PCR結(jié)果分析及應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE8教學(xué)基本信息課題PCR結(jié)果分析及其應(yīng)用是否屬于地方課程或校本課程否學(xué)科生物學(xué)段：高中年級(jí)高二教材人教版選修1生物技術(shù)實(shí)踐指導(dǎo)思想與理論依據(jù)生物科學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，很多知識(shí)和理論都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步也極大的促進(jìn)生物科學(xué)的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，本課通過(guò)分析SRY基因PCR擴(kuò)增結(jié)果的電泳圖譜，幫助學(xué)生理解和提升對(duì)PCR原理的認(rèn)識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)做出合理判斷得出正確結(jié)論的能力，提高學(xué)生用邏輯思維解決生物學(xué)實(shí)際問(wèn)題的能力。《普通生物高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，注重與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系。強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生親歷思考和探究的過(guò)程，注重使學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活的背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中深入理解生物學(xué)的核心概念。本課通過(guò)分析PCR技術(shù)在基因工程和基因診斷等實(shí)際情境中的應(yīng)用，幫助學(xué)生理解生物科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的相互關(guān)系，提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)生物科學(xué)和社會(huì)發(fā)展的聯(lián)系。教學(xué)背景分析教學(xué)內(nèi)容分析：《多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增DNA片段》是選修1模塊“DNA和蛋白質(zhì)技術(shù)”專(zhuān)題的核心內(nèi)容之一，課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的教學(xué)要求是“嘗試PCR（DNA多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)的基本操作和應(yīng)用”，屬于理解應(yīng)用水平。該內(nèi)容是對(duì)必修2模塊“概述DNA分子的復(fù)制”的拓展和應(yīng)用，有助于學(xué)生體會(huì)理論研究與技術(shù)應(yīng)用之間的關(guān)系，提高生命科學(xué)素養(yǎng)；PCR技術(shù)是獲取目的基因的重要方式，該內(nèi)容的學(xué)習(xí)為選修3“基因工程”專(zhuān)題的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ),有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)基因工程的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)PCR技術(shù)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，該內(nèi)容的學(xué)習(xí)有助于拓展學(xué)生的生物科技視野、增進(jìn)學(xué)生對(duì)生物科技與社會(huì)關(guān)系的理解?！抖嗑勖告?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增DNA片段》主要內(nèi)容包括PCR技術(shù)原理、PCR技術(shù)操作、PCR結(jié)果鑒定與分析、PCR技術(shù)應(yīng)用，本節(jié)課為第2課時(shí)，主要完成PCR結(jié)果分析和PCR技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)。學(xué)情分析：通過(guò)第一課時(shí)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠說(shuō)出PCR技術(shù)的原理、條件和循環(huán)過(guò)程，但是技術(shù)原理的理解并不透徹，難以有效的遷移應(yīng)用。PCR擴(kuò)增的結(jié)果如何分析，是否擴(kuò)增出模板DNA，擴(kuò)增結(jié)果異常的原因及如何排除其他因素對(duì)擴(kuò)增結(jié)果的干擾是學(xué)生未知的。PCR儀的操作過(guò)程學(xué)生比較容易掌握，因此在課下完成。但是PCR結(jié)果分析和PCR技術(shù)的應(yīng)用這兩部?jī)?nèi)容比較抽象，對(duì)學(xué)生的能力要求較高，需要在課上通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞揭龑?dǎo)，借助實(shí)驗(yàn)觀察和分析、實(shí)驗(yàn)圖片、情境分析等方式引導(dǎo)學(xué)生遷移知識(shí)，自主歸納梳理PCR技術(shù)的應(yīng)用，主動(dòng)探究構(gòu)建知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。