基于科學(xué)史和模擬活動的基因工程教學(xué)設(shè)計(jì)

仰露

摘 要 利用基因工程科學(xué)發(fā)展史材料，以講故事、模擬活動、設(shè)計(jì)問題等方式完成基因工程教學(xué)內(nèi)容。讓學(xué)生在聽故事的同時，學(xué)習(xí)、理解、思考基因工程知識的整體構(gòu)架和具體細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞 基因工程 科學(xué)史 模擬活動

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)以基因工程發(fā)展歷史為線索，貫穿基因工程的基本操作步驟，中間穿插工具酶、質(zhì)粒載體的作用和特點(diǎn)。本節(jié)教學(xué)以故事的形式呈現(xiàn)，牢牢抓住學(xué)生注意力，隨著故事的情節(jié)發(fā)展，逐步突破教學(xué)重難點(diǎn)——基因工程的原理及基因工程的基本操作步驟。教師在敘述故事過程中，設(shè)計(jì)了一系列問題串引導(dǎo)學(xué)生思考、分析、討論，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)發(fā)展的同時，學(xué)會面對實(shí)驗(yàn)中的困難，并運(yùn)用所學(xué)知識攻克困難，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。故事尾聲時，教師要求學(xué)生總結(jié)出基因操作步驟。對于另一些重難點(diǎn)知識——限制性核酸內(nèi)切酶的作用特點(diǎn)、DNA連接酶的作用和質(zhì)粒在基因工程中的作用，通過設(shè)置模擬活動讓學(xué)生直觀地感受微觀分子世界，找到思維附著點(diǎn)。

2 教材分析

浙科版高中生物教材《選修3·現(xiàn)代生物技術(shù)專題》第一章“基因工程”第一節(jié)“工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生”和第二節(jié)“基因工程的原理和技術(shù)”的內(nèi)容包括：（1） 基因工程的含義和基因工程的主要內(nèi)容；（2） 限制性核酸內(nèi)切酶的含義及作用特點(diǎn)；（3） DNA連接酶的作用；（4） 質(zhì)粒的含義、特性及在基因工程中的作用；（5） 限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和質(zhì)粒對基因工程誕生的作用；（6） 基因工程的原理；（7） 基因工程基本操作的幾個步驟。其中，限制性核酸內(nèi)切酶的作用及作用特點(diǎn)、DNA連接酶的作用、質(zhì)粒在基因工程中的作用、基因工程的原理及基因工程的基本操作步驟是教學(xué)重點(diǎn)，后四個同時也是教學(xué)難點(diǎn)。這兩節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)是在學(xué)生學(xué)習(xí)了必修2中DNA是生物遺傳物質(zhì)、DNA的結(jié)構(gòu)和遺傳信息的傳遞方式、基因是遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位和功能單位等知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行，是對必修2中知識的深化和運(yùn)用。同時基因工程能與后續(xù)克隆技術(shù)、胚胎工程結(jié)合運(yùn)用，體現(xiàn)了知識之間的內(nèi)在聯(lián)系。

3 教學(xué)目標(biāo)

知識目標(biāo)：（1） 說出基因工程的含義和基因工程的主要內(nèi)容；（2） 說出限制性核酸內(nèi)切酶的含義及作用特點(diǎn)；（3） 說出DNA連接酶的作用；（4） 簡述質(zhì)粒的含義、特性及在基因工程中的作用；（5） 解釋限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和質(zhì)粒對基因工程誕生的作用；（6） 簡述基因工程的原理；（7） 概述基因工程基本操作的幾個步驟。

能力目標(biāo)；（1） 通過對科學(xué)史進(jìn)程的學(xué)習(xí)，總結(jié)出基因工程步驟；（2） 通過模擬活動和評議，將微觀分子操作可視化。

情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)：從科學(xué)史的學(xué)習(xí)中體會到：科學(xué)能轉(zhuǎn)化成技術(shù)，技術(shù)將服務(wù)于社會。

