从DNA复制之争浅谈教师专业化发展

贵州

从2017年开始，“PCR技术”被列入《普通高等学校招生全国统一考试大纲》（以下简称《考试大纲》）内，隶属基因工程的相关考点。PCR的基本原理是DNA双链复制，其反应条件与DNA复制相似。笔者在教研活动中发现，关于DNA复制和PCR的条件存在诸多争议，主要体现在原料、能量和酶等方面。这些争议反映出不同教师的认知存在不同程度的偏差，这种偏差在中学生物教学中普遍存在，本文通过文献检索的方法对相关问题做初步辨析。

1.关于PCR几个常见的争议性问题

1.1 原料之辩

有部分教师认为，PCR与DNA复制一样，都是以四种游离的脱氧核苷酸为原料进行的，也有人认为PCR与DNA复制不一样，PCR以脱氧核苷三磷酸为原料，而DNA复制以脱氧核苷酸为原料。究其原因，是由于高中生物教材中的相关叙述有一定的迷惑性。

1.1.1 高中生物必修教材的高度统一性

笔者查阅了几个当前使用较多的版本的高中生物教材，发现在不同版本的高中生物必修教材中均把DNA复制的原料概括为四种游离的脱氧核苷酸，在这一点上不同版本的教材体现出高度的统一性。详见表1：

表1

1.1.2 高中生物选修教材等与必修教材的一些差异

尽管高中生物必修教材对DNA复制的原料有高度一致的阐述，但在选修教材、必修教材以及教师用书中对DNA复制和PCR原料的描述却存在差异。人教版选修3教材认为PCR的原料为脱氧核苷三磷酸，北师大版必修2教材却明确表述PCR利用四种游离的脱氧核苷酸为原料合成DNA，而人教社的教师用书又与教材持相反的观点。详见表2：

表2

从以上资料可以看出，对于PCR的反应原料是否与DNA复制一致，高中教材的叙述存在一定差异。为了明确解决这一问题，笔者查阅了多个版本的高等教育生物教材。

1.1.3 高等教育生物教材的“别开生面”

高等教育生物教材对DNA复制原料的叙述与高中生物教材存在明显差异，多个版本的《遗传学》《生物化学》和《分子生物学》都认为DNA复制的原料是脱氧核苷三磷酸，PCR的反应原料也是脱氧核苷三磷酸。

综上所述，可以初步认定DNA复制和PCR的原料都应该是脱氧核苷三磷酸，但涉及的知识面较广，内容具有很大的难度。所以高中教材将其简化为“脱氧核苷酸”，虽然与客观事实有差异，但并非“无的放矢”，而是为降低高中生物教学内容的客观难度。但美中不足的是人教版选修3中PCR的原料又以dNTP的形式出现，并且在教材和教师用书中的叙述存在差异，这给教师的教学带来极大的困难，也容易出现一些伪论而误导学生。

1.2 能量之辩

高中生物教学中另一个争论的热点是关于“能量”。高中生物教材指出“ATP是生物体的直接能源物质”，因此有人理解为“生物体的直接能源物质是ATP”。这种理解在逻辑上是有错误的，这里的“A是B”的直接含义是“A包含于B”，而上述观点则理解为“B全等于A”。在这一观点的误导之下，很多人将高中教材关于DNA复制的条件“模板、原料、能量和酶”中的“能量”直接等同于“ATP”。而前文已经讨论过DNA复制的原料是dNTP，可以为DNA合成过程供能。那么，DNA复制到底需不需要ATP？DNA复制只需要ATP吗？PCR扩增过程需要加热，那么PCR中DNA的合成是利用热能，还是利用某些能源物质呢？笔者带着一系列疑问继续进行文献检索。

高中生物教材中关于DNA复制条件中的能量，并没有详尽的叙述，仅以“能量”一词一带而过，而对于PCR的条件中并没有直接提到能量。这样含混不清的表述，使教学内容看似更加简洁明了，减轻了学生的学习负担，实则增大了教师的教学困难。

这些问题在高等生物学教材中可以得到明确的答案，DNA复制包括起始——延伸——终止几个阶段，其中起始阶段和DNA解旋等过程需要ATP供能，但DNA合成（磷酸二酯键的聚合）过程中需要的能量由dNTP和形成的焦磷酸水解提供。而PCR的解旋由热变性替代，引物等条件成熟，作为原料的dNTP同时能满足DNA合成时的能量需要。综上所述，DNA复制需要ATP提供能量，但并不是所有能量都直接来自ATP，教材为了降低难度又不违背事实，把DNA复制的条件写成“能量”。而PCR的原料dNTP同时也作为能源物质，所以不涉及其他能源物质。这样的处理是较为合理的，教师在课堂上不需要过度解读，但对于问题的本质是有必要弄清楚的。

