限制性内切酶水解实验中的探究学习

生物化工

Biological Chemical Engineering

Vol.4 No.3Jun. 2018

文章编号：2096-0387 (2018) 03-0110-03

限制性内切酶水解实验中的探究学习

李红民\\李冬民,步怀宇\\徐敏\\余源\\陈富林

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(1.西北大学分子生物学课程组，西北大学陕西省生物技术重点实验室，西北大学西部资源生物与现代生物技术教育部重点

实验室，陕西西安710069;

2.西安交通大学基础医学部，西安交通大学生物化学与分子生物学系，陕西西安710061 )

摘要：以主动学习为特征的探究式教学与学习有利于培养学生自主观察、发现、自主思考、分析、理论联系实际并总结规 律。将探究学习引入限制性内切酶水解实验，通过设置探究情境、启发探究、调动讨论、鼓励文献查阅等环节加深学生对理论知 识的理解和应用，激发学生的学习热情。实践结果显示，围绕实验内容设置多角度探究情境，能够帮助学生多角度学习掌握限制 性内切酶相关知识，增强学以致用的能力，养成自然科学学科修习的良好习惯。

关键词:探究学习；实验教学；限制性内切酶实验;基本技能中图分类号：G632

文献标志码：A

Inquiry-based Learning in the Experiment of Restriction Endonuclease

Li Hong-min1, Li Dong-min2, Bu Huai-yu1, Xu Min1, Yu Yuan1, Chen Fu-lin1

(1. The Molecular Biology Curse Group, the Provincial Key Laboratory of Biotechnology of Shaanxi, the Key Laboratory ofResource Biology and Biotechnology in Western China (Ministry of China), Northwest University, Shaanxi Xi9 an 710069;2.School of Basic Medical Sciences, Department of Biochemistry and Molecular Biology, Xi'an Jiaotong University,

Shaanxi Xi'an 710061)

Abstract： Inquiry—based learning is a form of active access to knowledge that starts by posing questions, problems or scenarios, which stimulates the students' learning enthusiasm to forwardly observe, discover, think, analyze and summarize. This learning form was introduced into the experiment teaching of restriction endonuclease. Under the inquiry questions set by teacher, the students were inspired and encouraged to discover more information about restriction endonuclease, discuss related problems, and consult the literature from internet. The results showed that inquiry-based introduction of restriction endonuclease could help students to analyze the experimental phenomenon and laboratory finding using theoretical knowledge, in which the students' abilities including independent observation, discovery, thinking, analysis and summarization would be imperceptibly developed.

Key words： Inquiry-based learning; Experimental education; Restriction endonuclease degradation; Basic skills

限制性内切酶水解实验是生物学专业本科生必一次简单实验学到更多的知识、培养更多的技能，笔 修的分子生物学实验基本内容之一，是从事生物学研者尝试将探究式教学用于限制性内切酶水解实验，通 究与工作必须掌握的基本技能。为了帮助学生利用过设置情境问题、启发思考、调动讨论、课后思考与

基金项目：国家自然科学基金面上项目（No. 31670975) ; 2014年度陕西本科高等学校“专业综合改革试点”项目；2017年 陕西省高等学校创新创业教育改革试点学院(系)建设项目；陕西省高等教育学会2017年度高等教育科学研究项目（XGH17058 )。

