基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的“基因工程

詹琪芳

摘要：通過(guò)設(shè)置層層問(wèn)題，幫助學(xué)生理解基因工程中限制酶的作用特點(diǎn)，其與電泳技術(shù)在目的基因及質(zhì)粒獲取中的具體應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維的習(xí)慣和科學(xué)探究的能力。

關(guān)鍵詞：基因工程限制酶問(wèn)題驅(qū)動(dòng)

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

1教材分析和設(shè)計(jì)思路

《基因工程》是滬教版高中《生命科學(xué)》第二冊(cè)第六章第三節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)是復(fù)習(xí)課的第1課時(shí)，主題是“限制酶”。經(jīng)過(guò)高一的學(xué)習(xí)，高二學(xué)生對(duì)限制酶已有初步認(rèn)識(shí)，但對(duì)教材中“用與切取目的基因相同的限制酶將質(zhì)粒切開(kāi)”這句話的理解存在偏差：為什么要用“相同的”限制酶切取目的基因和質(zhì)粒？是否一定要用“相同的”限制酶？如何獲得成功重組的質(zhì)粒？電泳技術(shù)、酶切片段的計(jì)算怎么輔助基因工程順利完成？……為解決這一系列問(wèn)題，本節(jié)設(shè)計(jì)為基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的遇到問(wèn)題——解決問(wèn)題的方式遞進(jìn)教學(xué)，輔以自制軟磁教具，讓學(xué)生重新認(rèn)識(shí)限制酶及重組質(zhì)粒的制備。期間，學(xué)生嘗試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，熟悉科學(xué)探究的基本思路和方法，使抽象的DNA片段連接與酶切形象化，培養(yǎng)了邏輯思維能力。限制酶的作用特點(diǎn)和“相同的”限制酶是教學(xué)重點(diǎn)，“如何精確制備重組質(zhì)粒”是教學(xué)難點(diǎn)。通過(guò)觀察不同限制酶的作用位點(diǎn)，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試歸納其特點(diǎn)，書(shū)寫(xiě)、比較、連接不同限制酶形成的黏性末端，加深對(duì)限制酶作用特點(diǎn)的理解;讓學(xué)生基于問(wèn)題辨析重新連接的基因片段的特征，理解環(huán)形的重組質(zhì)粒被切后的片段計(jì)算及電泳圖譜作為一種技術(shù)手段在基因片段分離中所起的作用，突破難點(diǎn)。

2教學(xué)目標(biāo)

①掌握限制酶的特點(diǎn);理解用“相同的”限制酶切割目的基因和質(zhì)粒的實(shí)質(zhì);理解酶切片段的計(jì)算和電泳圖譜在制備重組質(zhì)粒中的運(yùn)用。

②通過(guò)比較限制酶酶切位點(diǎn)、書(shū)寫(xiě)、切割、拼接基因片段，關(guān)注歸納與概括方法的運(yùn)用;通過(guò)計(jì)算酶切片段，分析電泳圖譜，經(jīng)歷重組質(zhì)粒的制備過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力。

③通過(guò)限制酶、電泳技術(shù)和酶切片段的計(jì)算之間的關(guān)系，懂得基因工程是一種基于理論的基因重組技術(shù)。

3教學(xué)過(guò)程

3.1復(fù)習(xí)舊知，導(dǎo)入新課

教師提出3個(gè)問(wèn)題：基因工程的基本過(guò)程是什么？用到哪兩種工具酶？它們的作用是什么？學(xué)生回憶、復(fù)習(xí)舊知，為新課的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)課的開(kāi)場(chǎng)簡(jiǎn)單直接，教師利用3個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生迅速進(jìn)入狀態(tài)，簡(jiǎn)要回顧基因工程的4個(gè)基本步驟和2個(gè)工具酶，構(gòu)建基因工程的總體知識(shí)框架，引出限制酶的專題復(fù)習(xí)。

3.2限制酶的作用特點(diǎn)

教師展示3種不同的限制酶的作用位點(diǎn)（表1），引導(dǎo)學(xué)生觀察、比較，并提出問(wèn)題：3種限制酶的識(shí)別序列相同嗎？切割位點(diǎn)相同嗎？限制酶的作用特點(diǎn)是什么？在教師的啟發(fā)提問(wèn)下，學(xué)生概括限制酶的特點(diǎn)，即識(shí)別特定序列、切割專一位點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)比較識(shí)別序列的差異性，學(xué)生認(rèn)識(shí)到限制酶作用的特異性，并嘗試用概括性的語(yǔ)言進(jìn)行描述，培養(yǎng)觀察、比較和歸納的能力。

