關(guān)于“利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因”的教學(xué)建議[文檔資料]

關(guān)于 “ 利用 PCR 技術(shù)擴(kuò)增目的基因 ” 的教學(xué)建議 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 PCR 技術(shù)是生物學(xué)研究上一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，它是體外快速擴(kuò)增特定基因或 DNA 序列的方法，只需在 eppendorf離心管中建立反應(yīng)，經(jīng)數(shù)小時(shí)后，就能將極其微量的目的基因或某一特定 DNA 片段擴(kuò)增數(shù)十萬(wàn)倍，甚至千百萬(wàn)倍 .這項(xiàng)技術(shù)不僅可以用于獲取和擴(kuò)增目的基因，而且在癌癥治療的監(jiān)控、臨床醫(yī)療診斷以及法醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都有著重要的用途，如此一項(xiàng)有重要作用的技術(shù)，筆者認(rèn)為高中生必 要理解和掌握這項(xiàng)技術(shù) . 但是實(shí)際情況是學(xué)生對(duì)于 PCR 技術(shù)的掌握情況并不是很理想，對(duì) PCR 技術(shù)原理和過(guò)程的掌握不夠到位 .究其原因，一方面由于 PCR 擴(kuò)增 DNA 技術(shù)所需設(shè)備昂貴，一般中學(xué)很少具備動(dòng)手操作的條件，另一方面 PCR 技術(shù)在高中教材中僅有少許的原理介紹，教師僅按照課本進(jìn)行教學(xué)，難以讓學(xué)生完全理解掌握這項(xiàng)技術(shù) .因此，教師有必要對(duì)教材內(nèi)容加以適當(dāng)挖掘和拓展 .縱觀近幾年高考對(duì)于這一部分內(nèi)容的考查，主要有一些基礎(chǔ)識(shí)記內(nèi)容，比如 PCR 技術(shù)的基本原理是什么？ PCR技術(shù)的基本步驟是什么？ PCR 反應(yīng)條件有哪些？ 所用 DNA 聚合酶有什么特點(diǎn)等等 .對(duì)于這些基礎(chǔ)內(nèi)容的考查，學(xué)生得分率還是較高 .當(dāng)然，也有基于 PCR 原理和過(guò)程引伸出的考點(diǎn)，比如引物相關(guān)考點(diǎn)， DNA 片段種類(lèi)和比例的相關(guān)考點(diǎn) .如 2011 年江蘇卷的 33 題，這道題難度很大，基于 PCR 技術(shù)的原理和過(guò)程來(lái)考查學(xué)生的思維能力，由于大多數(shù)學(xué)生對(duì) PCR 技術(shù)原理和過(guò)程理解不夠到位，所以碰到這種難度拔高的題目，無(wú)法很自如運(yùn)用相關(guān)知識(shí)來(lái)解題，導(dǎo)致這道題得分率很低 . 從近兩年全國(guó)各地的高考試題對(duì)選修內(nèi)容的考查難度來(lái)看，選修部分知識(shí)的考查難度有明顯的提高，不再是最初的提綱挈領(lǐng) 式以及純記憶式考查，因此必須對(duì)選修的相關(guān)專(zhuān)題版塊特別是基因工程的相關(guān)知識(shí)加以深化，讓學(xué)生真正理解而不是僅僅停留在記憶層面 .基于這些情況，筆者認(rèn)為在“ 利用 PCR 技術(shù)擴(kuò)增目的基因 ” 這部分內(nèi)容教學(xué)中，有必要對(duì) PCR 原理及過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)拓展，以幫助學(xué)生全面理解 PCR技術(shù) .以下是具體的教學(xué)建議： 一、 PCR 技術(shù)的基本原理 利用 PCR 技術(shù)擴(kuò)增目的基因，是基因工程操作步驟中獲取目的基因的常用方法之一 . PCR 是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫(xiě)，是一項(xiàng)在生物體外復(fù)制特定 DNA 片段的核酸合成技術(shù)，它利用的原 理是 DNA 雙鏈復(fù)制的原理，在學(xué)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已有了 DNA 復(fù)制的知識(shí)，因 自主學(xué)習(xí) .以 “ 基因的自由組合定律 ” 的教學(xué)為例，教師在引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)孟德?tīng)柾愣闺s交實(shí)驗(yàn)（一）相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)上提出問(wèn)題 “ 基因到底遵循怎樣的遺傳規(guī)律？ ” 引入課題后，幻燈呈現(xiàn)黃色圓粒豌豆和綠色皺粒豌豆的雜交試驗(yàn)圖，然后提出問(wèn)題 “(1) 孟德?tīng)栆酝愣沟哪膬蓪?duì)相對(duì)性狀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的？ (2)F1 代的表現(xiàn)型是什么？說(shuō)明了什么問(wèn)題？ (3)F2 代的表現(xiàn)型是什么？比值是多少、為什么出現(xiàn)了兩種新的性狀？(4)分析每對(duì)性狀的遺傳是否遵循基因的分離定律？ ” 引 導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，討論后總結(jié)出不同性狀的組合是自由的、隨機(jī)的結(jié)論，接著以問(wèn)題 “ 孟德?tīng)柺侨绾谓忉屵@一現(xiàn)象 ” 過(guò)渡到“ 對(duì)自由組合現(xiàn)象的解釋 ” 的探究中 .這樣，讓學(xué)生在原有知識(shí)基礎(chǔ)上來(lái)探究新問(wèn)題，在探究新問(wèn)題中構(gòu)建新知識(shí)，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的獲得過(guò)程，較好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 . 其次，課堂中引導(dǎo)學(xué)生探究過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生積極參與到活動(dòng)過(guò)程中，在活動(dòng)中積極表達(dá)自己的意見(jiàn)，從而分享收獲，提出問(wèn)題 .要讓學(xué)生積極參與探究活動(dòng)，教師除要?jiǎng)?chuàng)設(shè)和諧的課堂氛圍來(lái)引導(dǎo)學(xué)生大膽發(fā)言外，還要在學(xué)生討論中及時(shí)給予指導(dǎo)和點(diǎn)撥 .以 “ 伴 性遺傳 ” 教學(xué)中 “ 色盲 ”的教學(xué)為例，教師先用幻燈片簡(jiǎn)介色盲病來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，呈現(xiàn)色盲檢查圖提出問(wèn)題 “ 色盲基因是隱性的，它與它的等位基因都只存在于 X 染色體上， Y 染色體上沒(méi)有，這是為什么？ ” 學(xué)生討論后教師呈現(xiàn) X 和 Y 染色體的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖并點(diǎn)撥 “ 由于 Y 染色體很短小，因此，在 X 染色體上位于非同源區(qū)段上的基因 Y 染色體就沒(méi)有，比如，色盲基因 b 和它的等位基因 B 就只存在于 X 染色體的非同源區(qū)段上 .” 同時(shí)強(qiáng)調(diào)在寫(xiě)色覺(jué)基因型時(shí)，為了與常染色體的基因相區(qū)別，一定要先寫(xiě)出性染色體，再在右上角標(biāo)明基因型 .這樣將教師的“ 教 ” 和學(xué)生的 “ 學(xué) ” 相互同一起來(lái)，讓學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)，才有助于學(xué)習(xí)效率的提高 . 三、引導(dǎo)學(xué)生課后應(yīng)用，形成能力 經(jīng)過(guò)課前預(yù)習(xí)和課堂探究，學(xué)生形成了一定的知識(shí)構(gòu)建，此時(shí)教師要注重引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況而進(jìn)行練習(xí)和復(fù)習(xí)，在練習(xí)和復(fù)習(xí)中鞏固知識(shí)，應(yīng)用知識(shí)，這樣才有助于學(xué)生技能的培養(yǎng)，讓學(xué)生做到活學(xué)活用 . 首先，就課后練習(xí)而言，教師要注重引導(dǎo)學(xué)生在自己知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行訓(xùn)練 .在這個(gè)過(guò)程中，教師要針對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)而以多樣化的作業(yè)方式來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練 .如教學(xué)中針對(duì)基礎(chǔ)稍差的學(xué)生，教師提供了選擇題、填空題、 判斷題等多種題型，學(xué)生不必全部完成，只需根據(jù)自己的實(shí)際選擇最低數(shù)量的作業(yè)完成即可 .學(xué)生完成相應(yīng)的練習(xí)后，教師要及時(shí)對(duì)學(xué)生練習(xí)情況進(jìn)行反饋，然后在針對(duì)學(xué)生存在的問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo) .