4 教學(xué)過程

4.1 情景導(dǎo)入

（1） 教師展示濫用抗生素和超級細(xì)菌漫畫引入抗生素和細(xì)菌抗藥性：抗生素是一類能夠殺死細(xì)菌的藥物，常見的有四環(huán)素、卡那霉素、氨芐青霉素等。自從20世紀(jì)40年代開始，抗生素被發(fā)現(xiàn)和廣泛使用，人們一度以為，抗生素將結(jié)束一切由細(xì)菌引起的感染，而事實(shí)并非如此！因?yàn)榧?xì)菌很快產(chǎn)生了抗藥性。

（2） 教師引入抗生素抗性基因：科研人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌抗藥性的產(chǎn)生與細(xì)菌獲得了抗生素抗性基因有關(guān)?？股乜剐曰蚰鼙磉_(dá)出某種蛋白質(zhì)，干擾相應(yīng)的抗生素發(fā)揮作用。

（3） 教師提出問題：抗生素抗性基因在細(xì)菌的哪里呢？學(xué)生猜測，教師給出答案：實(shí)驗(yàn)表明，絕大多數(shù)抗生素抗性基因并不在擬核，這提示著細(xì)菌中除了擬核之外，還存在其他DNA，是什么呢？教師給出細(xì)菌的結(jié)構(gòu)示意圖（包含擬核和質(zhì)粒），并說明：有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它，并命名為“質(zhì)粒（DNA）。

設(shè)計(jì)意圖：以細(xì)菌抗藥性作為情景導(dǎo)入，引起學(xué)生的興趣，引出抗生素抗性基因，進(jìn)一步通過提問抗生素抗性基因在哪，引出質(zhì)粒（DNA）。

4.2 介紹質(zhì)粒

教師展示細(xì)菌結(jié)構(gòu)示意圖（包含擬核和質(zhì)粒）、電鏡下的質(zhì)粒圖和雙螺旋結(jié)構(gòu)的質(zhì)粒圖，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察圖片，說出質(zhì)粒DNA與之前學(xué)過的DNA有何共同點(diǎn)和區(qū)別。學(xué)生回答后，教師點(diǎn)評總結(jié)：質(zhì)粒是環(huán)狀的、小的、獨(dú)立于擬核之外的，質(zhì)粒也是雙鏈的、具有雙螺旋結(jié)構(gòu)。最后給出質(zhì)粒的定義：質(zhì)粒是能夠自主復(fù)制的雙鏈環(huán)狀DNA分子，在細(xì)菌中獨(dú)立于擬核之外的方式存在，是一種特殊的遺傳物質(zhì)。教師給出質(zhì)粒隨細(xì)菌的繁殖而復(fù)制的圖片，并解釋何為自主復(fù)制。

設(shè)計(jì)意圖：通過展示質(zhì)粒圖片，給學(xué)生以直觀的認(rèn)識；學(xué)生通過觀察質(zhì)粒，自己總結(jié)質(zhì)粒的部分特征。最后教師對質(zhì)粒做出總結(jié)。

4.3 利用科學(xué)史料，教師預(yù)設(shè)問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)

（1） 介紹抗生素抗性基因的位置和作用。

教師展示不含四環(huán)素抗性基因質(zhì)粒和含四環(huán)素抗性基因質(zhì)粒的示意圖，進(jìn)一步展示分別含這兩種質(zhì)粒的細(xì)菌示意圖，并提出問題：在培養(yǎng)這兩種細(xì)菌時，向培養(yǎng)基中加入四環(huán)素，兩種細(xì)菌的命運(yùn)如何？學(xué)生回答，教師點(diǎn)評：質(zhì)粒上沒有四環(huán)素抗性基因的細(xì)菌死亡，另一種細(xì)菌存活。教師引出研究質(zhì)粒上抗生素抗性基因的科學(xué)家——斯坦利·科恩。