3.2.1正確認(rèn)識(shí)黏性末端

以EcoRI為例，請(qǐng)學(xué)生按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則寫(xiě)出DNA的另外1條鏈，再標(biāo)出另1條鏈上的酶切位點(diǎn)，最后寫(xiě)出酶切后的黏性末端（圖1）。

接著，學(xué)生仔細(xì)觀察、比較2個(gè)黏性末端，教師提問(wèn)：切出的2個(gè)黏性末端一樣嗎？它們能重新連起來(lái)嗎？為什么能再連起來(lái)？還需要什么酶的幫助？連起來(lái)后能再次被EcoR I切開(kāi)嗎？學(xué)生思考作答。再請(qǐng)學(xué)生利用軟磁教具模擬酶切過(guò)程，剪切出BamH I和BclI酶切后的黏性末端（圖2和圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)書(shū)寫(xiě)、剪切、觀察，熟悉限制酶的作用方式、黏性末端再次連接的特點(diǎn)及堿基互補(bǔ)配對(duì)在此過(guò)程中的應(yīng)用，強(qiáng)化教學(xué)重點(diǎn)。

3.2.2透徹理解“相同的”限制酶的概念

教師引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察BamH I和BclI作用后的黏性末端，思考問(wèn)題：它們的黏性末端相同嗎？可以相連嗎？學(xué)生嘗試用軟磁教具拼接，教師提問(wèn)：如何理解教材中“用與切取目的基因相同的限制酶將質(zhì)粒切開(kāi)”這句話？基因工程中必須用“相同的”限制酶作用目的基因和質(zhì)粒嗎？可以用不同的限制酶嗎？如果選擇不同的限制酶，它們需要具有什么特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)2種限制酶切黏性末端的剪切、連接，學(xué)生明白限制酶雖然不同，但能切出相同的黏性末端，DNA片段就能相互連接。目的基因與質(zhì)粒相連的本質(zhì)是具有相同的黏性末端，因此要選擇能切出“相同黏性末端”的限制酶。

3.2.3辨析限制酶的作用特點(diǎn)

教師請(qǐng)學(xué)生再次觀察圖4，思考：這個(gè)新形成的DNA序列能被BamHI或BclI切開(kāi)嗎？為什么？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生再次熟悉限制酶的作用特點(diǎn)——識(shí)別特定序列，切割專一位點(diǎn);認(rèn)識(shí)到一旦識(shí)別序列改變，限制酶將無(wú)法作用。這個(gè)小環(huán)節(jié)不僅能為使學(xué)生鞏固剛才吸納的知識(shí)，還為后續(xù)的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行了鋪墊。

3.3相同的限制酶的實(shí)質(zhì)

3.3.1限制酶的選擇

教師創(chuàng)設(shè)情境：請(qǐng)幫助某位在課外興趣活動(dòng)小組進(jìn)行基因工程實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，選擇出合適的限制酶和質(zhì)粒（圖5），并說(shuō)出理由。

學(xué)生甲：我選擇BamHI切取目的基因，因?yàn)樗梢郧谐稣文康幕颉?/p>

學(xué)生乙：我認(rèn)為只選用BamH I會(huì)使目的基因片段具有相同的黏性末端，會(huì)發(fā)生自身環(huán)化現(xiàn)象，我選擇BamHI和EeoRI同時(shí)切取目的基因，產(chǎn)生不同的黏性末端，可以避免自身環(huán)化。

學(xué)生丙：我選擇質(zhì)粒C作為運(yùn)載體，因?yàn)锳沒(méi)有酶切位點(diǎn)，B只有1個(gè)，而C可以切出和目的基因相同的黏性末端，所以作為運(yùn)載體較為合適。

學(xué)生?。何矣X(jué)得質(zhì)粒D也是可以的，雖然BamHI和BclI是不同的限制酶，但它們能切出相同的黏性末端，目的基因可以連接在質(zhì)粒上。

學(xué)生戊：如果選擇BamH I切取目的基因和質(zhì)粒B，雖然會(huì)發(fā)生自身環(huán)化，但也存在不環(huán)化的概率，所以也是可以的。

設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)環(huán)節(jié)在前一部分認(rèn)知的基礎(chǔ)上，學(xué)生充分討論并思考，在挑選限制酶時(shí)，進(jìn)一步認(rèn)清楚限制酶的作用本質(zhì)和黏性末端的作用;在挑選運(yùn)載體時(shí)，認(rèn)識(shí)到要選取能產(chǎn)生相同黏性末端的限制酶切取質(zhì)粒。

