科学思维视角下PCR 的深度学习

江苏

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“新课标”）中“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

本文以各类PCR 考题为主线，谈谈如何使学生在深度学习PCR 时养成科学思维。

1.背景知识

PCR（多聚酶链式反应）是在体外迅速扩增DNA 片段的技术。反应体系包括：缓冲液、一对引物、Taq DNA聚合酶、模板DNA、4 种dNTP。反应过程包括：高温变性、低温复性、中温延伸。反应结果：在短时间内，以指数形式扩增DNA 片段。

2.以题说题，提升分析与综合能力

【例1】（2017 年，江苏卷，第33 题节选）（题干略）

（2）设计一对与MT 基因两端序列互补配对的引物（引物1 和引物2），为方便构建重组质粒，在引物中需要增加适当的__________位点。设计引物时需要避免引物之间形成__________，而造成引物自连。

（4）PCR 扩增时，退火温度的设定是成败的关键。退火温度过高会破坏_________的碱基配对。退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关，长度相同但_________的引物需要设定更高的退火温度。

【答案】（2）限制性核酸内切酶 碱基互补配对

（4）引物与模板 GC 含量高

【例2】（2018 年，江苏卷，第32 题节选）（题干略）

（2）为了便于扩增的DNA 片段与表达载体连接，需在引物的_________端加上限制性酶切位点，且常在两条引物上设计加入不同的限制性酶切位点，主要目的是__________________________________________________。

【答案】5′ 使DNA 片段能定向插入表达载体，减少自连

笔者认为教师在实际教学中不妨大胆借助真题的信息设计问题，帮助学生更充分地理解PCR 中引物与退火的联系。

设计问题如下：

①请根据真题的信息，从引物长度、碱基含量等方面归纳引物设计的原则；

②退火时，是引物结合模板链的机会大还是模板链互补的机会大；

③深度挖掘例1 的信息，如何理解退火温度的设计应“既高也低”。

可能出现的情况：针对问题①学生综合分析后不难得出引物设计的原则：引物长度需适中，过短可能导致与模板结合特异性较差，过长则很有可能导致引物自身发生碱基互补配对；引物GC 的含量应适中，否则会影响退火。针对问题②学生也能推测出由于引物比模板链短得多，所以引物和模板链之间的结合机会较大。突破这两个问题后，在分析问题③退火温度的设计应“既高也低”的时候可能会出现“两极分化”，有些学生会很容易得出只有当温度足够低时才能保证引物同目的序列有效结合，同时还要足够高，以减少非特异性结合；有些学生可能依旧无法准确掌握“既高也低”的意思。但是无论如何，相信以题说题在一定程度上不仅可以提升学生分析与综合的能力，还能避免教师“机械”地教、学生“麻木”地听的现象发生。

3.以题画题，提升比较与分类能力

【例3】（2020 年，江苏卷，第33 题节选）（题干略）

（2）Taq DNA 聚合酶的作用是催化 ________________________。

【答案】以DNA 为模板的DNA 链的延伸

凭借对基础知识的识记，学生可以较为轻松地回答此题。但是如果追问Taq 酶与DNA 连接酶的区别，学生很有可能就会陷入迷思。

笔者认为由于DNA 聚合酶与Taq 酶的作用机理是非常相似的，所以大可“借”DNA 聚合酶“以画促学”。

具体操作如下：先画基本单位脱氧核苷酸；继续画一条脱氧核苷酸链作为模板；再画引物结合至模板链上；最后画上由DNA 聚合酶催化合成的子链。

可能出现的情况：在学生亲手作画的过程中，自然而然领悟到DNA 聚合酶是将单个脱氧核苷酸连接到已有的引物链上；DNA 连接酶是将经限制酶切割后的有黏性末端或平末端的DNA 片段连接起来。此外还可以借画图的机会，让学生自我强化PCR 子链延伸方向的知识。

4.以题论题，提升逆向思辨能力

【例4】（2020 年，江苏卷，第33 题节选）如果已知一小段DNA 的序列，可采用PCR 的方法，简捷地分析出已知序列两侧的序列，具体流程如图1（以EcoR Ⅰ酶切为例）：

图1

（3）若表1 所列为已知的DNA 序列和设计的一些PCR 引物，步骤Ⅲ选用的PCR 引物必须是________（从引物①②③④中选择，填编号）。

表1

【答案】②④

有了前面的学习基础，绝大多数学生会选择①③，还会质疑答案是否错误。笔者认为无论如何，都应赞许学生有质疑的勇气，此外若能帮助学生从问题的本质出发，无形之中就发展了学生“肯定—否定—思考—修正”这一思辨能力。都说“授人以鱼不如授人以渔”，不妨先请学生根据教师提供的图形（如图2）说说PCR 与反向PCR 的区别；其次，请学生完成表2；最后，回归答案、认同答案。

图2

表2

5.以题算题，提升模型构建能力

【例5】若一个该DNA 分子在PCR 仪中经过4 次循环，需要______个引物。

【答案】30

【例6】p53 基因是人体内一种抑癌基因。n 次循环之后，只含目的基因的片段占所有扩增产物的比例为______。

【答案】（2n－2n）/ 2n

这是PCR 试题中另一种较为常见且难度系数较大的题型——计算题：考查循环次数与引物、目的基因等的数量关系。学生解答这一类题目时，仅有生物学知识还不够，较为完善的数学学科思维也很重要。以上述两题为例，笔者认为应带领学生主动探索、学习更符合新时代的教学要求。

具体操作为给出PCR 三次循环的过程图（如图3），引导学生通过摸索规律、搭建数学模型来解答此题。

图3

观察图形、推理演算、汇总数据发现可能出现的情况：

①关于引物

第一次循环后，得到2 个DNA，都有引物，引物A与引物B 各1 个；

第二次循环后，得到4 个DNA，都有引物，引物A与引物B 各3 个；

第三次循环后，得到8 个DNA，都有引物，引物A与引物B 各7 个。

②关于DNA 片段

第一次循环后，得到2 个DNA，共4 条链（2 长、2 中）；

第二次循环后，得到4 个DNA，共8 条链（2 长、4 中、2 短）；

第三次循环后，得到8 个DNA，共16 条链（2 长、6 中、8 短）。

以上基础加上数据思维，继续构建循环n 次各项目的数量表格模型（如表3）就会相对容易了。

表3

学无止境，上文只是PCR 内容的冰山一角，除了普通PCR、反向PCR 以外还有逆转录PCR、原位PCR 等，不同类型的PCR 扩增过程相差不多，但又各有特殊要求。因此，笔者认为在培养学生科学思维的同时教师也应注重提升自身业务能力，这样才是真正意义上的“教学相长”。