创设真实情境进行指向解决问题的生物技术教学

1、创设真实情境进行指向解决问题的生物技术教学创设真实情境进行指向解决问题的生物技术教学付鑫摘要：以“pcr 技术的应用”一节为例，创设真实情境，通过核心问题引发学生思考和主动探究寻求解决问题的方案。四个情境对应的 pcr 技术背景逐步加深，均基于“引物是 pcr 技术中实现特异性 dna 片段扩增的保证”这一重要概念，帮助学生深入挖掘 pcr 技术的突破和创新，提高学生解决问题的能力。关键词：教学情境，解决问题，pcr，生物技术，核心素养中图分类号：g633.91 文献标志码：b1 教学内容分析普通高中生物学课程标准（2017 年版）（以下简称新课标）提出“教学过程重实践”的课程理念，强调学生在

2、学习过程中主动参与，通过探究性学习活动，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力。选择性必修模块 3生物技术与工程是突出实践性教学的典型内容。20 世纪后期以来，生物技术快速发展，支持生物学研究的不断演进。在分子水平的研究中，pcr（聚合酶链式反应）是最常用的技术之一。新课标的“教学提示”明确提出了“利用聚合酶链式反应（pcr）扩增 dna 片段并完成电泳鉴定”的要求。在基因工程等微观领域的生物学研究与实践中，pcr 实现了扩增目的基因以及更为广泛的应用。本节课作为一节生物技术的拓展课，一般放在选择性必修模块 3生物技术与工程中“基因工程”一章中，以“pcr 技术的应用”为题，创设真实的问题

3、情境，引导学生利用 pcr 技术的基本原理解决实际生活中的问题，实现课标对“教学过程重实践”的要求，落实科学探究和社会责任的核心素养。2 教学目标（1）比较说明 pcr 与体内 dna 复制的异同，概述 pcr 技术在生物学研究与实践中的应用价值。（2）基于 pcr 的基本原理，说明检测基因型、dna 测序、获取基因启动子的思路和方法，提升创造性思维。（3）体会在真实科学研究与实践中 pcr 技术应用的情境，尝试在实验设计中利用 pcr技术解决实际问题。（4）举例说明 pcr 技术在科学研究、医疗和环境监测等领域的应用，体会生物技术在实际生活中的实践价值。3 教学过程为凸显教学的实践性，整节课

4、以“片段式情境”贯穿始终。首先，由教师提出研究情境，明确研究主题和待解决的问题，通过学生合作讨论，提炼情境中的核心问题。接着，学生基于本节课的知识背景，尝试提出核心问题的解决方案，从而对生物技术产生更深入的认识，明确生物技术的科研、医疗、环保等社会价值。教学思路如图 1 所示。3.1 导入环节教师为学生播放提前准备的 pcr 过程模拟视频，提示学生关注每轮循环的具体细节，提出问题：pcr 技术实现特异 dna 片段扩增的核心条件是什么？学生在观看视频时候回应问题，发现“特异引物对保障了 pcr 实现特异片段扩增”的重要结论，为本节课情境探究落下伏笔。3.2 情境探究环节3.2.1 利用 pcr

5、 进行基因型鉴定教师创设情境一：uterman 研究团队发现了 apoe 基因表达的载脂蛋白对胆固醇运输有重要作用。通过插入序列引发的 apoe 基因突变会引起高血脂症。小明一家的系谱图如图 2所示。请利用 pcr 的方法判断小明刚刚出生的妹妹是否具有高血脂症的风险。学生首先在完成情境阅读后明确核心问题：突变基因与野生型基因的差异是什么？如何利用 pcr 技术区分？该核心问题是 pcr 技术的基础应用，学生容易发现插入序列引发突变基因的片段变长。那么，在已知 apoe 基因两端序列的前提下，设计 apoe 特异性引物对小明妹妹的基因组 dna 进行 pcr，通过电泳区分条带大小，即可鉴定疑似病

6、例的基因型（图 3）。该案例情境与遗传诊断相关，引导学生关注遗传病议题，使学生体会生物技术在医疗工作中的价值。3.2.2 利用 pcr 进行 dna 序列测序教师创设情境二：ronaghi 利用 dna 分子杂交技术探知了基因 r 两端的序列。为了研究基因 r 的功能，请为 ronaghi 提供一种获得基因 r 全碱基序列的方法。dna 测序是学生较为熟悉的话题，不少拓展资料为学生介绍了经典的 sanger 末端终止测序法。然而，末端终止法并非学生在利用 pcr 技术前提下思考测序过程的直接思路。在课堂讨论中，学生提出希望将分子水平上每一次碱基互补配对“可视化”，这与第二代dna 测序焦磷酸测