3.3.2基因片段的分離

教師接著提問(wèn)：如果選用BamH I和EcoR I切取目的基因，會(huì)得到幾個(gè)片段？這些片段的末端具有什么特征？如何得到只含有目的基因的片段？學(xué)生思考后回答共得到4個(gè)片段，其中有1個(gè)小片段具有和目的基因片段相同的黏性末端。教師繼續(xù)啟發(fā)引導(dǎo)：有什么方法可以將它們區(qū)分開(kāi)？從而引入電泳技術(shù)，讓學(xué)生簡(jiǎn)單了解：DNA在一定的電場(chǎng)力作用下會(huì)向正極泳動(dòng)，DNA分子越大，泳動(dòng)越慢，從而可以將分子量大小不同的DNA片段分離開(kāi)，再通過(guò)溶解凝膠將所需片段回收純化。

設(shè)計(jì)意圖：思考通過(guò)2種酶切取目的基因，明白實(shí)際操作中獲取目的基因的不易，也知道電泳技術(shù)在基因工程中的運(yùn)用，幫助分離不同分子量的DNA片段，獲得單一的含有目的基因的片段。

3.3.3酶切片段的計(jì)算

教師繼續(xù)思維拓展，趁勢(shì)發(fā)問(wèn)：如果DNA片段的長(zhǎng)度相等怎么區(qū)分？單純依靠電泳技術(shù)可以嗎？并向?qū)W生展示圖6的目的基因和質(zhì)粒，引導(dǎo)學(xué)生思考如何借助限制酶及電泳技術(shù)得到正確的重組質(zhì)粒。

學(xué)生討論后，給出了較為清晰的分析過(guò)程：①選擇BamH I和BclI切取目的基因，用BamHI切取質(zhì)粒;②用DNA連接酶連接獲取重組質(zhì)粒。教師提問(wèn)：有幾種重組質(zhì)粒？如何區(qū)分？學(xué)生展開(kāi)小組討論，畫(huà)出兩種不同的重組質(zhì)粒（圖7）。

教師啟發(fā)學(xué)生比較兩種重組質(zhì)粒的不同，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行區(qū)分。學(xué)生注意到重組質(zhì)粒上均有EcoR I的酶切位點(diǎn)，結(jié)合剛才歸納的知識(shí)點(diǎn)——分別用BamH I和Bel I切出的黏性末端雖能相連，卻不能被它們?cè)俅吻虚_(kāi)，但如果都是用BamH I切開(kāi)的黏性末端相連，卻可以再次被切開(kāi)。

經(jīng)過(guò)討論思考，學(xué)生設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案：先用BamH I和EcoR I切取兩種重組質(zhì)粒，再用電泳法分離。若分離出長(zhǎng)度為1.4kb和6.8kb的DNA片段，表明這個(gè)是反向連接的重組質(zhì)粒，棄之;若分離出長(zhǎng)度為4.2kb和4.0kb的DNA片段，回收之后用DNA連接酶連接，獲得正向連接的重組質(zhì)粒。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)計(jì)算限制酶、電泳技術(shù)和酶切片段的關(guān)系，初步掌握科學(xué)探究的基本思路，懂得基因工程是一種既重理論又重實(shí)踐的基因重組技術(shù)。

4教學(xué)反思

這節(jié)課是基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)來(lái)設(shè)計(jì)的，圍繞著基因工程中的重要工具限制酶逐步展開(kāi)。問(wèn)題的設(shè)計(jì)注重邏輯性，每個(gè)問(wèn)題的解決都是建立在舊知的熟練與鞏固之上，解決舊問(wèn)題，產(chǎn)生新問(wèn)題。教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題注重層次性、邏輯性，問(wèn)題可大可小，大的問(wèn)題激發(fā)學(xué)生的思維活躍度，讓學(xué)生從更高的視角在不同的知識(shí)點(diǎn)間建立聯(lián)系;小的問(wèn)題聚焦某個(gè)具體細(xì)節(jié)，關(guān)注過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，加大對(duì)知識(shí)的思考深度。基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的課堂教學(xué)能促使學(xué)生自始至終都在思考，能全面、透徹、深入地理解限制酶的作用特點(diǎn)，在基因工程中發(fā)揮的重要作用。這節(jié)課上，學(xué)生思維活躍，師生間的互動(dòng)較強(qiáng)，學(xué)生的邏輯思維習(xí)慣和科學(xué)探究能力有了一定程度的提升，學(xué)生非常享受知識(shí)的獲取與問(wèn)題的解決過(guò)程。遺憾的是缺少一定的生活情境，如果能夠讓學(xué)生真正運(yùn)用限制酶解決基因工程中的某個(gè)實(shí)際問(wèn)題就更好了。