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本刊2026年第1期刊发的《基于问题驱动的实验教学探索——以“DNA 片段的扩增及电泳鉴定”为例》一文，以复性温度这一影响因素为例，引导学生进行实验探究，完成“DNA片段的扩增及电泳鉴定”这一实验教学内容，同时落实生物学学科核心素养。本期荐读。
基于问题驱动的实验教学探索
——以“DNA 片段的扩增及电泳鉴定”为例
王鑫 汪红兵 高明
（湖北省武汉市华中师范大学第一附属中学）
摘要
以“PCR扩增出现非特异性条带的可能原因”这一问题导入，引导学生分析各种可能的影响因素。以复性温度这一影响因素为例，引导学生进行实验探究，完成“DNA片段的扩增及电泳鉴定”这一实验教学内容，同时落实生物学学科核心素养。在探究过程中借助科研软件与引物教具，帮助学生更直观地认识引物与PCR条件之间的关系。
关键词
实验教学 问题驱动 假说演绎
《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）实施建议中指出当下的生物学教学需要高度关注学科核心素养的达成。实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一。《课程标准》建议教师要组织好各种观察、实验等探究性学习活动。实验教学是促成学生达成生物学学科核心素养的重要支撑。与此同时，组织以探究为特点的主动学习又是落实生物学学科核心素养的关键。问题驱动是一种以问题为核心的教学方法，在实验教学中，学生的学习是在教师的问题引导下进行的，教师的教和学生的学都集中在问题上。
实验内容分析
“DNA片段的扩增及电泳鉴定”实验选自人教版教材高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》的第3章“基因工程”部分。《课程标准》指出，为协助学生达成对选择性必修课程核心概念5“基因工程赋予生物新的遗传特性”的理解，促使学生生物学学科核心素养的提升，应开展下列教学活动：1）DNA的提取和鉴定；2）利用聚合酶链式反应（PCR）扩增DNA片段并完成电泳鉴定，或使用软件实行虚拟PCR实验。教材在结果分析与评价部分给出了相关思考题：电泳鉴定的结果是几个条带？如果有多个条带，请分析产生这个结果的可能原因。本节课以电泳鉴定结果出现多个条带的实例导入，引导学生积极主动地思考其中的可能原因。最后以复性温度这一影响因素为例进行具体的实验探究活动，教学过程中以问题作为驱动，更好地激发了学生的探索能力，也使整个实验过程更加高效。
实验教学目标
1）生命观念。让学生认识到PCR过程是一个需要消耗能量和原料的物质合成过程，理解生物大分子的合成与细胞内的代谢活动相同，都伴随着物质与能量的变化；能够解释DNA分子能在电场中移动的根本原因；通过学习DNA结构与PCR条件之间的关系加强结构与功能观；通过对比人和酵母DNAPCR结果的差异加强进化与适应观。
2）科学思维。通过分析非特异性条带出现的原因，以及人和酵母DNAPCR结果的差异培养学生的分析与综合思维及批判性思维。
3）科学探究。学生能够掌握微量移液器的正确使用方法，提高实验操作技能；通过自主设计实验并按照规范的实验步骤完成实验，提高自主探究能力。
4）社会责任。学生能够举例说明PCR扩增和电泳鉴定技术在疾病诊断、生物多样性研究等领域的关键作用，认识到现代生物技术对社会发展的巨大推动力；感受科学实验的艰辛以及成功的乐趣，养成严谨认真、不畏困难、勇于探索的科学态度。
实验教学创新要点
1）问题驱动。在教学过程中，发现问题，激发学生的思考和探索能力，引导他们积极主动地参与学习。
2）使用软件或工具。借助引物设计软件SnapGene，帮助学生更直观地认识引物与PCR条件之间的关系。借助DeepSeek生成的虚拟实验平台，帮助学生更加快速地感受PCR扩增的条件对扩增结果的影响。
3）优化实验过程。将教材中0.2mL的微量离心管替换为8连管，使PCR加样过程更便捷，同时效率更高。
实验教学过程
4.1 发现问题，创设情境
教师提供视频资料：环境DNA技术是指通过采集水体、土壤等环境介质中的游离DNA片段，结合PCR扩增与测序技术实现生物监测的创新方法。
某实验兴趣小组学生提取了来自7处不同水域的环境DNA，同时针对江豚某段已知大小的DNA序列设计了特异性引物，进行PCR检测，结果如图1所示。电泳结果中出现了目标条带以及很多非特异性条带（图1所示条带“拖尾”现象），学生对此产生困惑。如何对长江江豚的现状进行更准确的分析？
教师展示图2，提出问题：试结合PCR扩增和电泳鉴定的过程，思考该实验兴趣小组学生的检测结果中出现非特异性条带（条带“拖尾”现象）的原因。
