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类比思维下“PCR扩增DNA片段及凝胶电泳鉴定”的实验教学组织

2020-12-28孙宝山 林伟 周业宇

中学生物学 2020年9期
关键词:类比思维科学思维教学设计

孙宝山 林伟 周业宇

摘要 运用“类比思维”的逻辑思维方法对DNA复制过程和PCR扩增过程、光合色素分离与琼脂糖凝胶电泳实验进行类比,提升学生的生物学核心素养。

关键词 类比思维 科学思维 教学设计

中图分类号C633. 91 文献标志码B

1 设计思想

类比是指根据两个研究对象的相同或相似方面,来推断它们在其他方面一致性的一种思维方法和推理形式,是科学思维的重要组成部分。学生应该在学习中逐步发展科学思维,能基于生物学事实和证据采用演绎与推理的方法,说明生物工程与技术的原理及其与社会之间的关系。本课主要通过对DNA复制过程和PCR扩增过程、光合色素分离实验原理与琼脂糖凝胶电泳实验原理等类比,推理建构PCR扩增体系,理解物质分离的原理,并认识分子筛效应和电荷效应。

2 教学背景分析

本节课选自浙科版选择性必修模块3《生物技术与工程》,学习对象是高三年级学生。学生能够概述DNA分子的构成、双螺旋结构特点、细胞内DNA复制方式和条件,认同化学反应中物质和能量守恒规律,为实验操作的顺利开展和学习目标的完成奠定了良好的基础。另一方面,部分学生存在着DNA分子基本单位是核糖核苷酸、DNA分子复制是分段复制、DNA复制中只有DNA聚合酶参与等错误的认知,给学习目标的完成带来干扰。

3 学习目标

通过细胞内DNA复制过程和PCR过程的比较,从物质和能量观角度,运用类比思维阐述PCR扩增体系的物质和条件。

通过比较光合色素提取分离实验和琼脂糖凝胶电泳实验,运用类比推理、批判性思维,解释在电场中不同大小DNA分子分离的原因。

在小组交流和实验操作活动中,小组内成员主动合作,交流和讨论,预测琼脂糖凝胶电泳实验结果,分析异常结果出现的原因。

通过PCR技术应用案例的讨论,在科技造福于人类的态度和价值观下,形成运用生物学知识解决社会问题的责任意识和敬畏生命的观念。

4 教学准备

全班学生分为A1(实验组)、B1(对照组)、C1(Marker组)、C2(Marker组)共4个小组,选出小组长。在小组活动时,字母相同的两个小组的活动任务相同。课前各组学生完成预习实验方案材料提纲,自学实验操作微课视频。小组长课前th到实验室配置预混液和制胶。

5 教学过程

5.1 创设学习情境,激发学习热情

教师创设情境,提出问题:新型冠状病毒是一种RNA病毒,RNA结构不稳定,人们检测新冠病毒时需首先将RNA逆转录为稳定的DNA进行测序检测,但逆转录出的DNA含量极其微量。如何用生物技术和工程的方法,获取大量具有相同遗传信息的病毒DNA?

學生自由发言,思考解决病毒基因的扩增和分离问题。

设计意图:教师利用社会热点事件创设类比联想的问题情境,将情境中隐含的现实问题转变成科学问题。

5.2 任务1:PCR扩增DNA片段及凝胶电泳鉴定课堂实验操作

学生根据课前任务分组和课前微课学习,按照实验操作流程(表1)进行科学实践。

(1)实施PCR扩增(操作时间10 min,等待时间25 min)。学生根据反应体系在离心管中加入相应物质后,将离心管放入PCR仪中按照设定程序进行扩增。A1、B1组每位学生分别用移液器取20 μL的预混液加入微量PCR管中。将离心管放入PCR仪中,记号笔标记后,按照设定程序进行扩增。

(2)实施琼脂糖凝胶电泳(操作时间10 min,等待时间25 min)。分别加入不同样品进行点样,并放入水平电泳槽中进行电泳。CI、C2组学生在一次性手套上分别滴上4滴10 μL上样缓冲液,分别加入2μL样品(实验组2滴、对照组2滴)混匀,点样,最后分别加入7 μL 2 000 bp Marker和7μL 5 000 bp Marker。调节电压120V,时间25 min进行电泳。

设计意图:学生以小组为单位操作,小组内成员根据课前设计的实验方案,在小组长的指导下,使用微量移液器、PCR仪、琼脂糖凝胶电泳仪等设备,互学合作完成实验操作过程。这个过程可以培养学生的实验方案的设计、实验工具使用、实验结果的呈现等科学探究能力。学生在等待实验结果的同时,建构PCR扩增体系。

5.3 任务2:建构PCR扩增的实验体系

学生阅读教材和教师提供材料,运用类比思维,思考PCR扩增的条件和原料,解决以下问题:

①细胞内DNA复制的条件和原料是什么?

②PCR过程中的条件和原料是什么?

学生代表板书出DNA复制的相关条件,其余学生在学案上完成,写出模板DNA、四种脱氧核苷酸作为原料、DNA聚合酶、解旋酶和引物、ATP等。接着,学生交流讨论,比较DNA复制和PCR过程的异同,解决以下问题:

①DNA复制和PCR扩增的模板DNA是一样的吗?有什么区别呢?

②整条DNA分子和DNA片段在复制上会有什么区别和影响呢?氢键如何打开?

③在PCR扩增时需要加入解旋酶打开DNA双链吗?为什么?

④高温下DNA聚合酶变性,如何让扩增过程变得可持续?

⑤如何解决这一问题呢?在哪里寻找含有耐高温的DNA聚合酶?

然后,教师引导学生思考PCR过程的能量供应,回答以下问题:

①PCR过程的能量从哪里来?