如有的學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)概念沒(méi)有理解，教師可利用課余時(shí)間對(duì)其進(jìn)行輔導(dǎo)，通過(guò)案例、實(shí)驗(yàn)等多種方式來(lái)引導(dǎo)學(xué)生理解概念 .其次，就復(fù)習(xí)而言，教師要在復(fù)習(xí)習(xí)慣和方法上給予引導(dǎo) .如引導(dǎo)學(xué)生以教材為出發(fā)點(diǎn)，在通讀教材的基礎(chǔ)上掌握基本概念后去完成一定的練習(xí)，針對(duì)自己不懂的知識(shí)點(diǎn)要多提出問(wèn)題進(jìn)行分析，要多和同伴進(jìn)行交流，向教師請(qǐng)教，這樣才會(huì)收到效果 . 總 之，在高中生物課堂教學(xué)中，教師要真正樹(shù)立學(xué)生主體意識(shí)，從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生掌握一定的學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，這樣才有利于學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提升 .當(dāng)然，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的指導(dǎo)作用也不可或缺，尤其是課堂中的引導(dǎo)，教師要注重在學(xué)生自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上針對(duì)學(xué)生的實(shí)際而進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生在原有基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，這樣才能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立學(xué)習(xí)信心，讓學(xué)生為將來(lái)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) . 此教學(xué)中首先讓學(xué)生分析細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制的所需原料和反應(yīng)條件，然后讓學(xué)生設(shè)想如何在體外設(shè)置一個(gè)類(lèi)似 DNA復(fù)制環(huán)境，再進(jìn)入新知識(shí)的學(xué)習(xí) .通過(guò)比較細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制和PCR 技術(shù)的異同點(diǎn)（如表 1 所示），把 PCR 知識(shí)歸納到已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中，形成完整的學(xué)科知識(shí)體系，這樣學(xué)生也更全面地掌握 PCR 技術(shù)的原理 . 表 1 細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制和 PCR 技術(shù)的比較 比較項(xiàng)目細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制 PCR 技術(shù) 解鏈方式解旋酶，需要消耗 ATP90 -95 受熱變性解鏈 引物 RNA 引物 DNA 引物 DNA 聚合酶普通 DNA 聚合酶熱穩(wěn)定 DNA 聚合酶（ Taq酶） 溫度細(xì)胞內(nèi)溫和條件需要控制溫度 結(jié)果合成 DNA 分子合成 DNA 片段或基因 聯(lián)系：都需要 DNA 為模板，四種脫氧核苷酸作為原料 首先，解鏈方式不同， DNA 復(fù)制是利用解旋酶解開(kāi)兩條鏈，這個(gè)過(guò)程要消耗細(xì)胞內(nèi)的 ATP，而 PCR 反應(yīng)則是通過(guò)高溫破壞氫鍵，從而使雙鏈解開(kāi) .其次，所用的引物也不同， PCR反應(yīng)的引物是人工合成的 DNA 短片段，而 DNA 復(fù)制其實(shí)也需要一段 RNA 作為引物，這個(gè)內(nèi)容高中并不做要求，了解一下即可 .還有所用的 DNA 聚合酶種類(lèi)也不同， PCR 反應(yīng)用到的是耐高溫的 Taq 酶，該菌是 1969 年從美國(guó)黃石國(guó)家森林公園火山溫 泉中分離得到的 .反應(yīng)的溫度也有很大差別， DNA 復(fù)制整個(gè)過(guò)程是在細(xì)胞內(nèi)溫和條件下進(jìn)行，而 PCR 反應(yīng)需要控制溫度，解鏈（ 90-95 ） 退火（ 55-60 ） 延伸（ 70-75 ） .最后，合成的產(chǎn)物也不同， DNA 復(fù)制是合成一樣的 DNA 分子，而 PCR 反應(yīng)則是合成目的基因 . 