教學(xué)資源、方法與手段：在教學(xué)過(guò)程中，適時(shí)使用多媒體課件和同屏器等現(xiàn)代化信息技術(shù)，直觀生動(dòng)的呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)，在分析中感悟，體會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，訓(xùn)練邏輯思維的嚴(yán)密性。拓展教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)思路，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。技術(shù)準(zhǔn)備：多媒體、同屏器教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：1.辨別PCR的擴(kuò)增結(jié)果。2.總結(jié)PCR技術(shù)在基因工程、性別鑒定、基因診斷等方面的應(yīng)用能力目標(biāo)：1.嘗試觀察電泳圖譜，分析PCR的擴(kuò)增結(jié)果。2.運(yùn)用PCR的原理分析歸納PCR的應(yīng)用。情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：1.通過(guò)性別鑒定實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和分析，體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，提高學(xué)習(xí)生物科學(xué)的興趣。2.認(rèn)同PCR技術(shù)廣泛地應(yīng)用于基因工程、性別鑒定、基因診斷等多個(gè)方面。教學(xué)重難點(diǎn)1.教學(xué)重點(diǎn)總結(jié)PCR技術(shù)在基因工程、性別鑒定、基因診斷等方面的應(yīng)用2.教學(xué)難點(diǎn)辨別PCR的擴(kuò)增結(jié)果教學(xué)流程示意教學(xué)過(guò)程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)教學(xué)意圖課前環(huán)節(jié)1.指導(dǎo)興趣小組完成以下任務(wù)：任務(wù)一：利用口腔上皮細(xì)胞，完成SRY基因的PCR擴(kuò)增，將擴(kuò)增產(chǎn)物放于4℃保存。任務(wù)二:課前制作濃度為2%的瓊脂糖凝膠。2.上課前教師利用保存的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物完成電泳點(diǎn)樣。興趣小組志愿者刮取口腔上皮細(xì)胞，完成任務(wù)一和二。課下完成PCR擴(kuò)增，節(jié)約課上時(shí)間，提高課堂效率。學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的興趣。課上環(huán)節(jié)一：直接導(dǎo)入上節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了PCR技術(shù)的原理，利用刮取的口腔上皮細(xì)胞，擴(kuò)增了Y染色體上特有的SRY基因片段。如何鑒定是否擴(kuò)增到SRY基因片段呢？聆聽(tīng)承上啟下，問(wèn)題引入的形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課上環(huán)節(jié)二：PCR結(jié)果的分析可以通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳的方法鑒定PCR結(jié)果，電泳的原理是什么？如何操作呢？（一）電泳的操作步驟興趣小組代表利用PPT介紹凝膠電泳的操作步驟：稱(chēng)取瓊脂糖、量取TAE緩沖液、微波爐加熱融化、鋪制凝膠、點(diǎn)樣、電泳、紫外透射儀觀察等操做步驟。觀察學(xué)生通過(guò)觀察興趣小組的展示，能夠說(shuō)出電泳操作的主要步驟。（二）電泳的原理資料1：DNA在TAE緩沖液中帶有負(fù)電荷。問(wèn)題：PCR產(chǎn)物應(yīng)該加在電源的哪一極？電泳中DNA移動(dòng)方向是怎樣的？資料2：電泳時(shí)，長(zhǎng)度不同的DNA分子由于所受凝膠的阻遏作用大小不一，遷移的速度不同。問(wèn)題：DNA分子越大，在凝膠中泳動(dòng)速度越快嗎？資料3：核酸熒光染料可插入到DNA分子的雙鏈中。在紫外光的照射下，插入染料的DNA呈綠色熒光。思考、分析、討論、回答理解電泳的主要原理通過(guò)資料提示及問(wèn)題引導(dǎo)的形式，使學(xué)生理解電泳的主要原理。同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生的語(yǔ)言分析及邏輯思維能力。（三）結(jié)果分析課前點(diǎn)樣的電泳需要20分鐘才能觀察，我們先借用其他班的實(shí)驗(yàn)結(jié)果了解一下如何分析電泳的圖譜。展示圖片：課上環(huán)節(jié)二：PCR結(jié)果的分析簡(jiǎn)介：加樣孔在上，擴(kuò)增的DNA片段會(huì)從加樣孔向遠(yuǎn)端泳動(dòng)，形成一個(gè)跑道，加樣孔下方的條帶就是檢測(cè)產(chǎn)物。M表示marker，1-7表示檢測(cè)的樣本。M中是已知大小的不同DNA分子。問(wèn)題1：M中的幾個(gè)條帶與加樣孔距離為什么不同？M的作用是什么？教師點(diǎn)撥：M中的DNA分子片段大小不同。以M為參照比對(duì)待測(cè)樣本中DNA分子片段的大小。問(wèn)題2：1-7為什么有的有條帶，有的沒(méi)有條帶？