作者简介:李红民（1972—），女，陕西泾阳人，博士，教授，研究方向:基因工程蛋白类材料的研制以及生化与分子生物学教学工作。

第3期李红民等：限制性内切酶水解实验中的探究学习

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拓展阅读等环节,使学生在实验中获得足够多的知识信息。

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研究对象

西北大学生命科学学院2014—2016年生物科

学与生物科学基地班三年级本科生，每个实验班 20 ~ 24人，其中生物科学基地班进行传统讲授教 学、生物科学班进行探究学习。

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教学内容与环节

2.1教学内容

限制性内切酶水解实验是将选定的限制性内切 酶、底物

DNA (质粒DNA )、反应缓冲液等按照比

例构建酶切反应体系，经过适当时间的酶切处理，通 过琼脂糖凝胶电泳检测酶切作用后质粒DNA分子

的变化[1]。

以传统讲授进行授课的生物科学基地班,其授课 内容由限制性内切酶作用机理、限制酶的种类、命名 与应用、酶的保存、移液器基本操作、仪器设备的使 用、酶切体系的构建、实验注意事项以及实验结果观 察与分析组成；以探究教学进行授课的生物科学班， 其授课内容除传统教学内容外，增加围绕限制性内 切酶作用结果分析、酶的选择(基因工程实际应用举 例）、反应缓冲液的选择、限制性内切酶与遗传多态 性分析等问题的情境讨论学习。

2.2教学环节

教学环节由实验前传统讲授、学生进行实验操 作、酶切处理期间进行探究学习以及实验结果观察与 分析4部分组成。

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教学环节的实施

3.1传统讲授

实验开始之前，由教师与学生一起回顾理论课 堂学习的相关知识，加深对限制性内切酶的定义、分 类、命名以及酶作用特点的理解。结合生物化学中酶 学理论知识，强调温度、离子条件、

PH等对限制性内

切酶催化活性和稳定性的影响以及控制这些条件的 方法与途径。例如，离子条件、

PH可以通过自行添

加于反应体系或使用试剂供应商出售限制性内切酶 时提供的反应缓冲液予以控制，而温度则可以使用恒 温水浴或孵箱控制。强调实验注意事项，特别是非特

异性核酸酶污染对实验结果产生的可能影响以及避 免污染的途径。

3.2学生独立实验

限制性内切酶水解实验的操作由微量酶切体系 的构建、适当温度下保温酶切和琼脂糖凝胶电泳检测 观察酶切结果三部分构成。操作过程中，由教师不断 巡视、检查每个同学的基本操作，督促学生反复练习 移液器的使用，熟悉培养箱、水浴锅、电泳槽等仪器 的使用及注意事项。

3.3探究学习

探究学习的关键与核心是设置问题情境,是教师 引导学生探究学习的关键。围绕实验内容，设置难易 适中的问题，以自由讨论的形式开展探究分析。在限 制性内切酶水解实验中，针对实验目的，设置3个主 要问题情境。

(1)关于限制性内切酶作用结果分析。面向本 科生开设的限制性内切酶水解实验，通常采用质粒

DNA样品，其相对分子质量和酶切位点已知。酶切

处理混合物经琼脂糖凝胶电泳检测，可以发现DNA 样品被酶水解后，产生了一些大小不等的片段，这就 是酶切结果[2]。这样的酶切结果能够提供给实验者 的信息是什么（作用结果分析）？围绕该问题情境， 组织同学分组讨论，被探究的相关问题如下:①根据 电泳结果，质粒DNA分子被单酶切水解产生了一个 大小与质粒DNA —样的片段，说明质粒DNA中有几 个该酶的切割位点？②如果产生2个大小不同、但2 个片段的大小之和等于质粒DNA分子大小，说明质 粒

DNA分子中存在几个该酶的切割位点？③如果产 生了 1个片段，但其大小仅有质粒DNA分子大小的 一半，说明质粒DNA分子大小存在几个该酶切割位

点、切割位点之间的距离如何?④如果被作用的底物

DNA分子是线状的，被单酶切、双酶切处理后，又会

产生什么样的电泳结果?⑤同一种或者两种以上的酶 作用于不同DNA样品，产生了相同的电泳图谱，从这 样的水解结果又可以得到什么样的信息?⑥对于已知

的共价闭合双链质粒

DNA分子，若其中仅有一个限 制性内切酶A的作用位点，被酶A作用后，产生几个

片段?⑦当一种限制性内切酶作用于哺乳动物基因组

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生物化工2018 年

时，会产生怎样的结果？⑧当双螺旋链状态的

DNA变性为单

用的能力；围绕酶的选择、缓冲液的选择的情境问题 讨论，可以更好地帮助学生理解酶作为生物催化剂 的高效性和作用条件对酶活性的影响，了解限制性 内切酶的发现对于离体条件下进行基因操作的重要 性，引导学生较好地学习进行基因功能研究、外源基