7、序法的思路不谋而合。此时，教师介绍利用 dna 复制过程中 dntp 水解产生焦磷酸（ppi）发出荧光的方法，引导学生整理得出焦磷酸测序原理与方法（图4）。相较于第一代 dna 测序，焦磷酸测序法具有通量大、成本低的特点。学生通过对本情境问题的解决，体会到生物技术的不断演进和发展。3.2.3 利用 pcr 获取未知 dna 片段教师创设情境三：jacob 博士发现大肠杆菌在 lac 基因启动子的位置具有一些蛋白質的结合位点，能够调控 lac 基因在需要的时候表达，因此他想获得启动子序列来研究。在未知启动子碱基序列的情况下，请提出利用 lac 基因序列进行 pcr 思路。这一情境对学生的挑战较大

8、，“如何在未知碱基序列的情况下设计引物”是解决这一情境的核心问题。此时，教师需为学生搭建“脚手架”播放线性 dna 经过酶切、连接实现环化的视频。学生在视频的提示下，提出在启动子上游、基因下游寻找相同酶切位点，通过 dna 连接酶处理实现环化，利用已知基因序列两端序列设计出“反向引物”。学生通过绘制模型发现，“反向引物”实际也是位于目的序列两端，3 端相向，因此仍然符合 pcr 的原理，实现特异目的片段的扩增。反向 pcr 使人类对基因组进行了更加广泛的探索，是基因定位、获取调控序列的重要方式。3.2.4 利用 pcr 实现 dna 片段的融合情境四是本节课比较特殊的一个，教师要求学生完善一个

9、实验设计，并且没有直接提示 pcr 技术在该实验中的应用：leiprecht 博士 2010 年在美国期刊bbrc上发表文章指出，乳头瘤病毒特异蛋白 e6 能够诱导瘤细胞提高葡萄糖的摄取能力。他的实验设计是：在敲除葡萄糖载体蛋白基因的爪蟾细胞中注射适量缓冲液。在敲除葡萄糖载体蛋白基因的爪蟾细胞中注射含 e6 蛋白基因的表达载体的缓沖液。在敲除葡萄糖载体蛋白基因的爪蟾细胞中注射等量含 sgltl（葡萄糖载体）蛋白基因的表达载体的缓冲液。在敲除葡萄糖载体蛋白基因的爪蟾细胞中注射_。学生通过变量分析，容易发现组作为实验组应该同时导入 e6 蛋白基因和 sglt1 蛋白基因。此时，教师引导学生分析构建

10、基因表达载体的过程，相较于两段基因独立的连接，融合基因与载体单次的连接成功率更高。因此，提出该情境的核心问题：如何利用pcr 技术实现 dna 片段的融合。仍然以特异性引物为线索，通过重叠的接头来实现 dna 片段的融合（图 5）。这一 pcr 的拓展能够帮助学生理解 dna 分子进行融合、定点诱变等精细的操作。3.3 总结与评价教师带领学生总结本节课中 pcr 在四个情境中的应用，分析不同情境的核心问题，提出“设计特异性引物是 pcr 成功的首要条件”，深化落实 pcr 技术的基本原理。教师总结：pcr 不仅是体外进行 dna 复制的一种手段，更是生物学研究、医疗、环保等社会实践中的重要方法，生物技术围绕着人类的生活需要不断地演进和革新。在课堂最后流出个性化作业：将本节课各情境中 pcr 的基本原理用图示表示出来;查阅相关资料文献，列举 pcr 技术在更多研究、实践中的应用。4 教学反思本节课作为一节 pcr 技术的拓展课，重点不是讲解 pcr 的基本原理，而是带领学生通过分析教师创设的真实情境，利用生物学原理和方法解决问题。学生在讨论与思考中需要跳脱 pcr 常规方法和应用情境的束缚，用建模的思想梳理研究情境中的核心问题，用创造性思维灵活运用 pcr 技术解决该问题，并在这一过程中掌握科学探究的基本思路和方