模型建構在“基因工程”專題教學中的實踐

陳密玉 何淑珠

（1.漳州第一中學，福建漳州363000；2.漳州第三中學,福建漳州363000）

模型建構在“基因工程”專題教學中的實踐

陳密玉1 何淑珠2

（1.漳州第一中學，福建漳州363000；2.漳州第三中學,福建漳州363000）

以“基因工程”專題教學為案例，探討通過建構概念模型、物理模型和數(shù)學模型，引導學生分析問題和解決問題，深刻理解、應用有關基因工程的知識，提高教學效果。

模型建構；基因工程

高中生物學的基本概念和基本規(guī)律很多，許多概念原型是微觀的，無法用肉眼觀察，也無法實際操作。如何引導學生更好地學習高中生物學知識，模型建構是一種很好的教學形式。模型，即模擬原型，是人們?yōu)榱烁唧w地認識研究對象，而對研究對象進行的簡化描述。模型的種類很多，有概念模型、物理模型、數(shù)學模型等。［1］本文以人教版《高中生物·選修3·現(xiàn)代科學技術》中的“基因工程”專題教學為例，闡述如何指導學生建構模型，提高學生的學習效果。

一、建構概念模型，理解科學概念

概念圖是一種能形象表達命題網(wǎng)絡中一系列概念含義及其關系的圖解，它是由概念節(jié)點和連線所組成的一系列概念的結構化表征。它能形象化地表達某一命題中各概念節(jié)點間的內在邏輯關系。［2］基因工程屬于分子水平的生物技術，高中學生不大可能像大學生一樣親自進行基因工程的相關實驗，而且基因工程專題的概念、專業(yè)術語比較多，指導學生自己建構概念圖，將概念及其相互之間的聯(lián)系以概念圖這一概念模型表示，不僅可以增強學生的理解能力、記憶能力，而且可以提升學生的綜合分析問題、解決問題的能力。

教學中，提供給學生“基因工程基本內容”概念圖的基本框架（如圖1），然后分小組進行討論，再派代表進行匯報。讓學生對各組觀點進行相互質疑、評價與修改，最終合作建構出完整的“基因工程基本內容”概念圖。

通過建構概念模型，學生普遍反映對概念的理解更加深刻了，體驗了合作學習的樂趣。同時輕松解答“2016年全國卷第40題第（1）小題：質粒載體作為基因工程的工具，應具備的基本條件有_____（答出兩點即可）”。

圖1 基因工程基本內容概念圖

二、建構物理模型，理解基因工程的基本工具

物理模型是一種以實物或圖片形式直觀地表達認識對象特征的研究方法。［3］“基因工程的基本工具”教學時，為避免機械性灌輸知識，可以采用建構物理模型的方法，幫助學生理解限制酶有特定的脫氧核糖核苷酸識別序列，并且還有特定的切割位點，使磷酸二酯鍵斷開，從而產(chǎn)生黏性末端或平末端。

例如限制酶EcoRⅠ和限制酶SmaⅠ的識別序列和酶切位點分別是—G↓AATTC—、—CCC↓GGG—，兩者的切割結果分別見圖2、圖3。

圖2 限制酶EcoR識別序列、酶切位點及切割結果

圖3 限制酶SmaⅠ識別序列、酶切位點及切割結果

但有些限制酶，如MboⅠ，它的識別序列和酶切位點是—↓GATC—，若用其切割某段DNA，得到哪種末端呢？學生一般容易想當然是平末端，其實不然。通過建構物理模型（如圖4），幫助學生理解限制酶MboⅠ切割結果是黏性末端而不是平末端。從而進一步加強對“黏性末端是限制酶在它識別序列的對稱軸兩邊進行酶切的結果，而平末端是限制酶在它識別序列的對稱軸處進行酶切的結果”這一概念的理解。

圖4 限制酶MboⅠ識別序列、酶切位點及切割結果

接著，學生在解答“2005年天津卷第31題第（1）小題：限制酶Ⅰ的識別序列和切點是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的識別序列和切點是—↓GATC—。在質粒上有一個限制酶Ⅰ的切點，在目的基因的兩側各有一個限制酶Ⅱ的切點。在DNA連接酶的作用下，上述兩種不同限制酶切割后形成的末端能否連接？為什么？”時，有些學生還是不理解，為什么不同的限制酶切割得到的DNA片段能夠連接呢？利用物理模型建構的方法來解決這個問題，就可以化抽象為具體，結果淺顯易懂。（如圖5、圖6）

