指向科学思维培养的PCR相关例题浅析
摘要：本文以人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》第3章“基因工程”中基础PCR技术相关例题为例，浅析如何在习题中启发学生画图归纳，激发批判性思维，巧设问题活跃创造性思维，促进学生生物学科核心素养中科学思维的培养。
关键词：基因工程；PCR;科学思维
文章编号：1003-7586（2024）04-0067-04中图分类号：G633.91文献标识码：B
随着DNA双螺旋结构模型在20世纪50年代问世，生物学的新宠儿——分子生物学诞生，世界各地的科研人员仅在20年后便催生了一项改变人类社会生活的，崭新的生物技术工程——基因工程。基因工程自诞生以来，发展势头迅猛，不管是在农牧业生产还是医药卫生方面，都极大地改善着人们的生产生活。基因工程是人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》（以下简称“教材”）第3章的内容，学生因其微观抽象、远离生活、衍生技术频出而感到困难。伴随着新课程标准的推行，各地新高考方案的落地，越来越多的一线教师想尽办法改变传统教学模式，不断地优化课堂教学设计，更加关注学生的学科核心素养的养成。笔者就基因工程中基础的PCR技术相关例题，浅析如何在习题中启发学生画图归纳，适当延展知识激发批判性思维，巧设问题活跃创造性思维，促进学生生物学科核心素养中科学思维的培养。
1构建图像模型，解决特殊引物扩增问题
例1用PCR技术将DNA分子中的A1片段进行扩增，设计了引物工、Ⅱ，其连接部位如图所示，X为某限制酶识别序列。扩增后得到的绝大部分DNA片段是图中的（）。
对于PCR产物分析类题目，学生很难在短时间内完成特殊引物扩增多轮的产物分析。笔者认为解决这类问题的方法之一是启发学生画图，用简单的图像模型来模拟PCR反应，并从中寻找答案。
教师可在课堂展示PCR第一轮、第二轮的扩增过程，用红色粉笔描红添加在引物Ⅱ5＇端的限制酶识别序列，之后引导学生画出第三轮的扩增产物，并对该轮产物进行分析（见图1）。第三轮扩增产生的8个DNA分子中，有4个DNA分子带有限制酶的识别序列，有11条DNA单链带有片段X。以此类推，随着扩增次数的增加，扩增后得到的绝大部分DNA片段是图中的D项。
教师可继续提问：在引物末端添加限制酶识别序列的目的是什么？学生在课堂学习PCR技术扩增目的条带后，进行操作设想的时候会产生疑惑，经PCR扩增获得的目的基因，要和质粒载体进行拼接，目的基因两端并没有限制酶的识别序列，没有办法与被酶切后的载体相连。这道题目实际上在解答学生的疑惑。
关于巧设引物编出的新题在近几年的模考中频繁出现。“基因定点诱变技术”是实现第二代基因工程——蛋白质工程的方法之一，在教材第94页“学科交叉”部分有所提及，而基因定点诱变技术的核心就在于引物的设计。
例2通过设计引物，运用PCR技术可实现目的基因的定点诱变。如图为基因工程中获取突变基因的过程，其中引物工序列中含有一个碱基T不能与目的基因片段配对，但不影响引物与模板链的整体配对，反应体系中引物Ⅰ和引物Ⅱ的5＇端分别设计增加限制酶a和限制酶b的识别位点。有关叙述正确的是（）。
A．在PCR反应体系中还需要加入4种游离核苷酸、解旋酶、Taq酶等
B．第二轮PCR，引物Ⅰ能与图中②结合并且形成两条链等长的突变基因
C．引物中设计两种限制酶识别位点有利于目的基因定向插入运载体
D．第三轮PCR结束后，含突变碱基对且两条链等长的DNA占1/2
笔者针对D选项中的三轮扩增产物结果进行分析，采用画图方式解决。教师在黑板上展示第一轮扩增后的产物，并启发学生沿着思路画出第二轮的扩增产物。在确认第二轮4个DNA分子的准确性后，教师启发学生思考：第二轮产物中哪些DNA单
链作模板，在第三轮中才能扩增出等长的DNA分子？
学生会找到第二轮扩增产物中最长的两条DNA单链并用★标注（见图2），紧接着教师请学生画出分别以这两条单链为模板的第三轮产物。很显然，结果是这两个DNA分子都符合D项中的含突变碱基对且两条链等长，占第三轮DNA产物总量的1/4。
2延展胶回收知识，激发学生批判性思维
例3在基因工程中利用下图中的某目的基因和P1噬菌体载体构建章组DNA。限制性内切核酸酶BglⅡ、EcoRⅠ和Sau3AⅠ的酶切位点分别如图所示。下列分析错误的是（）。
A．构建重组DNA时，可用BglⅡ和Sau3AⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌体载体
B．构建重组DNA时，可用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌体载体
C．图乙中的P1噬菌体载体只用EcoRⅠ切割后，含有2个游离的磷酸基团
D．用EcoRI切割目的基因所在片段和P1噬菌体栽体，再用DNA连接酶连接，只能产生一种重组DNA
B选项是易错选项，从学生的