設(shè)計(jì)意圖：通過展示圖片，讓學(xué)生形成直觀認(rèn)識——抗生素抗性基因在質(zhì)粒上。通過提問，說明抗生素抗性基因的作用，為后面的“篩選含重組DNA的受體細(xì)胞”做鋪墊。

（2） 介紹質(zhì)粒導(dǎo)入大腸桿菌的方法和抗生素篩選的方法。

教師展示斯坦利·科恩猜想：將具有四環(huán)素抗性的大腸桿菌中的質(zhì)粒提取出來，導(dǎo)入普通的大腸桿菌，后者或許就具有了四環(huán)素抗性。教師提出問題：① 要將質(zhì)粒提取出來，需破壞大腸桿菌細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)？② 導(dǎo)入過程中，質(zhì)粒要穿過大腸桿菌細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)？③ 能不能保證每一個大腸桿菌都會被成功導(dǎo)入質(zhì)粒？學(xué)生回答，教師總結(jié)：破壞大腸桿菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，即對大腸桿菌進(jìn)行破碎處理；穿過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，這并不容易，特別是穿過大腸桿菌細(xì)胞壁，非常困難，并進(jìn)一步追問：怎樣將成功導(dǎo)入的大腸桿菌篩選出來呢？學(xué)生回答，教師點(diǎn)評。最后教師指出：在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)粒導(dǎo)入的過程失敗了，而失敗的原因也不難分析，因?yàn)榇竽c桿菌有細(xì)胞膜和細(xì)胞壁（特別是細(xì)胞壁），阻止外來DNA的進(jìn)入。endprint

教師提出：這時，有兩位研究噬菌體的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，如果用氯化鈣處理大腸桿菌，噬菌體的DNA很容易就進(jìn)入了大腸桿菌。原來氯化鈣能夠增加大腸桿菌細(xì)胞壁的通透性，從而使外部的DNA容易進(jìn)入細(xì)胞。斯坦利·科恩也借鑒了他們的方法，用氯化鈣處理了大腸桿菌，結(jié)果有少數(shù)的大腸桿菌成功地導(dǎo)入了質(zhì)粒，并用四環(huán)素將這些大腸桿菌篩選出來了，說明成功導(dǎo)入質(zhì)粒的大腸桿菌獲得了四環(huán)素抗性。

設(shè)計(jì)意圖：通過介紹科學(xué)家的猜想和科學(xué)發(fā)展史，闡明質(zhì)粒導(dǎo)入大腸桿菌的方法，針對科學(xué)家的猜想提出問題，引出抗生素篩選方法。讓學(xué)生感受科學(xué)家實(shí)驗(yàn)中遇到問題、解決問題的過程。

（3） 介紹限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶。

教師展示資料：斯坦利·科恩參加了一場生物學(xué)會議，會議上一個叫赫伯特·博耶的科學(xué)家作了報(bào)告，報(bào)告中稱自己分離純化出一種限制性核酸內(nèi)切酶，命名為EcoRⅠ。所謂限制性核酸內(nèi)切酶，是指能夠識別、結(jié)合和切割特定核苷酸序列的酶，例如EcoRⅠ識別、結(jié)合和切割的位點(diǎn)是 。教師展示切割動畫，動畫末顯示切割之后產(chǎn)生的兩個DNA片段，引出并介紹粘性末端。聽完赫伯特·博耶的報(bào)告，斯坦利·科恩聯(lián)想到自己曾看過的兩篇文章，文章作者發(fā)現(xiàn)了另一種酶，名為DNA連接酶，教師展示DNA連接酶作用圖片，介紹DNA連接酶。教師總結(jié)：這兩種酶的作用正好相反，前者像是剪刀，將DNA“剪斷”，后者像針線，將兩段DNA“縫補(bǔ)”起來。教師提出問題：限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶作用的化學(xué)鍵分別是什么？學(xué)生回答。斯坦利·科恩和赫伯特·博耶在會后進(jìn)行了交流，達(dá)成合作意向，逐漸形成了新的實(shí)驗(yàn)思路。

