“DNA重組技術(shù)的基本工具”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)

楊二群

摘 要 根據(jù)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”“分析問(wèn)題”到“解決問(wèn)題”的規(guī)律，針對(duì)高中生物教學(xué)中“基因工程”這一難點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)并充分利用情境展開(kāi)教學(xué)，以問(wèn)題串貫穿引領(lǐng)學(xué)生深入淺出，并通過(guò)模擬操作實(shí)驗(yàn)變抽象為具體，幫助學(xué)生降低學(xué)習(xí)難度，把握重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 基因工程 限制酶 DNA連接酶 模擬操作 教學(xué)設(shè)計(jì)

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

1 教材和學(xué)情分析

“DNA重組技術(shù)的基本工具”是高中生物《選修3·現(xiàn)代生物科技專(zhuān)題》中“基因工程”專(zhuān)題的第一節(jié)教學(xué)內(nèi)容。轉(zhuǎn)基因是當(dāng)前社會(huì)的熱點(diǎn)話題，近些年各地高考生物試卷中關(guān)于基因工程的內(nèi)容可謂是屢見(jiàn)不鮮，而學(xué)生對(duì)于此類(lèi)題型得分率往往偏低，因此該內(nèi)容是教學(xué)公認(rèn)的重、難點(diǎn)。

學(xué)生得分低的根本原因還是基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢，沒(méi)有完全理解核心概念，在此前已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)必修二模塊的基因的本質(zhì)、基因的表達(dá)等相關(guān)遺傳學(xué)知識(shí)，有了一定的知識(shí)基礎(chǔ)。但由于遺傳本身也是高中生物中的一個(gè)難點(diǎn)，且還間隔了一段時(shí)間，難免有所遺忘，再加上“基因工程”是分子水平的范疇，內(nèi)容抽象，以往學(xué)生學(xué)習(xí)全靠想象，無(wú)法直觀地體會(huì)，學(xué)生學(xué)起來(lái)比較吃力?？紤]到上述的這些因素，為提高教學(xué)效率，讓學(xué)生牢牢把握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)做到合理利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境、適當(dāng)復(fù)習(xí)回憶相關(guān)知識(shí)、化抽象為具體、由淺入深等來(lái)幫助學(xué)生克服難點(diǎn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo)

理解基因工程的概念，簡(jiǎn)述DNA重組技術(shù)所需的三種基本工具。

2.2 能力目標(biāo)

模擬限制酶、DNA連接酶的作用過(guò)程。

2.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

認(rèn)同基因工程的誕生和發(fā)展離不開(kāi)理論研究和技術(shù)的創(chuàng)新。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 巧設(shè)情境，通過(guò)兩個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生掌握基因工程的由來(lái)與概念

教師用多媒體展示綠色熒光海蜇與老鼠的兩張圖片，提出問(wèn)題：“導(dǎo)致老鼠和海蜇性狀差異的根本原因是什么？”學(xué)生可能回答出“DNA”“染色體”“基因”“蛋白質(zhì)”“RNA”等五花八門(mén)的答案。教師在給出“它們的DNA所攜帶的遺傳信息不同”這一正確答案后，明確生物性狀差異的根本原因在于遺傳信息上，直接原因在于蛋白質(zhì)。之后，順便把學(xué)生回答的這些答案加以總結(jié)，利用PPT投影模擬圖，幫助學(xué)生回憶“染色體”“DNA”“基因”等概念的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)基因是遺傳的基本單位，并在圖中指明DNA中的“磷酸二酯鍵”和“氫鍵”。

然后，教師再指出：在海蜇與老鼠的諸多差異中，有一種性狀老鼠是沒(méi)有的，那就是能發(fā)出綠色熒光。教師提出問(wèn)題：“若老鼠也想發(fā)光，可以怎么做？”根據(jù)學(xué)生回答情況，有必要的話教師可以跟學(xué)生一起分析：海蜇能發(fā)出熒光的原因是什么？（海蜇體內(nèi)有綠色熒光蛋白）追問(wèn)：為什么海蜇體內(nèi)能產(chǎn)生該蛋白而老鼠不能呢？根本原因是什么？（海蜇體內(nèi)有綠色熒光蛋白基因，綠色熒光蛋白基因通過(guò)表達(dá)產(chǎn)生綠色熒光蛋白，而老鼠體內(nèi)沒(méi)有該基因）