DNA分子，是否还能被原本可作用的限制

性内切酶切割?⑨反应体系中酶的用量是不是越多越 好?讨论过程中，适时建议学生通过简单作图示意可 能的酶切结果，并对结果进行分析，获得相应的信息。

(2)

关于酶的选择（基因工程实际应用）。限 因表达载体构建时选择可操作的限制性内切酶的一

制性内切酶发现以来，最主要的用途是在基因研究中 对

DNA分子进行人为的遗传操作，实现目的片段的

克隆化、保存及充足的用于基因功能、外源表达等研 究的材料。为实现基因操作的目的，如何选择添加在

DNA片段上下游的酶切位点？围绕该问题情境，组织

同学分组讨论，在教师的启发下，被探究的相关问题 如下:①为什么要加酶切位点？②选择酶切位点时， 要不要考虑载体中存在的酶切位点、选择什么样的酶 切位点、选择的酶切位点是否会影响载体在宿主细胞 中的复制、稳定性以及外源基因的表达效率?③选择 酶切位点时，是否需要考虑被操作基因片段中存在的 酶切位点，选择的标准是什么？④当把基因片段从克 隆载体亚克隆到一个表达载体中时，是否可以直接通 过酶切和连接重组实现,是否会有不妥，解决的方法 有哪些？

(3)

关于反应缓冲液的选择。限制性内切酶与 其他蛋白质性质的酶一样，其催化活性需要合适的 温度、离子条件、

pH等环境条件以发挥最大催化活

性[3]。启发同学讨论:当在同一反应体系中进行双酶 切（基因工程常规操作）乃至三酶切时，上述条件怎 样同时满足不同酶的最适作用条件、而温度条件又怎 样满足？

探究学习结束时，通过即时考查巩固学习效果， 鼓励有兴趣的学生积极开展课后拓展阅读，鼓励学生 根据探究学习的收获自主分析实验结果。

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探究学习的实践效果

探究式教学实践已在限制性内切酶水解实验中

连续开展了 3年，围绕酶切作用结果分析的情境问 题讨论，可以很好地引导学生利用理论知识分析各 种不同的酶切作用结果，并对实验并未涉及的酶切 处理结果进行分析，明晰实验结果、结果分析和结论 的区别，无形中提高学生独立分析实验结果、学以致

般原则、方法和技巧[4]。结合即时在线文献查阅和 课后扩展阅读，使学生在实验中验证理论知识的同 时拓展知识面，完全超越“进实验室、按步骤操作、 看个实验结果、写个实验报告”的学习状态，切实提 高独立操作、独立观察、独立思考、独立分析等实际 能力。3年的实践教学显示，进行探究式教学的生 物科学班学生中，能够比较熟练地解答考查问题和 正确判读实验结果的学生比例大幅度升高，明显髙 于接受传统讲授的生物科学基地班(基地班的平均 高考入学成绩高于生物科学班），而难以正确判读实 验结果和难以解答问题的学生人数明显降低，这与 其他学者的观察结果一致。

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结语

探究学习在限制性内切酶水解实验中的教学实

践表明，探究学习中的启发、思考、讨论等训练，能够

开拓学生思路，显著提高多数学生的思维活跃度，

将理论知识与实验现象、实验结果、问题解析等相联 系，实现学以致用，切实提高本科生的科学素养和培 养质量。参考文献

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(EBL) on Student Midwife Praxis[J]. Midwifery,2018, 58: 83 - 85[2] Yoon H, Joung YJ, Kim M. The Challenges of Science Inquiry Teaching

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