模型教具在高中教學中的應用

曾平 石秀菊

摘要 以大腸桿菌合成人的胰島素為主題情景，通過構建限制酶切割出基因和質粒的模型教具、構建DNA連接酶連接基因和質粒的模型教具、構建重組質粒導入大腸桿菌的模型教具，引導學生體驗“基因工程的過程”。培養(yǎng)學生學習興趣，訓練學生的動手能力，利用形象思維促進抽象思維能力提升，

突破教學難點，培養(yǎng)學生的理性思維，促進學生科學思維的發(fā)展。

關鍵詞 模型教具 基因工程 課堂教學? ? ???? 中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

“基因工程”是滬教版教材高中生物科學第二冊第六章第三節(jié)的重要內容。其中，基因工程的概念、基本步驟、3種工具的名稱和作用、轉基因技術的應用和安全等是學業(yè)水平考試的重點之一。因為基因工程過程非常抽象，學生無法完成實驗體驗基因工程的過程，容易出現(xiàn)模棱兩可，難以理解的情況。在教學過程中，常發(fā)現(xiàn)，學生困惑于基因工程中限制酶如何識別DNA序列，如何切割出基因和切割質粒等問題;不明白質粒與目的基因重組的過程，即DNA連接酶的作用原理;想知道導入后為什么需要進行篩選，不理解基因工程的原理內涵......教師利用構建物理模型教具，在課堂教學中引導學生模擬基因工程的過程，基于認識、構建、應用的過程，從而將抽象復雜的知識轉化為具體形象的知識。學生基于活動體驗基因工程的過程，更好地理解基因工程的原理，訓練理性思維，促進科學思維的發(fā)展。

1課前準備

1.1材料用具準備

軟磁貼（有磁性，可裁剪），彩紙，雙面膠，剪刀，訂書機，鉛筆等。

1.1.1構建模型準備

1用AdobePhotoshop繪制出含人胰島素基因（目的基因）的DNA片段模型（圖1，紙質，長度為A4紙長），質粒模型（圖2，紙質，長度為A4紙長），大腸桿菌模型（圖3，紙質，A4紙大小）。前兩個模型上的陰影部分表示限制酶識別序列，切割位點以↓表示（G↓AATTC）。

2打印模板并貼在軟磁貼上，將質粒序列粘成環(huán)形，完成模型制作。由于用量較大，教師可在課前先指導學科興趣小組的學生裁剪好模型。

2教學活動

在課堂教學實踐中，發(fā)現(xiàn)不少學生對“基因工程”的過程很感興趣，經常提出以下問題：限制酶是如何切割出人胰島素基因（目的基因）的？限制酶切割質粒和切割出基因是一個原理嗎，DNA連接酶是怎么將人胰島素基因（目的基因）與質粒連接上的？進行篩選的原因是什么呀？基因工程成功的標志是什么？為什么微生物能合成人的蛋白質？這合成的蛋白質直接拿來能用嗎？......。教師通過精心設計適切的模擬探究活動，引導學生思考問題，分析、討論、交流，從而揭示基因工程的原理，復習鞏固所學知識，促進科學思維的發(fā)展。

2.1構建限制酶切割出基因和質粒的模型教具

教師給每位學生發(fā)放一份工具包（剪刀一把，雙面膠一卷，含人胰島素基因的DNA片段模型3份，質粒模型3份，大腸桿菌模型3份）。

學生活動1：首先引導學生結合教材的例子，分析限制酶EcoR I是先特異性識別GAATTC，讓后在G和A之間將DNA切開。學生角色扮演，體驗EcoRI切割出目的基因的過程（圖4）。

學生活動2：學生扮演EcoRI，嘗試去切割質粒（圖5）。

教師設問，引導學生思考：為什么限制酶EcoRI除了可以切割出目的基因，還能切割質粒？從而引導學生思考分析質粒的本質（閉環(huán)狀DNA分子），歸納出基因工程的原理之一：都是DNA分子。