②高温确实可以提供能量,但这只能给氢键断裂提供能量。形成磷酸二酯键需要的能量来自哪里?

③体内DNA复制谁提供磷酸二酯键形成的能量来自哪里?

④为什么ATP能够提供能量?

⑤是高能磷酸键断裂提供能量,PCR体系中为什么没有加入ATP了吗?

设计意图:教师引导学生类比细胞内DNA复制和体外PCR扩增的过程,从PCR扩增的模板、酶、原料和能量的角度联想,引导学生运用模型和建模、类比推理的思维方式,推理出PCR扩增的条件和原理,建构出PCR扩增体系,从而培养学生的模型和建模、演绎和推理、批判性思维等一系列科学思维的生物学学科核心素养。另一方面,部分学生认为PCR体系中DNA扩增的能量来源于加热,因此教师引导学生对dNTP和ArIP的结构进行类比,推理出dNTP(四种三磷酸脱氧核苷酸)中含有高能磷酸键断裂提供能量,断裂后作为DNA合成的原料,帮助学生形成物质与能量观。

5.4任务3:PCR原理的展示与评价

学生观看PCR过程视频,解说关键过程,解决以下问题:

①体内DNA复制需要引物吗?

②设计的引物在DNA上位置距离较近,对扩增出的DNA有什么影响?

③根据以上的原理,引物设计时需要注意哪些问题?

学生自由发言,通过DNA复制和PCR过程进行类比,认识到PCR扩增的特殊性和相似性,发现并解决引物设计的相关问题,从而认同科学家正是对体内DNA复制过程的模仿,发明了具有划时代意义的聚合酶链反应。

设计意图:教师通过学生解说PCR扩增视频,评价课堂学习效果,体现出“教学评”的一致性。在解说中的生生、师生互动,生成问题,在类比的基础上实现创新,归纳出PCR过程的特点是便捷、快速和灵敏。

5.5任務4:理解琼脂糖凝胶电泳原理,预测并分析实验结果

教师引导学生回忆光合色素提取和分离实验,比较光合色素的提取和分离实验和琼脂糖凝胶电泳实验的异同,思考以下问题:

①不同大小DNA分子可以利用溶解度不同进行分离吗?

②DNA有哪些特性有助于对其进行分离?什么方法可以实现分离?

③电泳时选用的介质是什么?为什么选择琼脂糖凝胶作为介质呢?

④电泳时除了加入凝胶,还加入了什么物质?

⑤电泳缓冲液有什么作用?

学生自由发言,类比光合色素的提取和分离实验和琼脂糖凝胶电泳实验进行,结合两者的相似性和特殊性,认识到琼脂糖凝胶电泳实验的原理是分子筛效应和电荷效应。

设计意图:教师引导学生运用类比和推理的思维方式,比较光合色素的提取和分离与琼脂糖凝胶电泳原理的差异,归纳出琼脂糖凝胶电泳的原理和操作原因。

接着,小组讨论,预测并分析实验结果。由小组组长组织,在实验方案中画出预期实验结果,并选择一人汇报讨论结果。电泳组CI和电泳组C2两位学生将电泳胶放入DNA图谱观察仪器中,利用同屏技术在展示琼脂糖凝胶电泳结果。

各小组比较预期结果与实际电泳条带差异,分析异常现象出现的原因,并解决以下问题:

①DNA分子为什么需要放入DNA图谱观察仪器中观察?

②如何知道PCR扩增后的分离的DNA片段的长度?

③如果希望知道PCR扩增出的DNA含量,可以通过什么办法?

部分学生指出肉眼下难以观察到DNA分子。教师引导学生结合实验前加入的Red 4S 2.5 μL荧光染料,认识到在紫外光下能激发出荧光。学生观察Marker条带,思考认识到的Marker的作用。

设计意图:在学习小组组长的组织下,组内成员讨论交流,画出预测的实验结果,在正常结果与预期结果的对比中,思考异常结果出现的原因和实验的改进方向。学生通过实验结果的预测,提高实验预测能力,并在组内成员的讨论交流中,学会运用科学术语阐明实验结果,形成主动合作意识;针对电泳出现的异常结果的分析和讨论中,提高问题解决能力,逐步增强对科学探究的好奇心和求知欲。

5.6任务5:实验的拓展与应用

学生举例说明PCR技术的应用实例。师生共同交流,思考PCR技术的应用实例:化石中的古生物、历史人物的残骸,还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液,只要能分离出一丁点的DNA,就能用PCR加以放大,进行比对。

设计意图:通过PCR技术应用的案例的探讨,学生能够认识到科技能够造福于人类的态度和价值观,形成运用生物学知识解决社会问题的意识。

在本课的教学组织中,由于DNA分子和PCR过程微观和动态,而类比推理属于合情推理,结论的正确与否与类比对象的属性的认识程度密切相关。因此,教师在教学中提供了丰富的案例事实作为支撑,尽量引导学生利用图形、微课和视频等直观材料辅助教学,通过动手实践,实证得出实验结果,帮助学生克服对抽象过程认识的困难,对类比对象属性的认识更为科学全面。在高中生物教学中,很多概念与知识点十分庞杂和琐碎,概念与概念之间如果缺乏有效的衔接,学生学习和记忆的难度将大大增加。类比思维的运用可有效帮助学生能发现类比对象与学习内容之间的共性、差异和特殊性,启发学生的思维,使生物概念间建立起高效的网络化联系。

参考文献:

[1]王娜、赖邵华、韦艳艳,运用“类比推理”的逻辑思维方法建构“自养生物”概念[J].生物学教学,2017,42(9):69-70.

[2]中华人民共和国教育部,普通高中生物学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

[3]徐孙炜.浅谈类比推理在高中生物学教学中的运用[J].中学生物学,2016,32(11):14-15.

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