学生以小组为单位结合所学知识以及PCR扩增和电泳鉴定的过程对图1中出现非特异性条带的可能原因进行分析。学生提出各种猜测，在教师的引导下，以复性温度这一影响因素为例开展具体探究活动。
4.2 问题分析
教师通过SnapGene软件展示酵母菌某目的基因序列，学生以小组为单位，在该序列的不同位置设置不同长度的引物。教师引导学生观察对比软件上显示的各引物的理论复性温度数据。分析得出PCR扩增时的理论复性温度和引物长度与引物中的GC含量均正相关的特点。
4.3 作出假设
基于上述发现，教师再引导学生结合DNA的结构特点（图3）进行分析，引物长度与GC碱基对的含量都会直接影响形成氢键的数量。逐步引导学生提出假设：引物与模板链之间形成的氢键数目越多，理论复性温度就越高。反之，引物与模板链之间形成的氢键数目越少，理论复性温度就越低。
4.4 演绎推理
教师引导学生结合所学的生物学和化学知识进行演绎推理。基于上述假设，当实际复性温度低于该引物的理论复性温度时，引物中只有部分碱基序列与模板链形成氢键，因此容易出现错配现象，进而出现大量非特异扩增，形成多个条带；当实际复性温度高于该引物的理论复性温度时，引物中所有碱基序列均与模板链形成氢键，过多的热量会使引物再次与模板链分离，进而无法顺利扩增，得不到任何条带。
4.5 实验验证
任务1：设计实验。
教师布置任务：现有上游引物F和下游引物R，引物长度均为40bp，二者的理论复性温度均为60℃左右。请尝试设计相关探究实验验证上述推理结果。
学生在学案上自主补充完善实验设计的表格。接着，教师在电脑上展示典型实验设计类型（如3个小组所加的引物、酶、缓冲液及模板相同，复性温度分别设为80、60、20℃），引导学生分析其中的不足之处。最终学生总结得出该实验设计还需要在每个温度下设置空白对照组（即不加模板的组）以及需要遵循平行重复原则（即每个温度至少平行重复3组）。
任务2：实施实验。
教师播放提前录制好的PCR扩增以及电泳鉴定的操作视频，接着让学生以小组为单位现场尝试PCR加样操作。此外，教师将课前扩增好的产物直接分发给各小组，让学生在完成PCR加样后，直接进行琼脂糖凝胶电泳的点样步骤。
任务3：结果分析。
1）证实假说的合理性。教师展示事先准备好的2幅结果图以及对应引物信息，如图4所示，提出问题：图4实验结果说明了什么？
学生结合图片以及对应引物信息分析得出，复性温度过高可能会使引物难以结合导致扩增出的条带较弱，复性温度过低可能会使引物错误结合导致出现非特异性扩增。最后，教师提问：图4-b中条带变弱是否为温度过高引起的？还有哪些可能的原因？学生思考后得出还可能是一开始加样的模板量差异所致。
教师引导学生回到本节课最开始的情境问题，检测结果中出现非特异性条带（条带“拖尾”现象）的可能原因之一是PCR扩增时复性温度过低。
2）提出新问题。教师展示人的cDNAPCR结果（图5）并提供资料：DNA序列可按照其在基因组中出现的次数分为单一序列和重复序列。重复序列是指基因组中重复出现的DNA序列，在人基因组中占比至少为50%。提出问题：为什么降低复性温度，酵母基因组PCR不容易产生非特异性扩增条带（或产生的非特异性扩增条带较少），而人的cDNA的PCR却很容易产生非特异扩增条带（或产生的非特异性扩增条带较多）？
学生结合资料分析其中的原因，最后得出人的DNA序列中重复序列远多于酵母菌。接着，教师进一步追问：从进化的角度分析，这一差别有何意义？在教师的引导下学生分析得出这些重复序列有助于丰富基因组的多样性，促进生物的进化和适应。
课堂的最后，教师带领各小组用紫外照胶仪依次查看课上完成的琼脂糖凝胶电泳结果。
4.6 课后任务
学生课后借助教师提供的虚拟实验平台（借助DeepSeek写代码生成的网页，如图6所示），进一步验证复性温度对PCR扩增结果的影响。此外，学生也可以通过调整其余参数，验证PCR扩增出现非特异性条带的其他可能原因。
教学反思
在科学探究中，问题不仅是起点，更是贯穿始终的核心驱动力。在教学过程中以问题作为驱动，更好地激发了学生的探索能力，对学生的科学思维和科学探究能力起到了极大的促进作用。此外，在本节课中，笔者将假说演绎法这一科学思维与科学探究过程进行了有效结合。假说演绎法是科学探究过程的底层逻辑，而科学探究过程则是假说演绎法的教学载体。由于本节实验教学内容“DNA片段的扩增及电泳鉴定”相对微观，笔者借助科研软件SnapGene与虚拟实验平台，帮助学生在更短的时间内对引物与PCR条件以及PCR扩增结果之间的关系形成更加直观的认识。
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