設(shè)計(jì)意圖：沿著科學(xué)史的線路，引出限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶，過渡自然，吸引學(xué)生注意力。教師結(jié)合圖片和動畫，讓學(xué)生對兩種酶的作用形成初步認(rèn)識。

（4） 初步了解基因工程的基本操作步驟。

斯坦利·科恩和赫伯特·博耶有了什么新的實(shí)驗(yàn)思路了？他們猜想如果把“某個基因”連接到質(zhì)粒上后導(dǎo)入大腸桿菌，大腸桿菌是不是就能表達(dá)這個“某個基因”呢？

教師設(shè)置問題串：

① “某個基因”存在于某DNA分子上，如何從DNA分子上把這個基因截下來？學(xué)生回答，教師總結(jié)：需用限制性核酸內(nèi)切酶將“某個基因”從DNA分子上剪下來。教師追問：剪下的“某個基因”兩側(cè)形成什么末端？學(xué)生回答：黏性末端。

② 質(zhì)粒是環(huán)狀閉合的，要想在質(zhì)粒上插上一個基因，首先要對質(zhì)粒做什么？學(xué)生回答，教師總結(jié)：需用限制性核酸內(nèi)切酶將質(zhì)粒剪開。教師追問：剪開的質(zhì)粒，切口處形成什么末端？學(xué)生回答：黏性末端。

③ 質(zhì)粒與某個基因都具有黏性末端，若將兩者混合，它們的黏性末端能形成什么鍵？學(xué)生回答，教師總結(jié)：氫鍵。

④ 形成的氫鍵并不牢固，如何將兩者牢固地連接起來？學(xué)生回答，教師總結(jié)：利用DNA連接酶連接磷酸二酯鍵。

⑤ 連接后，得到的新的重組的質(zhì)粒，如何導(dǎo)入大腸桿菌？學(xué)生回答，教師總結(jié)：用氯化鈣處理大腸桿菌。

⑥ 導(dǎo)入的成功率不是100%，如何篩選出成功導(dǎo)入的大腸桿菌？學(xué)生回答，教師總結(jié)：用四環(huán)素篩選。教師追問：因此，這里使用的質(zhì)粒一般要含有什么基因？學(xué)生回答，教師總結(jié)：這里使用的質(zhì)粒都要含有供篩選的基因，一般是抗生素抗性基因。

教師展示斯坦利·科恩和赫伯特·博耶的猜想：由于質(zhì)粒能隨大腸桿菌的繁殖而復(fù)制，那么某個基因是否也會隨質(zhì)粒的復(fù)制而復(fù)制呢？由于基因是控制生物性狀的，如果這里的某個基因是“氨芐青霉素抗性基因”，那么大腸桿菌是不是不僅僅具備了四環(huán)素抗性，同時還具備了氨芐青霉素抗性？如果某個基因是某個真核生物基因，那么大腸桿菌是不是就能表達(dá)真核生物基因呢？比如人的胰島素基因。

為了讓學(xué)生直觀地感受質(zhì)粒與目的基因是如何被“剪”，又是如何被“縫”的，教師以紅色紙條代表含某個基因的DNA分子，白色紙條代表質(zhì)粒，設(shè)置模擬活動：（1） 讓學(xué)生用膠帶將白色紙條兩端相連，形成環(huán)狀質(zhì)粒（2） 再利用剪刀和膠帶模擬限制性核酸內(nèi)切酶EcoRⅠ和DNA連接酶的作用，模擬重組質(zhì)粒形成過程。學(xué)生制作，教師組織學(xué)生評議，并總結(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：講述科學(xué)家的想法，利用問題串，讓學(xué)生運(yùn)用前面所學(xué)知識，“幫助”科學(xué)家實(shí)現(xiàn)他們的想法，對基因工程的操作步驟形成初步認(rèn)識。與前文的科學(xué)史銜接非常自然，水到渠成，既能引起學(xué)生的興趣，又能讓學(xué)生將知識“連點(diǎn)成線”。同時教師設(shè)置活動幫助學(xué)生理解微觀的分子操作，讓學(xué)生思維找到支撐點(diǎn)，通過收集典型錯誤、組織評議和教師總結(jié)，讓學(xué)生更深刻掌握兩種酶的作用。