設計意圖：學生進行角色扮演，體驗限制酶作用過程：分別完成含人胰島素基因（目的基因）的DNA片段的識別和切割，獲取人胰島素基因（目的基因）和完成質粒的識別和切割過程。這樣使學生真正理解限制酶的作用原理，自發(fā)內化生成基因工程的原理，訓練了學生的動手能力，激發(fā)學生的學習興趣。

實踐感悟：學生能夠記住限制酶作用原理是特異性識別并切割DNA分子，但未必能理解其內涵。例如給出具體DNA序列片段時，不少學生會遇到的問題：該限制酶是否能切割該DNA序列？如果可以，又該如何切割？教師利用限制酶切割出基因和質粒的模型教具，給學生展示正確的模型教具，概述構建的步驟：識別GAATTC序列，切割GA之間的鍵，鉛筆畫出切割路徑后用剪刀剪切。由此使學生真正理解限制酶的作用原理。

2.2構建DNA連接酶連接基因和質粒的模型教具學生活動3：實驗室中，大量地被限制酶切割出的目的基因與切割的質粒片段混合在一起，讓其隨機重組。4個學生為一個小組，將切割出的目的基因和切割的質粒放在一起，混勻。自己的雙手扮演DNA連接酶，隨機去取，合作完成重組過程。學生探究在3min內最多可以形成多少種組合（圖6）。做得最快、種類最多的小組進行展示，著重介紹重組的類型及連接方式，尤其是人胰島素基因（目的基因）與質粒重組的情況。教師進而引導思考：氫鍵是如何連接的？連接過程遵循什么原則？思考歸納出基因工程的原理之二：遵循堿基互補配對原則。

設計意圖：板書或幻燈片不能形象地將抽象的知識生動形象地表達，更難讓學生參與體驗。而構建模型教具不僅僅讓學生體驗DNA連接酶將人胰島素基因（目的基因）與質粒連接進行重組的過程，理解基因工程的原理;教師進一步引導學生思考重組的過程是隨機性的，使學生得出重組的類型會有多種情況，并成功構建出模型，利用形象思維促進抽象思維能力提升，突破教學難點。同時也為篩選過程埋下伏筆。

實踐感悟：DNA分子的斷裂涉及到堿基之間的氫鍵斷開，磷酸與脫氧核糖之間的化學鍵（磷酸二酯鍵）斷裂。反之，要將DNA連接，必須將這兩個化學鍵連接。DNA連接酶的功能就是將斷裂的DNA分子連接，但該酶作用在哪里，是連接堿基之間的氫鍵還是連接磷酸與脫氧核糖之間的化學鍵，學生不是十分清楚。教師通過構建DNA連接酶連接基因和質粒的模型教具，尤其是讓學生隨機構建多種重組類型的模型，并讓學生展示模型，說明如此構建的理由。學生不難思考得出只要黏性末端能夠遵循堿基互補配對原則，DNA連接酶就能將磷酸與脫氧核糖之間的化學鍵（磷酸二酯鍵）連接，即能夠成功連接（構建模型）。這樣，學生不僅理解DNA連接酶的作用原理，深入理解基因工程的原理，而且能有效訓練學生的理性思維，促進科學思維的發(fā)展。

2.3構建重組質粒導入大腸桿菌的模型教具

學生活動4：學生思考并展示多種組合的環(huán)形DNA“導入”大腸桿菌中的模型（圖7），并思考：哪種情況是屬于基因工程過程所需要的？如果需要將其與其他可能的情況進行分離，需要什么過程？

設計意圖：學生體驗完成重組質粒導入受體細胞的過程，理解導入過程可能出現(xiàn)的多種情況，只有重組質粒導入受體細胞才是基因工程所需要的結果，因此需要進一步操作。這樣為篩選步驟的學習埋下伏筆。