在此基礎(chǔ)上，有學(xué)生會(huì)提出要想老鼠發(fā)光可將海蜇的綠色熒光蛋白提取并植入老鼠體內(nèi)，也有學(xué)生提出應(yīng)該植入老鼠體內(nèi)的是海蜇的綠色熒光蛋白基因。

對(duì)兩種方案進(jìn)行討論比較，學(xué)生可很快得出：“向老鼠轉(zhuǎn)入綠色熒光蛋白使老鼠發(fā)光，效應(yīng)不可持續(xù)，為了老鼠能夠持續(xù)具有熒光效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)給老鼠轉(zhuǎn)入綠色熒光蛋白基因，因?yàn)榛蚩蛇z傳?！?/p>

隨后，教師通過(guò)投影向?qū)W生展示綠色熒光老鼠和熒光豬的照片，并指出它們就是科學(xué)家利用即將要學(xué)習(xí)的“基因工程技術(shù)”所創(chuàng)造出來(lái)的，引導(dǎo)學(xué)生閱讀并理解書(shū)上的基因工程概念。教師強(qiáng)調(diào)基因工程是分子水平上的技術(shù)設(shè)計(jì)，是一種定向改造生物遺傳性狀的技術(shù)，基因工程所創(chuàng)造出的生物被形象地稱(chēng)為轉(zhuǎn)基因生物，即轉(zhuǎn)入了外源基因的生物。

3.2 深挖情境，由淺入深引出基因工程操作中的三種工具

經(jīng)過(guò)上一環(huán)節(jié)，學(xué)生明白了什么是轉(zhuǎn)基因生物，教師提出第三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：“假如你就是當(dāng)初的科學(xué)家，要想把海蜇體內(nèi)的綠色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)接到老鼠體內(nèi)，你需要擁有哪些工具？”因?yàn)橛辛饲懊娴匿亯|，學(xué)生不難回答出需要有一種能夠把基因從相關(guān)DNA上剪切下來(lái)的工具、運(yùn)輸?shù)嚼鲜篌w內(nèi)的工具以及連接工具（教師可根據(jù)具體情況引導(dǎo)學(xué)生思考）。在學(xué)生回答后，教師加以總結(jié)：科學(xué)家當(dāng)年就是帶著同樣的目的去尋找這些工具，并于20世紀(jì)60～70年代，依次發(fā)現(xiàn)了符合要求的這些工具，它們依次是“限制性核酸內(nèi)切酶”“DNA連接酶”“運(yùn)載體”，在此過(guò)程中還發(fā)明了DNA人工合成技術(shù)和測(cè)序技術(shù)。

3.3 變抽象為具體，通過(guò)模擬操作，讓學(xué)生熟悉基因工程操作中的基本工具

教師引導(dǎo)學(xué)生逐一掌握基因工程操作中三種工具的概念及作用機(jī)理。

3.3.1 限制性核酸內(nèi)切酶

教師向?qū)W生介紹限制酶的發(fā)現(xiàn)史，以EcoRⅠ酶和Hpa I酶這兩種限制酶為代表（分別切割出黏性末端和平末端）介紹限制酶的概念及相關(guān)知識(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生觀察并發(fā)現(xiàn)限制酶識(shí)別序列的特點(diǎn)——都是倒置重復(fù)的回文序列。然后進(jìn)行模擬操作一：利用課前發(fā)放的就有EcoRⅠ酶的識(shí)別序列（■）的紙條（圖1），用剪刀模擬EcoRⅠ酶切割DNA。

在學(xué)生操作結(jié)束后，教師選幾位學(xué)生的切割結(jié)果加以分析點(diǎn)評(píng)，并指出切割后形成的3個(gè)DNA片段中，把中間一段假設(shè)為綠色熒光蛋白基因加以保留。