（5） 進(jìn)一步介紹基因工程操作步驟。

教師展示資料斯坦利·科恩和赫伯特·博耶當(dāng)時選擇蛙中某個基因?yàn)槟康幕?，進(jìn)行基因工程實(shí)驗(yàn)。教師播放動畫。動畫中包含基因工程的操作步驟，涉及導(dǎo)入效率問題和質(zhì)粒的自我環(huán)化問題。第一次播放之后，教師提出問題：（1） 質(zhì)粒除了連接目的基因外，還有哪些連接方式？（2） 是否所有大腸桿菌都導(dǎo)入了質(zhì)粒？（3） 如何篩選出成功導(dǎo)入的大腸桿菌？再進(jìn)行第二次播放，請學(xué)生回答問題，教師點(diǎn)評。

教師讓學(xué)生整理基因工程的操作步驟，組織學(xué)生評議，教師追問相關(guān)步驟的細(xì)節(jié)，最后補(bǔ)充完善。

教師結(jié)語：后來，博耶辭去在大學(xué)里的工作，創(chuàng)立了世界上公認(rèn)的第一個生物公司——Genentech公司，該公司第一個瞄準(zhǔn)的目的基因就是人的胰島素基因，成功地讓大腸桿菌生產(chǎn)出人的胰島素！目前，Genentech是世界上第二大生物技術(shù)公司，由該公司開發(fā)的胰島素已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的牛（豬）胰腺中提取的胰島素。

設(shè)計(jì)意圖：沿著科學(xué)史的線索繼續(xù)前行，銜接自然，抓住學(xué)生的興趣。通過教師播放動畫——提出問題——再次播放動畫，讓學(xué)生對基因工程的操作步驟有了直觀的認(rèn)識，對其中涉及的導(dǎo)入效率問題、質(zhì)粒自我環(huán)化問題有深刻的理解。教師再讓學(xué)生自己總結(jié)基因工程的操作步驟，教師組織評議，促進(jìn)學(xué)生對知識的內(nèi)化。最后，以科學(xué)史結(jié)束，讓學(xué)生感受到：科學(xué)轉(zhuǎn)化成技術(shù)，技術(shù)服務(wù)于社會。endprint

5 教學(xué)反思

本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生表現(xiàn)出很大的興趣，這主要是因?yàn)橹潦贾两K都以故事的形式貫穿。通過提問，讓學(xué)生“參與”設(shè)計(jì)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，“參與”解決科學(xué)家遇到的問題。學(xué)生對提出的問題積極思考，能夠很好地解決問題，更好地掌握所學(xué)知識。并且問題指向明確，問題提出之前做好了鋪墊。

模擬活動促進(jìn)學(xué)生將內(nèi)在知識表象化，通過對典型錯誤的評議，糾正思維中錯誤。動畫展示使得學(xué)生將內(nèi)在知識直觀化，針對動畫中相關(guān)內(nèi)容提問，讓學(xué)生對某些細(xì)節(jié)有更深刻的理解。最終讓學(xué)生自己總結(jié)操作步驟，有促進(jìn)學(xué)生將表象、直觀認(rèn)識內(nèi)在化，教師組織評議，幫助學(xué)生完善、修正自己的知識體系。

科學(xué)史貫穿整節(jié)課，不僅突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，同時也讓學(xué)生體驗(yàn)到：科學(xué)能轉(zhuǎn)化為技術(shù)，技術(shù)又將服務(wù)于社會。我們需學(xué)習(xí)科學(xué)知識，將來為社會做出貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自我價值。

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