教師點(diǎn)撥：男性個(gè)體有Y染色體上的SRY基因，女性個(gè)體沒(méi)有Y染色體。根據(jù)PCR結(jié)果可以確定1、4、6、7為男性，其余為女性。問(wèn)題3：為什么1、4、6、7條帶的亮度有差異？受哪些因素的影響？教師點(diǎn)撥：產(chǎn)物中DNA片段的數(shù)目不同，亮度不同，DNA分子數(shù)目越多，條帶越亮。問(wèn)題4：1號(hào)是女性卻有擴(kuò)增條帶，原因是什么？如何驗(yàn)證？教師點(diǎn)撥：最有可能是模板污染導(dǎo)致假陽(yáng)性條帶，可以設(shè)置不添加模板，只添加引物、dNTP和TaqDNA聚合酶的一組實(shí)驗(yàn)作為陰性對(duì)照，排除操作中污染的干擾。問(wèn)題5：哪些因素可能導(dǎo)致擴(kuò)增失??？如何驗(yàn)證？教師點(diǎn)撥：沒(méi)有模板或模板質(zhì)量差、酶失活、引物、dNTP失活都可能導(dǎo)致擴(kuò)增失敗，可以設(shè)置添加已知正常模板和反應(yīng)體系的一組作為陽(yáng)性對(duì)照排除這些因素的干擾。同屏器展示：課前教師點(diǎn)樣的電泳圖譜。引導(dǎo)學(xué)生自主分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。觀察、思考、分析、討論、表達(dá)。解釋電泳圖譜的檢測(cè)結(jié)果。觀察、分析、描述電泳的檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)分析討論5個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生掌握電泳圖譜的分析方法，以及陰性和陽(yáng)性對(duì)照的設(shè)計(jì)方法。強(qiáng)化學(xué)生對(duì)PCR原理的理解。訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋和科學(xué)論證能力。引導(dǎo)學(xué)生觀察并描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，訓(xùn)練學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)的科學(xué)分析能力。過(guò)渡PCR實(shí)驗(yàn)應(yīng)該設(shè)置陰性對(duì)照、陽(yáng)性對(duì)照，同時(shí)多次重復(fù)試驗(yàn)以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)我們知道PCR可以用于鑒定性別，除此之外PCR技術(shù)還可以應(yīng)用到哪些領(lǐng)域呢？課上環(huán)節(jié)四：PCR技術(shù)的應(yīng)用課上環(huán)節(jié)四：PCR技術(shù)的應(yīng)用一、PCR技術(shù)在基因工程中的應(yīng)用資料1：培育轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的過(guò)程示意圖。設(shè)問(wèn)：基因工程操作過(guò)程中，PCR技術(shù)可以應(yīng)用在哪些步驟中？圖片展示植酸酶基因的示意圖，列表歸納在基因工程中應(yīng)用PCR技術(shù)的具體過(guò)程。二、PCR技術(shù)在基因診斷方面的應(yīng)用資料2：亨廷頓舞蹈癥(Huntington'sdisease,HD)是染色體顯性遺傳病，多在30～40歲發(fā)病，致病基因構(gòu)成如下圖所示：創(chuàng)設(shè)情境：能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在患者發(fā)病前進(jìn)行診斷？如何診斷個(gè)體3、4是否為患者？展示遺傳系譜中每個(gè)人的PCR產(chǎn)物的電泳圖譜。分析各家庭成員的基因組成。教師點(diǎn)撥：根據(jù)電泳圖譜可以確定2號(hào)為雜合子，1、3、4不含致病基因?yàn)榧兒献?，因?號(hào)和4號(hào)成員不會(huì)患病。分析資料，思考并討論問(wèn)題。歸納梳理基因工程中應(yīng)用PCR技術(shù)的具體過(guò)程。思考，討論，描述診斷方案。分析電泳圖譜，判斷家庭各成員的基因組成，判斷3、4是否為患者。通過(guò)文字、圖片的分析，以圖表的形式梳理歸納。使學(xué)生理解PCR技術(shù)在基因工程中的具體應(yīng)用過(guò)程。訓(xùn)練學(xué)生用比較、分析、綜合等方法對(duì)某些生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行解釋的能力。通過(guò)對(duì)創(chuàng)設(shè)情境的分析，使學(xué)生了解PCR技術(shù)在基因診斷過(guò)程中的如何應(yīng)用。訓(xùn)練學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與觀點(diǎn)，分析、判斷、解釋實(shí)際問(wèn)題的能力。