實踐感悟：人胰島素基因（目的基因）和質粒隨機的各種組合是否都能導入大腸桿菌（受體細胞）？如果可以，導入時可能出現(xiàn)的各種情況有哪些？學生容易忽略上述問題，更少學生能深入思考。教師通過構建重組質粒導入大腸桿菌的模型教具，生動形象地讓學生參與不同類型的重組質粒導入大腸桿菌的過程，主動思考導入的各種情況，深入分析需要篩選的原因，有效地促進學生科學思維的發(fā)展。

2.4應用構建的模型教具，創(chuàng)設問題情境。學生通過構建模型教具的過程，已經理解基因工程的過程和原理。那么，判斷基因工程成功的依據是什么？可利用教材抗蟲棉的例子，設問如何判斷抗蟲棉的轉基因技術是否成功？蟲子的存活與否就可以判斷。通過情境知識的遷移，學生能認識大腸桿菌合成人胰島素即為大腸桿菌轉基因技術的成功。教師進一步追問：大腸桿菌是原核生物，卻能合成人（真核生物）的胰島素蛋白，這說明了什么？此時，學生可能出現(xiàn)思維上的卡頓，教師需要給一定的“小臺階”，可再追問：回憶基因指導蛋白質合成的過程？引導學生思考答出轉錄和翻譯過程，回憶轉錄的產物和mRNA在翻譯過程的重要作用。最后，教師提問既然大腸桿菌能合成人的胰島素蛋白，說明了什么？學生自然就能分析出因為密碼子相同。教師引導學生分析歸納出基因工程的第三個原理：所有生物共用同一套密碼子。

教師提出問題：大腸桿菌合成的人胰島素蛋白能直接拿來用嗎？引導學生分析出因為大腸桿菌沒有內質網、高爾基體等復雜細胞器，無法完成蛋白質的加工。理解大腸桿菌合成人的胰島素蛋白存在需要進一步加工的缺點。教師追問：如何改進？引導學生分析推理出將大腸桿菌改用為酵母菌為受體細胞即可。

設計意圖：教師基于模型教具的應用，創(chuàng)設問題情境，引導學生推理分析出基因工程成功的標志及基因工程的原理。

實踐感悟：雖然學生對于篩選步驟的具體操作方法很感興趣，但因為本課時是合格性考試的復習課，所以詳細篩選的相關知識并不在此時介紹。但學生必須知道基因工程成功的依據，真正理解基因工程的第三個原理。教師利用構建的模型教具，創(chuàng)設問題情境，層層深入，逐步剖析，引導學生思考推理，尋找出答案。促進了學生科學思維的發(fā)展。

3教學反思

本節(jié)課以大腸桿菌合成人的胰島素為主體情景，摒棄傳統(tǒng)的講授式為主的課堂教學形式，適切地利用構建模型教具，引導學生在活動操作中體驗知識過程，促進科學思維的發(fā)展。小組合作、探究學習完成活動任務，學生參與活動的積極性很高。同時，在真實的教具剪切的體驗過程中，增強了學生對抽象的生命過程理解。但幾次教學實踐后，發(fā)現(xiàn)幾個問題，給出如下建議：

1課堂時間緊張，建議模型設計上進行優(yōu)化，例如將GAATTC序列設置好陰影背景，方便學生快速找到。教師指導學生構建模型時一定要步驟明確，設問注意指向明確等，以節(jié)省時間、提高效率。

2教師指導學生構建模型的策略可以多樣化，可以單獨分析，可以小組合作，可以鼓勵效率高能力強的學生幫助周圍的同學等，豐富課堂形式。

3評價學生的形式可以多樣化，除了教師對學生的點評，應該鼓勵學生展示自己的成果，評價自己的成果，也可以是學生評價學生的成果等，讓不同層

次的學生在課堂上得到發(fā)展。

參考文獻：

[1]普通高中生物學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.1.

[2]戴赟，黃建書，劉鍵.基于模型建構的“基因工程”一節(jié)的高三復習教學設計[J].生物學教學，2017，42（3）：30-33.