圖5 雙鏈環(huán)狀質粒經(jīng)限制酶Ⅰ切割后的開環(huán)位點

圖6 限制酶Ⅱ切割后得到的三種片段，中間片段為目的基因

從圖5和圖6所示的物理模型中，學生很容易發(fā)現(xiàn)，目的基因的兩端剛好可以和質粒的開環(huán)位點發(fā)生堿基互補配對，形成重組質粒。由此可見，用不同的限制酶切割產(chǎn)生的片段可能可以連接，也可能不可以連接，關鍵要注意觀察黏性末端是否相同，相同即可連接，否則不可連接。

三、建構數(shù)學模型，理解PCR技術擴增目的基因

數(shù)學模型是用來描述一個系統(tǒng)或它的性質的數(shù)學形式，如公式、坐標等。［4］可以采用建構數(shù)學模型的方法學習“利用PCR技術擴增目的基因”這一概念。

PCR技術是模擬細胞內DNA半保留復制的過程，將模板DNA的脫氧核苷酸序列在PCR擴增儀中不斷地進行復制，使其數(shù)量呈2n形式增加，從而大量擴增出目的基因。（如圖7、圖8）

圖7 PCR技術反應原理示意圖

圖8 一個DNA分子經(jīng)過PCR技術3次重復循環(huán)的結果示意圖

由圖8可得出，若一個DNA分子經(jīng)過n次擴增循環(huán)，那么（1）形成的子DNA分子總數(shù)=2n個；（2）含有親代DNA鏈的子代DNA分子總數(shù)=2個；不含親代DNA鏈的子代DNA分子總數(shù)=（2n-2）個；（3）子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈總數(shù)=2n+1條；親代脫氧核苷酸鏈總數(shù)=2條；新合成的脫氧核苷酸鏈總數(shù)=（2n+1-2）條；（4）若某一DNA分子含有某種脫氧核苷酸a個，經(jīng)過n次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)=a·(2n-1)；第n次循環(huán)所需該脫氧核苷酸總數(shù)=n次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)-（n-1）次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)=a·(2n-1)-a·(2n-1-1)=a·2n-1。

要求學生利用形成的子DNA分子總數(shù)=2n個、經(jīng)過n次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)=a·(2n-1)、不含親代DNA鏈的子代DNA分子總數(shù)=（2n-2）個的數(shù)學模型解答：下圖表示PCR技術操作過程。

如果某一DNA有1000個脫氧核苷酸，都用15N標記，且一條鏈上A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4，游離的脫氧核苷酸不做標記，控制“94℃～55℃～72℃”溫度循環(huán)7次，則產(chǎn)生___個DNA，需要提供胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數(shù)目至少是___個，不含有15N標記的子代DNA有___個。

由此可見，利用建構數(shù)學模型的方法，可以快速高效地解決PCR技術中的一些計算問題，從而給進行PCR技術操作時應該添加多少原料帶來了方便。

通過模型建構來學習有關基因工程知識，將抽象的知識具體化，不僅可以充分調動學生學習生物學的積極性，而且可以充分提高學生的探究能力、動手能力，從而主動學習生物學，提高學生的生物科學素養(yǎng)。

［1］江宜博.例析模型建構在高中生物教學中的應用［J］.福建基礎教育研究，2010（5）.

［2］徐洪林,康長運,劉恩山.概念圖的研究及其進展［J］.科學教育,2003（3）.

［3］朱正威，趙占良.生物1《分子與細胞》［M］.北京:人民教育出版社，2007.

［4］朱正威，趙占良.生物3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》［M］.北京:人民教育出版社，2007.

［5］盧長飛，高中生物教學中“生物學模型”的嵌入［J］.中學教學參考，2012（20）.

（責任編輯：陳欣）

本文系2015年福建省中青年教師教育科研項目基礎教育研究專項計劃立項課題（項目編號：JAS151468）研究成果。