二、利用 PCR 技術(shù)擴(kuò)增目的基因的過(guò)程 利用 PCR 技術(shù)擴(kuò)增目的基因是一個(gè)重復(fù)模板 DNA 解鏈、引物結(jié)合到互補(bǔ) DNA 鏈、 DNA 聚合酶催化形成新的 DNA 鏈的過(guò)程，該過(guò)程主要是通過(guò)人為控制反應(yīng)體系的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的 .在高中教 學(xué)中，教師一般只是簡(jiǎn)單介紹 PCR 技術(shù)的三個(gè)步驟以及相應(yīng)的反應(yīng)溫度，這樣學(xué)生只是表面了解這項(xiàng)技術(shù)的過(guò)程，但是沒(méi)有實(shí)質(zhì)地掌握，所以需要在介紹各步驟基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)拓展 . 1.引物及其作用 在影響基因體外擴(kuò)增的各種因素中，引物設(shè)計(jì)最為重要，它決定了擴(kuò)增的目的基因的特異性 .2013 年福建理綜卷的33 題，其中一空就直接考查 “ 引物 ”. 在 PCR 技術(shù)的介紹中引物是一個(gè)重要概念，所以有必要在教材基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)拓展，讓學(xué)生真正理解什么是引物 .所謂引物是指與待擴(kuò)增的目的基因兩端序列互補(bǔ)的人工合成的寡核苷酸短片段 ，引物有一對(duì)，分別對(duì)應(yīng)于目的基因的兩條鏈 .引物就像是標(biāo)記，它能夠指導(dǎo) DNA 聚合酶從此點(diǎn)開(kāi)始向一個(gè)方向延伸出與模板鏈互補(bǔ)配對(duì)的子鏈，并且往一個(gè)方向延伸直至模板鏈的末端 .引物的位置是不動(dòng)的，并且一輪循環(huán)中的引物，是下一輪循環(huán)中模板鏈的組成片段 . 2.PCR 反應(yīng)的具體過(guò)程 人教版選修 3 圖 1-8PCR 反應(yīng)原理示意圖（圖 1 略），雖說(shuō)能夠比較形象直觀展現(xiàn) PCR 的反應(yīng)過(guò)程，但卻沒(méi)有完整地反映出實(shí)際的過(guò)程 .按圖 1 來(lái)看， PCR 反應(yīng)的起始模板 DNA就是目的基因，但其實(shí)不然，實(shí)際上 PCR 反應(yīng)的起始反應(yīng)物通常是 一個(gè)含有目的基因的 DNA 片段 .那么要擴(kuò)增目的基因，首先應(yīng)該從模板 DNA 中獲取出目的基因，然后再進(jìn)行擴(kuò)增 .如果需要從某個(gè) DNA 片段中獲取目的基因，這個(gè) DNA 片段就相當(dāng)于模板 DNA 了，需要進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增的片段是目的基因 .很重要的是在擴(kuò)增目的基因前，必須先搞清楚待擴(kuò)增片段兩端的部分堿基序列，然后根據(jù)兩端堿基序列設(shè)計(jì)好互補(bǔ)的引物，接著構(gòu)建反應(yīng)體系進(jìn)行 PCR. 利用 PCR 技術(shù)獲取和擴(kuò)增目的基因的具體過(guò)程如圖 2所示，反應(yīng)起始是一個(gè)含有目的基因的 DNA 片段，接著一對(duì)引物各自結(jié)合到與之互補(bǔ)的模板鏈 .然后以引物位置 為起點(diǎn)，在 Taq 聚合酶作用下往一個(gè)方向延伸下去，如此循環(huán)下去，引物的位置始終不變一輪循環(huán)中的引物，是下一輪循環(huán)中模板鏈的組成片段 .由圖可以看到在整個(gè) PCR 反應(yīng)體系中，含目的基因的 DNA 片段有多種類(lèi)型，而且到了循環(huán) 3 才獲得 2 個(gè)所要的目的基因（如圖 2 所示），如此循環(huán)下去目的基因數(shù)目會(huì)越來(lái)越多，所占比例會(huì)越來(lái)越大，所以目的基因數(shù)目的變化可以近似看成以指數(shù)形式擴(kuò)增（約 2n） . 在實(shí)際教學(xué)中，可以利用 PPT 動(dòng)畫(huà)依次演示圖 2 所示的各個(gè)循環(huán)，理解 PCR 反應(yīng)包含了目的基因的獲取和擴(kuò)增兩個(gè)過(guò)程 .如果按人教版教材的圖 1 來(lái)介紹 PCR 技術(shù)，相信很多學(xué)生很難理解 “PCR 技術(shù)是獲取目的基因的常用方法之一 ” 這句話(huà)，而據(jù)圖 2 就很容易理解了 . 三、小結(jié) 現(xiàn)如今高考越來(lái)越注重考查學(xué)生的思維能力，很多試題會(huì)將學(xué)生 “ 空投 ” 到一個(gè)較為陌生的領(lǐng)域，看學(xué)生能否根據(jù)已有的知識(shí)，在規(guī)定的時(shí)間到達(dá) “ 目的地 ”. 換句話(huà)說(shuō)生物試題的答案不是靠背出來(lái)的，而要善于將抽象推理具體化、形象化，這是思維方式的轉(zhuǎn)變 .而要做到快速的