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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：B
1 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，“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：
①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。
②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。
③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。
④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④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：①将本节课各情境中PCR的基本原理用图示表示出来;②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法。本节课的教学设计以学生为主题，教师作为情境的创设者，以“引路人”的角色带领学生积极参与动脑的探究活动，充分发挥学生小组合作学习，在真实情境中解决问题。本节课的四个情境既涵盖生物学基础科研，还包括医疗卫生等社会实践，带领学生体会生物学原理与方法在生活实际中的应用，引导学生形成利用不断革新的生物技术探索科学未知、造福人类生活，落实社会责任。
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：B
1 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，“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：
①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。
②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。
③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。
④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④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：①将本节课各情境中PCR的基本原理用图示表示出来;②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法。本节课的教学设计以学生为主题，教师作为情境的创设者，以“引路人”的角色带领学生积极参与动脑的探究活动，充分发挥学生小组合作学习，在真实情境中解决问题。本节课的四个情境既涵盖生物学基础科研，还包括医疗卫生等社会实践，带领学生体会生物学原理与方法在生活实际中的应用，引导学生形成利用不断革新的生物技术探索科学未知、造福人类生活，落实社会责任。