1.3 酶之辩

对于DNA复制和PCR容易出现的第三个争论点是两过程中相关的酶。因为高中生物教材对DNA复制的条件概括为“模板、原料、能量和酶”，而明确指出的酶只有DNA解旋酶和DNA聚合酶，所以有人认为DNA复制只需要解旋酶和DNA聚合酶，不需要DNA连接酶等其他酶。在PCR反应中只提及Taq酶（一种耐热的DNA聚合酶），那么PCR反应中需要DNA解旋酶吗？

解释上述疑问，高中生物教材自然是无法满足的，或者说正是因为高中生物教材的叙述不够详细，才产生这些争议。实际上DNA复制过程涉及多种酶，除了DNA解旋酶和DNA聚合酶外，还需要DNA连接酶、拓扑异构酶等多种酶，并且仅大肠杆菌的DNA复制过程就有五种DNA聚合酶参与，哺乳动物细胞中提取的DNA聚合酶更是多达十五种。PCR反应原理虽然与DNA复制相同，但也有其特殊的地方：DNA体外扩增过程中在起始的解旋阶段并不需要解旋酶，也不需要ATP供能，而是由加热直接破坏氢键来完成，并且此过程不像DNA复制一样出现冈崎片段，所以也不需要DNA连接酶。

综上所述，DNA复制不仅仅需要DNA解旋酶和DNA聚合酶，也需要DNA连接酶等其他酶，只是DNA解旋酶和DNA聚合酶是最基础、最主要的酶，也是高中阶段必须掌握的基本知识点。而PCR因与DNA复制存在一定区别，只需要Taq酶。同样，在高中教学中教师是不需要过度补充这些知识的，这些内容教材中之所以不提及就是为了降低难度，也是考虑高中生学习容量的问题。但作为教师一定要明白“……在DNA聚合酶等的作用下……”中“等”字的具体含义。换而言之，教材可以一带而过，学生也可以“一知半解”，教师却不能犯迷糊，需要理清问题的来龙去脉，这样在教学中才不至于心有余而力不足。

2.争辩对教师成长的启示

笔者通过文献检索发现对于DNA复制和PCR中的原料、能量、酶等条件的叙述，高等教育教材和高中教材存在高度差异，但同一学段的教材除了极少数差异之外又基本一致。总体表现为高中教材中的叙述相对模糊、笼统，高等教育教材的叙述更为翔实、精确。这一差异与不同学段学生的学习能力和学业需求的差异有直接关系，高中生的学习主要在于对基础知识和基本事实的认知，而对于高等教育阶段的学生需要更精细、准确的科学事实来促进个人的专业发展。基于这一特点，为了避免增加学生的学业负担，高中教师在教学时不需要过度展开和深入，但就教师本身而言，这样具有争议的问题应该要追本溯源，从根本上提高自己的专业知识和专业技能。以便在教学中既能做到不增加过多课外（超纲）知识，又能尊重科学事实。

2.1 教师专业化发展的两大要素

教师的知识对于新时代教育来说，可能是陈旧过时的，也可能是有严重缺陷的，因此作为教师必须要有终身学习的观念。另外，教师在教学过程中可能经常发现与自己认知中不一样的知识，这就需要教师具有思辨能力和学习能力，既不能一味以“书上说的”为准，也不能凭经验处理，更不应该放任不管。知识是在更新的，这就需要教师不断地更新知识体系，提高学科专业能力。

近年来社会一直要求教师要加强自身的专业化发展，但不论是政策性的要求还是实践中的学习，普遍是以“教育理论”“教育法规”和“教学技能”等形式进行的，严重缺少对学科专业知识和技能的学习和指导。教师专业化发展，首先要专业，然后才谈发展，如果专业知识都不扎实，专业化发展就无从说起，所以教师的学科专业知识的学习也应该是终身的。

教师专业化发展应该是一个以学科专业成长为基础，逐步提高教育技能的过程。学科专业知识是教师专业化发展的根本，专业型的教师不能只是会高谈教育理论，而应该是能够利用娴熟的教育技能将自己的学科专业知识显示出来。通俗地说，就像“茶壶煮饺子”，学科专业知识就是“饺子”，而教育教学技能就是把“饺子”倒出来的能力，二者均不可或缺。

2.2 生物教师的学科专业成长

生物学每年在学科领域的新发现、新进展都需要教师关注和学习，否则就会发现很多知识与自己想象中的不一样，知识体系会落伍。

所以生物教师的学科专业成长必须做好两件事：一是要不断拓展学习专业领域的各分支学科及相关交叉学科，使自己的专业知识既有广度也有深度；二是要不断积累新兴科技素材，让自己的知识体系与科技前沿有所联系，不至于一个人在死胡同里闭门造车。简而言之，就是要多读书，读学科领域内的各类书籍，也要读科技论文。

作为中学生物教师，阅读和学习的核心还是在于指导自己的教学工作，使自己的工作能得心应手，所以专业学习应该是有目标、有计划地围绕中学生物教学开展的，而不是上升到整个庞大的生物学领域。