“重組DNA分子的模擬制作”中紙質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

譚雪青

摘 要 敘述了借助紙質(zhì)材料制作成的物理模型能有效輔助學(xué)生理解抽象的高中知識(shí)，以高中生物選修3中“重組DNA分子的模擬制作”為例，說(shuō)明如何開(kāi)發(fā)與應(yīng)用紙質(zhì)模型，有效突出教學(xué)重點(diǎn)與突破教學(xué)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 重組DNA分子 紙質(zhì)模型 生物模型

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

模型方法作為一種現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識(shí)手段和思維方式，在高中生物教學(xué)中有廣泛應(yīng)用價(jià)值和意義。高中生物模型主要分為物理模型、概念模型及數(shù)學(xué)模型三類。紙質(zhì)模型是指紙質(zhì)材料制作成的模型，主要是指物理模型，它是培養(yǎng)學(xué)生思維能力、想象能力、動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力的重要途徑，也是高中生物學(xué)科能力培養(yǎng)的重點(diǎn)。

構(gòu)建物理模型的材料有很多，紙質(zhì)材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。如成本較低，容易配備，可讓學(xué)生充分參與；種類較多，可以是卡紙或打印紙等；易于裁剪與粘貼，容易構(gòu)建模型；色彩豐富，可根據(jù)作品的要求在藝術(shù)性方面有所突破；材料易得，在文具店就可買到；質(zhì)地有多種，或厚或薄，或軟或硬；易于收集與保存，方便交流展示。

1 改進(jìn)材料，合理開(kāi)發(fā)紙質(zhì)模型

將教材中建議的紅綠兩色的硬紙板，改為紅白兩色的紙條，分別代表“帶目的基因的外源DNA”與“DNA載體”。并將白色紙條（DNA載體）兩端用透明膠連接起來(lái)，形成一個(gè)紙環(huán)。如此改進(jìn)有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)粒是最常用的基因載體，用紙環(huán)代表質(zhì)粒，既簡(jiǎn)單形象又緊貼教材；紅、白兩色紙張比紙板容易得到，而且更易剪裁與粘貼。

具體操作：制作紅色紙條（代表含目的基因的外源DNA）和白色紙條（代表質(zhì)粒），分別印有特定堿基序列（圖1），并將白色紙條兩端用膠布連接起來(lái)，形成一個(gè)紙環(huán)。

2 分層教學(xué)，合理應(yīng)用紙質(zhì)模型

筆者所任教的學(xué)校的生源基礎(chǔ)較差，按照成績(jī)將學(xué)生分為重點(diǎn)班與平行班。選擇其中一個(gè)普通班與兩個(gè)重點(diǎn)班，日常教學(xué)考慮分層教學(xué)，對(duì)普通班的教學(xué)要求需適當(dāng)降低，對(duì)重點(diǎn)班適當(dāng)提高教學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)。

2.1 在普通班教學(xué)中紙質(zhì)模型的應(yīng)用

在普通班教學(xué)時(shí)，安排每位學(xué)生都動(dòng)手將一套模型（一個(gè)“帶目的基因的外源DNA”與一個(gè)“DNA載體”模型），利用剪刀模擬限制酶，透明膠模擬DNA連接酶，進(jìn)行一次DNA重組。

提示學(xué)生：限制酶EcoRⅠ只能識(shí)別GAATTC序列，并在G和A之間切開(kāi)，安排學(xué)生以剪刀模擬限制酶EcoRⅠ提取目的基因和切割載體，以透明膠模擬DNA連接酶將外源DNA片段（含目的基因）與環(huán)狀質(zhì)粒進(jìn)行重組（每小組有3個(gè)含目的基因的外源DNA分子、3個(gè)環(huán)狀的質(zhì)粒）。

學(xué)生經(jīng)過(guò)模擬限制酶EcoRⅠ處理外源DNA與環(huán)狀質(zhì)粒，得到以下目的基因與開(kāi)放性質(zhì)粒及其他碎片（圖2）。

該重組任務(wù)要求比較低，幾乎全部學(xué)生都能在教師指引下完成任務(wù)，體驗(yàn)到成功。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察DNA重組結(jié)果，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生出現(xiàn)堿基序列正向重組情況，也有部分學(xué)生出現(xiàn)反向重組情況。此時(shí)，教師再引導(dǎo)學(xué)生思考：到底哪種才是需要的重組目標(biāo)？在基因工程中DNA重組方式是唯一的嗎？意外重組的方式還有哪些呢？如何避免意外重組的出現(xiàn)？這個(gè)問(wèn)題有待解決。

