《DNA 片段的扩增及电泳鉴定》新授课教学设计

一、学习目标

1.阐明 PCR 技术的核心原理，说出 PCR 循环中 “变性、复性、延伸” 的温度条件及具体作用；

2.解释琼脂糖凝胶电泳的分离原理，能根据电泳结果，判断 DNA 片段是否成功扩增及片段大小，分析扩增失败或条带异常的原因。

3.通过亲手操作 PCR 与电泳实验，体验 “体外分子操作” 的严谨性，培养科学探究素养（控制变量、规范操作、结果分析）；

4.结合 DNA 指纹技术在刑事案件、亲子鉴定中的应用，认同生物技术对解决实际问题的价值，提升社会责任素养。

二、学情分析

高二学生已具备以下知识与能力基础，但存在明显认知缺口，需针对性设计教学：

1.已学习 DNA 的结构、DNA 复制的过程，但对 “体外模拟 DNA 复制”的原理和操作无认知；已知 “生物大分子带电”，但不了解 “电泳如何通过分子差异实现分离”。

2.具备基础实验操作能力，但缺乏 “微量操作”和 “实验结果分析”的经验。

3.易混淆 “PCR 循环中温度变化的目的”、“电泳中 DNA 的迁移方向与分子大小的关系”；对实验操作的规范性）重视不足，可能影响实验结果。

三、学习重点和难点

1.学习重点：

PCR 技术的原理；

琼脂糖凝胶电泳的原理；

PCR 与电泳的关键操作步骤；

2.学习难点：

PCR 循环中温度调控的目的；

电泳结果的分析；

实验操作的规范性；

四、教学过程

（一）情境导入：问题驱动，激发兴趣

1. 情境呈现：播放 “加纳移民孩子身份争议” 案例视频（或展示文字材料）：海关质疑孩子护照涂改，血型鉴定仅能证明亲属关系，无法区分 “儿子” 与 “侄子”；展示 DNA 指纹技术的鉴定结果图（文档中 “受害者与怀疑对象的 DNA 条带对比图”）。
2. 问题链设计：

思考 1：为什么 DNA 能像指纹一样区分个体？（引导学生回忆 “DNA 序列的特异性”）；

思考 2：要获得足够量的 DNA 用于指纹分析，需要什么技术？（引出 PCR 技术）；

思考 3：如何判断扩增出的 DNA 片段是否符合预期？（引出电泳鉴定技术）。

1. 过渡：今天我们通过实验，亲手体验 “DNA 片段的扩增（PCR）” 与 “扩增结果的鉴定（电泳）”，解开 DNA 指纹技术的奥秘。

（二）新知讲授：原理解析，奠定基础

1. PCR 技术：体外扩增 DNA

原理拆解：教师结合动画演示 “PCR 循环过程”，重点讲解三步反应：

强调：一次 PCR 经历 30 次循环，DNA 片段呈指数级扩增（2³⁰倍），满足后续实验需求。

材料与操作：

展示 PCR 反应体系配方（文档中 “10 倍浓缩缓冲液、dNTP、引物、Taq 酶、模板 DNA”），提问：“为什么需要 Mg²+？为什么用 Taq 酶而不是普通 DNA 聚合酶？”（引导学生回答：Mg²+ 是酶的辅酶，Taq 酶耐高温适应 PCR 高温环境）；

演示 “移液操作”：强调 “每吸一种试剂换一次枪头”“离心使反应液集中管底”，避免污染和试剂浪费。

2. 琼脂糖凝胶电泳：分离鉴定 DNA

原理拆解：教师展示琼脂糖凝胶的微观结构（文档中 “凝胶孔隙图”），结合示意图讲解：

带电性：pH=8 时，DNA 带负电，在电场中向正极迁移；

分离依据：凝胶孔隙大小固定，小分子 DNA 迁移快（离加样孔远），大分子 DNA 迁移慢（离加样孔近），迁移速率与片段大小的对数值成反比；

检测：核酸染料（EB）与 DNA 结合，在紫外灯下呈现橘黄色条带；DNA Marker（已知大小的标准片段）用于对比判断未知片段大小。

材料与操作：展示电泳装置（电泳槽、梳子、模具），说明 “制胶时插入梳子形成加样孔”“电泳缓冲液没过凝胶 1mm” 的原因（保证电场均匀，避免凝胶干裂）。

（三）实验操作：演示 + 分组，动手实践

1. 教师演示关键步骤

PCR 反应体系配制：

1.戴手套，取微量离心管，按配方依次加入缓冲液、dNTP、引物、模板 DNA、无菌水，最后加 Taq 酶（酶易失活，最后添加并置于冰上）；

2.盖紧管盖，放入离心机离心 10s，将反应液集中管底；

3.将离心管放入 PCR 仪，设置循环程序（预变性 94℃5min→30 次循环→最后延伸 72℃10min）。

电泳制胶与加样：

1.配制 1% 琼脂糖溶液（电泳缓冲液溶解，加热熔化后加核酸染料）；

2.将溶液倒入模具，插入梳子，待凝胶凝固后拔出梳子，放入电泳槽（加样孔朝向负极）；

3.取 PCR 产物与载样缓冲液（含溴酚蓝指示剂）混合，用移液器缓慢注入加样孔，留 1 个孔加 DNA Marker。

2. 学生分组操作

分组任务：每组选派 1 名学生上台，在教师指导下完成 “微量移液”（配制简化版反应体系）或 “电泳加样” 操作，其余学生在座位观察并记录操作要点；

教师指导重点：

移液时：提醒 “枪头垂直伸入液面，缓慢吸液，避免产生气泡”；

加样时：强调 “移液器枪头贴近加样孔壁，缓慢推出液体，避免液体溢出污染相邻孔”；

安全提示：EB 为致癌物质，需戴手套操作；紫外灯观察时需戴防护眼镜，避免灼伤眼睛。

（四）结果分析与应用拓展

1. 模拟结果分析（因实际 PCR 与电泳耗时较长，采用教师提前做好的实验结果图）

展示电泳结果图（含 Marker、成功扩增组、失败组、多条带组），提问：

问题 1：“哪组是成功扩增的结果？判断依据是什么？”（提示：与 Marker 对比，出现单一、清晰的条带，且位置符合预期片段大小）；

问题 2：“某组无条带，可能的原因是什么？”（引导学生分析：漏加 Taq 酶、引物设计不合理、PCR 程序温度错误）；

问题 3：“某组出现多条带，可能的原因是什么？”（提示：复性温度过低，引物与非目的序列结合；模板 DNA 污染）。

学生分组讨论后派代表发言，教师总结 “结果分析逻辑链”：条带有无→条带数量→条带位置→结合实验操作 / 原理→判断原因。

2. 技术应用拓展

展示文档中 “DNA 指纹技术的应用场景”（刑事案件、亲子鉴定、空难残骸鉴定），播放短视频 “亲子鉴定的实际流程”；

提问：“除了 DNA 指纹技术，PCR 与电泳还能用于哪些领域？”（引导学生联系医学检测、疫情核酸检测、转基因作物鉴定等），强化 “生物技术服务生活” 的认知。

五、板书设计

DNA 片段的扩增及电泳鉴定

1.PCR 技术 —— 体外扩增 DNA

2.琼脂糖凝胶电泳 —— 分离鉴定 DNA

3.应用：DNA 指纹技术（亲子鉴定、刑事案件）