課上環(huán)節(jié)五：總結(jié)利用板書(shū)總結(jié)所學(xué)內(nèi)容：總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)PCR技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)同。學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方式本節(jié)課容量較大，涉及實(shí)驗(yàn)操作問(wèn)題，主要通過(guò)學(xué)生課上的表現(xiàn)和課后作業(yè)的完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)量規(guī)評(píng)價(jià)結(jié)果主要從回答問(wèn)題的準(zhǔn)確度、學(xué)生的參與情況來(lái)衡量。本教學(xué)設(shè)計(jì)與以往或其他教學(xué)設(shè)計(jì)相比的特點(diǎn)本節(jié)課圍繞PCR技術(shù)展開(kāi)，從PCR結(jié)果的鑒定入手，引導(dǎo)學(xué)生分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，然后通過(guò)資料分析總結(jié)PCR技術(shù)的應(yīng)用，具有探究性的特點(diǎn)，并滲透著科學(xué)的思維方法和研究方法，有助于提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。根據(jù)本節(jié)課的知識(shí)特點(diǎn)和學(xué)生的實(shí)際情況，在教學(xué)中進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.巧用興趣小組完成實(shí)驗(yàn)，活用同屏展示結(jié)果，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。PCR技術(shù)是分子水平上的操作，對(duì)試劑和操作的要求就高，耗時(shí)長(zhǎng)，難度大，難以實(shí)施。在本節(jié)課中，首先，教師指導(dǎo)興趣小組的同學(xué)課下完成取樣、擴(kuò)增和制膠等操作，使學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)主體，變被動(dòng)觀察為主動(dòng)操作，既訓(xùn)練了學(xué)生的動(dòng)手能力，又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣；第二，課下由興趣小組組織學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，避免人多手雜，保障實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行，同時(shí)節(jié)約了課上時(shí)間；第三，課上由學(xué)生介紹凝膠電泳的操作過(guò)程，既加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解和體會(huì)，又培養(yǎng)了學(xué)生的表達(dá)能力；第四，課上完成電泳，使用同屏器實(shí)時(shí)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生直觀的觀察實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，極大的增加學(xué)生參與度，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。2.基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)，領(lǐng)悟研究中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路方法。本節(jié)課在分析PCR的電泳圖譜時(shí)，通過(guò)與實(shí)際情況對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，設(shè)置懸疑，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，然后討論交流分析問(wèn)題尋找原因，提升學(xué)生提出問(wèn)題做出假設(shè)的能力，最后設(shè)個(gè)引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)陰性對(duì)照和陽(yáng)性對(duì)照解決問(wèn)題，使學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移加強(qiáng)學(xué)生對(duì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)的理解和應(yīng)用，提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，整個(gè)分析過(guò)程使學(xué)生通過(guò)實(shí)際情況領(lǐng)悟了科學(xué)家研究中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路方法。3.呈現(xiàn)方式多種多樣，變被動(dòng)接受為主動(dòng)獲取。本課通過(guò)圖片和資料等形式將抽象的描述變得生動(dòng)具體，學(xué)生通過(guò)資料和圖片的分析討論，使獲取知識(shí)變被動(dòng)接受為主動(dòng)獲取，培養(yǎng)了學(xué)生的獲取信息能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)同屏器實(shí)時(shí)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，極大激發(fā)學(xué)生的興趣。4.注重與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，培養(yǎng)邏輯思維能力。本課以轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的培育、亨廷頓舞蹈癥的基因診斷兩個(gè)真實(shí)的研究為背景資料，轉(zhuǎn)換為學(xué)生看得懂、學(xué)得會(huì)的內(nèi)容，利用圖表和文字呈現(xiàn)，