2.2 重點(diǎn)班教學(xué)中紙質(zhì)模型的應(yīng)用

（1） 重點(diǎn)1班的應(yīng)用操作：將小組成員6人的6套模型混合性進(jìn)行重組。

學(xué)生小組競(jìng)賽：讓各小組將重組成果展貼出來(lái)，看誰(shuí)最快，種類最多。學(xué)生積極性都很高。很快各小組的展貼區(qū)都貼滿了重組DNA。學(xué)生們驚訝地發(fā)現(xiàn)：重組類型真多呀！而且很多都是意外的重組！

每小組6套紙質(zhì)模型混合重組讓學(xué)生領(lǐng)悟重組類型的多樣性。但由于重組時(shí)間長(zhǎng)、展示時(shí)間長(zhǎng)，教師總結(jié)時(shí)間緊迫，最后未能帶領(lǐng)學(xué)生歸納意外重組的類型，及探究如何避免意外重組。

（2） 重點(diǎn)2班的應(yīng)用操作：將課堂上小組的6套模型混合性進(jìn)行重組改為3套，6套混合重組改為課后探究任務(wù)。

在學(xué)生模擬提取到目的基因和切割載體后，教師安排學(xué)生討論：怎樣的DNA片段才能粘貼起來(lái)？目的基因只能與載體重組嗎？經(jīng)限制酶剪切后，以DNA連接酶形成的環(huán)狀情況有哪些？哪種是想要的？如何更有效得到想要的那種？請(qǐng)各小組將重組成果貼在黑板上，看誰(shuí)速度快、種類多！

教師提示學(xué)生：經(jīng)限制酶剪切后，只有兩側(cè)都具有黏性末端的DNA片段才能參加連接形成環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)。只有單側(cè)具黏性末端的DNA片段在本實(shí)驗(yàn)中不能參與構(gòu)成環(huán)狀DNA，因此可以丟棄。

從黑板上展示的重組成果，學(xué)生發(fā)現(xiàn)除了符合需要的目的基因與載體同向連接的方式外，還有大量的意外重組情況：

（1） 目的基因與載體反向連接的方式。

（2） 有單個(gè)DNA片段自身環(huán)化的情況，包括目的基因自身環(huán)化和質(zhì)粒自身環(huán)化（圖3）。

（3） 重組中還會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)DNA片段正向或反向連接后再環(huán)化，包括目的基因與載體重組；質(zhì)粒與質(zhì)粒連接；目的基因與目的基因連接（圖4）。

模擬實(shí)驗(yàn)中僅以3個(gè)外源DNA分子，3個(gè)環(huán)狀的質(zhì)粒進(jìn)行重組已出現(xiàn)如此多的意外重組，若有無(wú)數(shù)個(gè)目的基因和質(zhì)粒混合重組，出現(xiàn)意外環(huán)狀連接情況就更復(fù)雜了。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：引起意外重組的原因是什么？學(xué)生不難歸納出原因是用同種限制酶導(dǎo)致出現(xiàn)相同黏性末端引發(fā)的。那么如何有效得到想要的重組結(jié)果，避免意外重組的出現(xiàn)？這樣引出在基因工程中往往實(shí)際使用兩種限制酶同時(shí)切割提取目的基因和切割質(zhì)粒。

若同時(shí)用兩種限制酶切割產(chǎn)生的兩個(gè)黏性末端會(huì)不同（圖5），這樣就避免了環(huán)化問(wèn)題，使意外重組DNA大量減少，有效得到目標(biāo)重組DNA。

課后小組探究任務(wù)：6個(gè)外源DNA分子和6個(gè)環(huán)狀的質(zhì)粒進(jìn)行重組的情況是怎樣的？

以上案例中運(yùn)用紙質(zhì)模型有效培養(yǎng)學(xué)生思維能力，有效幫助學(xué)生直觀理解三種分子工具是如何參與重組的，可以幫助學(xué)生理解基因工程技術(shù)的的實(shí)際難題，有效突破難點(diǎn)。

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