“PCR技术”概念的构建

活动五:启发学生根据PCR技术科学史,猜想PCR反应过程的大体步骤。播放“PCR原理”录像,在此基础上,引导学生构建PCR过程概念图。

设计意图:“PCR技术”比较抽象,容易与生活脱节。学生通过观看录像和构建图示,可以更加直观地感受整个过程,符合建构主义所提倡的让学生成为信息加工的主体、知识意义的主动构建者的理念。

(五)“PCR技术”发现史感悟

活动六:①1993年,穆利斯因发明PCR独享诺贝尔化学奖。PCR的原理很简单,为什么穆利斯之前的科学家没有尝试?②从PCR概念生成到技术应用之前,仅穆利斯一个人就能完成吗?

教师逐步展示资料:1971年在科拉纳的实验室工作的科学家Kleppe发表的文章中提到:用2个引物和多次循环可得到大量目的产物,但没有进一步尝试和记载。

设计意图:认同科学研究需要勇于思考、大胆尝试;认同由揭示科学概念到技术应用,是很多科学家艰苦努力的结果;认同PCR技术研发并转化为生产力,推动了社会进步。

(六)“PCR技术”的应用”

活动七:教师介绍PCR在法医、亲子鉴定、分析远古DNA、醫疗上的应用,促使学生认同生物科学技术的价值。

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