3.3.2 DNA連接酶和運(yùn)載體

教師介紹DNA連接酶和運(yùn)載體的發(fā)現(xiàn)史、概念、分類(lèi)與作用等相關(guān)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)DNA連接酶連接的是兩個(gè)末端互補(bǔ)的DNA片段，通過(guò)形成磷酸二酯鍵完成。天然的載體一般不同時(shí)具備有限制酶切割位點(diǎn)、啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因、合適大小等要素，往往需要經(jīng)過(guò)人工改造方可。隨后按教師要求進(jìn)行模擬操作二：把已發(fā)放的紙環(huán)看作質(zhì)粒（圖2），告訴學(xué)生所拿到的質(zhì)粒上也有EcoRⅠ酶的識(shí)別序列，用剪刀模擬EcoRⅠ酶切割質(zhì)粒后，再用膠帶紙當(dāng)作DNA連接酶連接操作一中切割的目的基因與切割后的質(zhì)粒。

學(xué)生交流操作成果，總結(jié)并討論：一共可能會(huì)有多少種連接結(jié)果？如何避免錯(cuò)誤連接？設(shè)想在一定的環(huán)境中許多被切割后的質(zhì)粒和目的基因在一起，同時(shí)被DNA連接酶作用，由于前面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了DNA連接酶的作用特點(diǎn)，學(xué)生不難提出除了正確的連接之外，還可能出現(xiàn)反向連接、目的基因和載體自身環(huán)化，三個(gè)及三個(gè)以上同時(shí)連接等。教師引導(dǎo)學(xué)生分析形成這些錯(cuò)誤的原因，提出改進(jìn)方案（對(duì)于反向連接、自身環(huán)化可以用兩種限制酶切割以形成不一樣的末端而加以避免，但即使這樣也不能保證100%成功，所以連接后還需要篩選）。通過(guò)討論可以為下一節(jié)“基因工程的操作程序”的學(xué)習(xí)做鋪墊，同時(shí)讓學(xué)生理解科學(xué)技術(shù)需要不斷發(fā)展完善，并感受科研工作的艱辛與意義。

4 教學(xué)反思

教師找到了以往學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)難處所在，并對(duì)學(xué)生的難點(diǎn)進(jìn)行了充分的分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，遵循了從“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”到“分析問(wèn)題”“解決問(wèn)題”的科學(xué)思路。用老鼠和海蜇創(chuàng)設(shè)情境，能很好吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師充分利用情境，通過(guò)關(guān)鍵問(wèn)題幫助學(xué)生回憶復(fù)習(xí)了遺傳的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、理解基因工程的概念、到底什么是轉(zhuǎn)基因生物這一社會(huì)熱點(diǎn)話題，并形成知識(shí)框架，同時(shí)巧妙地引出本節(jié)的教學(xué)重、難點(diǎn)——DNA重組技術(shù)的基本工具。對(duì)于限制酶、DNA連接酶等抽象的分子水平概念，通過(guò)設(shè)計(jì)模型和兩次模擬操作，變抽象為具體，讓學(xué)生宏觀上直觀體會(huì)限制酶的切割、DNA連接酶的連接等過(guò)程，在動(dòng)手操作及思考中學(xué)習(xí)新的知識(shí)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，效果顯著。

在教學(xué)中，“如何讓老鼠發(fā)光”這一情境，自然而然地引入“限制酶”“DNA連接酶”“運(yùn)載體”的發(fā)現(xiàn)史，有助于學(xué)生在情感上認(rèn)同基因工程的誕生與發(fā)展離不開(kāi)理論的研究與技術(shù)的創(chuàng)新。

不論在什么學(xué)科，都會(huì)有一些教學(xué)的難點(diǎn)，為讓學(xué)生突破難點(diǎn)、把握難點(diǎn)，更好地體會(huì)相關(guān)核心概念，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中，分析、了解學(xué)生難點(diǎn)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生的注意力高度集中、積極思維，并充分利用情境結(jié)合多媒體、模型、實(shí)驗(yàn)操作等一些教學(xué)手段，降低學(xué)習(xí)的難度，加深學(xué)習(xí)的深度。