“纸片模拟PCR”实验线上教学设计

北京市第四中学(100034) 张 瑾

为了抗击新冠肺炎疫情，我校师生开展了线上学习活动。教学形式的改变给笔者的教学带来了巨大挑战。尤其在学习基因工程中PCR相关内容时，由于反应原理复杂抽象，无法组织“PCR扩增DNA片段及凝胶电泳鉴定”实验教学，仅依靠观看PCR原理动画、绘图和教师讲授，很难取得理想的教学效果。

为此，笔者查阅国内外资料，尝试采用纸片模拟PCR的方法，指导学生居家实验，帮助学生理解PCR原理，提高科学思维和探究能力。该实验很好地反映了PCR原理，用具简单，步骤简便，直观易懂，适合居家开展。

1 实验教学目标

根据课程标准、教材内容、学生情况及线上教学特点，制定教学目标为：用纸片模拟并推理PCR过程及原理，构建产物数量的数学模型，提高科学思维及探究能力。教学的重点和难点均为用纸片模拟并推理PCR过程及原理。

2 实验准备

上课前一天，通过网络教学平台要求学生进行实验准备。

实验用具：彩纸、剪刀、胶水(或胶条)、尺子。

3 实验教学过程

3.1 类比推理

首先，教师引导学生复习体内DNA复制，类比推理体外DNA复制反应体系。教师将DNA体内、体外复制条件列表，分别做成选择题及判断题，学生单击选择答案。教师可快速掌握全班学生的学习情况，邀请学生网上连麦阐述推断理由，进而导出PCR概念并展示相关资料，印证学生猜想，引导学生建立知识框架，培养学生科学思维。

大部分学生根据高温能使DNA双链间的氢键断裂形成2条DNA单链，可以推测出体外DNA复制不需要解旋酶和连接酶，只需要DNA聚合酶。教师介绍耐高温的Taq DNA聚合酶的发现史、最适温度、特性(以引物与模板形成的小段DNA双链区为起点，催化合成一条新的DNA互补链)，并说明人工合成短的DNA单链可作为体外复制的引物，在50～60 ℃与互补的模板链结合，为后续模拟实验作好铺垫。

3.2 实验操作

教师介绍PCR技术的科学史，早期DNA合成是以1条DNA单链为模板，由1个引物启动，效率很低。

质疑：用一对引物分别以2条互补的DNA单链为模板合成DNA，通过调节温度，多次循环，为什么能使DNA成倍扩增？引导学生尝试通过纸片模拟实验，推理PCR原理。

提示学生：带箭头的长纸条为模板链，带箭头的短纸条作为引物。2个箭头方向相反并排放在一起[见图1(a)]，表示通过互补配对形成双链；纸条分开是指DNA双链间的氢键断裂，形成DNA单链[见图1(b)]。在引物纸条箭头所指方向贴上长纸条，并根据碱基互补配对原则写出序列，剪断多余纸条并在尾部剪出箭头，模拟DNA互补链的合成。

学生根据已有知识，通过剪纸、粘贴、书写序列等简单操作，基本能顺利地推导出PCR过程(见图1)及原理。

3.3 直播互动

教学平台如有学生视频互动功能，教师可让学生将摄像头对准实验操作，了解学生实验情况，邀请成功模拟的学生视频连线。如果没有视频互动功能，教师可让学生拍照上传实验步骤到教学平台，邀请学生连麦讲解，教师配合展示学生上传的实验操作照片。

学生展示并讲解纸片模拟PCR过程，分析PCR达成指数倍扩增DNA的原理，通过严密的逻辑推理提高科学思维和探究能力，同时教师对学生进行评价，学生之间相互评价，完成有效互动。

教师结合学生的分析，介绍“变性”“退火”“延伸”概念，师生一同归纳出PCR过程，并分析引物设计原则。

3.4 巩固落实

相比传统教学模式，线上教学互动较少，教师需借助教学平台采取有效手段敦促全体学生及时巩固落实知识。因此，教师进一步引导学生用纸片模拟PCR3个循环，拍照并记录产物分子的类型及个数。提示学生注意观察目的基因的单链DNA、双链DNA片段分别在第几次循环后出现，并推算第n次循环后，产物分子的类型及个数。随后，联线学生分享模拟实验结果及构建的数学模型，进一步培养学生的科学思维。此外，要求全体学生课后整理实验照片及数据，书写完整的实验报告，制作成PPT并上传至教学平台。以此来巩固落实所学知识，完成实验分享和评价。

3.5 课堂小结

最后，教师播放“PCR原理”动画视频，以简明、直观的形式回顾本节知识内容。要求学生课下根据兴趣或教师提供的议题(如新冠肺炎病毒的检测、法医指证、亲子鉴定等)，搜索PCR应用实例并准备直播分享。从而激发学生学习兴趣，为后续学习进行铺垫，培养学生应用所学知识分析解决实际问题的能力，认同现代生物学技术的发展对社会的推动作用。

4 教学反思

如果课堂时间有限，可让学生课下完成模拟PCR3个循环及构建数学模型，制作成PPT上传至教学平台。在下节课上，学生展示、教师讲评PPT，从而给学生留下更充足的独立思考的时间。

本实验用具简单，操作简便，形象、直观地反映了PCR过程，有助于学生理解重要且抽象的PCR原理。学生通过推理PCR过程及原理，分享交流，统计数据构建模型，书写完整实验报告，切实提高了科学思维和探究能力。