基于模型構(gòu)建的“基因工程”一節(jié)重難點(diǎn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

尚麗紅

基因工程這節(jié)課的內(nèi)容為高度抽象的分子生物學(xué)知識(shí)，其重難點(diǎn)是基因工程的工具和基因工程步驟這兩個(gè)抽象的理論知識(shí)。本文嘗試?yán)梦锢砟Ｐ秃透拍钅Ｐ徒?gòu)的教學(xué)方法突破本節(jié)課的重難點(diǎn)內(nèi)容，以期在生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)維度提高學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)，以此為實(shí)現(xiàn)學(xué)生的核心素養(yǎng)而貢獻(xiàn)生物學(xué)應(yīng)有的力量，為全面立德樹(shù)人發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1 教材分析

本節(jié)課的內(nèi)容包括基因工程的概念、三種工具、四個(gè)步驟，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用和轉(zhuǎn)基因生物產(chǎn)品的安全性等，前三個(gè)為主要的理論基礎(chǔ)，也是本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)。而關(guān)于其概念是高度抽象的總結(jié)理論，要對(duì)概念深刻理解就要理清基因工程的四個(gè)步驟和在每一步中用到的工具。過(guò)程清楚了，自然能夠結(jié)合過(guò)程說(shuō)出用到的工具和各自的基本功能，通過(guò)過(guò)程自然會(huì)形成基因工程概念的有意義構(gòu)建。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 導(dǎo)入新課

問(wèn)題導(dǎo)入：如果要將人控制合成胰島素的基因（以下簡(jiǎn)稱(chēng)人胰島素基因）導(dǎo)入大腸桿菌中，應(yīng)該怎樣操作呢？同時(shí)按組分發(fā)器材，如果分發(fā)給大家的器材中兩個(gè)杯子分別代表一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞和一個(gè)人體細(xì)胞，大家對(duì)代表大腸桿菌細(xì)胞和人體細(xì)胞的杯子分別做標(biāo)記，然后再檢查各個(gè)杯子中的紙條分別代表什么，有沒(méi)有不合理的地方。

設(shè)計(jì)意圖：提出問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生探究的積極性，通過(guò)模型模擬細(xì)胞并鞏固原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的區(qū)別，學(xué)生能夠很快根據(jù)杯子的大小指出分別代表的細(xì)胞，但是有的小組沒(méi)有注意到小杯子中的紙條沒(méi)有連接成環(huán)的問(wèn)題，通過(guò)教師提示和其他小組的修正展示幫助各個(gè)小組完善自己的細(xì)胞模型。過(guò)程如圖1。

3.2 利用模型逐步引導(dǎo)學(xué)生解決上課提出的探究問(wèn)題

（1）目的基因的獲取

師：“大家已經(jīng)都修正好了自己的大腸桿菌和人體細(xì)胞模型，那么接下來(lái)怎么樣將人胰島素基因?qū)氲酱竽c桿菌中呢？”

生：“從人體細(xì)胞中取出人胰島素基因?！?/p>

師：“但是人體基因有約3萬(wàn)個(gè)，怎樣找到這個(gè)特定的基因并將其取出來(lái)呢？”

生：“（根據(jù)預(yù)習(xí)回答）剪下來(lái)。”

師：“用什么剪呢？”

生：“剪刀?！?/p>

師：“在細(xì)胞中也可以用剪刀剪嗎？”

生：“不能?！?/p>

師：“那用什么呢？”

生：“用限制性核酸內(nèi)切酶，簡(jiǎn)稱(chēng)限制酶?！?/p>

師：“因此本模擬實(shí)驗(yàn)中的剪刀相當(dāng)于限制酶。在哪里剪開(kāi)呢？每個(gè)基因的兩段序列相同嗎？每種剪刀的剪切位點(diǎn)一樣嗎？剪開(kāi)的是DNA中的什么化學(xué)鍵？”

生：“（結(jié)合預(yù)習(xí)）根據(jù)目的基因的特點(diǎn)——特異性的剪切，每個(gè)基因的序列不同，因此剪切不同的目的基因需要不同的限制酶，剪開(kāi)的其實(shí)是DNA分子中的磷酸二酯鍵。”

師：“非常好，在上述情境中，像人胰島素基因在基因工程中稱(chēng)目的基因，其中大腸桿菌稱(chēng)受體細(xì)胞。其實(shí)這一步就是基因工程的第一步——目的基因的獲取，在這里我們用到了第一種工具——基因的剪刀（限制酶），大家看到了限制酶應(yīng)該具有專(zhuān)一性（如EcoRI只能特異性地識(shí)別GAATTC，并在G和A之間將DNA切成兩段），簡(jiǎn)單介紹限制酶切割形成的兩種末端。假設(shè)大家拿的剪刀就是EcoRI，大家分別來(lái)模擬切割過(guò)程?！?/p>

學(xué)生紛紛動(dòng)手剪切……

在教學(xué)過(guò)程中牽扯到的工具和材料如圖2所示。

（2）目的基因與運(yùn)載體的結(jié)合

在這個(gè)環(huán)節(jié)教師仍然提出問(wèn)題：目的基因被切割下來(lái)了，那么怎樣進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞呢？能自發(fā)地進(jìn)入嗎？學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)指出需要運(yùn)輸工具后，教師介紹常用的三種運(yùn)輸工具，并著重強(qiáng)調(diào)常用的運(yùn)載體質(zhì)粒的本質(zhì)是小型環(huán)狀DNA分子，具有多個(gè)酶切位點(diǎn)，有標(biāo)記基因的特點(diǎn)，再根據(jù)學(xué)生的操作，大家發(fā)現(xiàn)要將目的基因與運(yùn)載體結(jié)合必須將運(yùn)載體用同種限制性切割運(yùn)載體再與目的基因進(jìn)行連接。學(xué)生完成了這個(gè)過(guò)程，但有同學(xué)提出疑問(wèn)：在連接時(shí)只會(huì)有這一種連接方式嗎？大家共同探討還會(huì)形成質(zhì)粒自連環(huán)。目的基因自連環(huán)和多個(gè)目的基因與一個(gè)質(zhì)粒連接環(huán)、多個(gè)質(zhì)粒與一個(gè)目的基因連接的多種情況。為了將運(yùn)載體與目的基因連接需要用到基因的針線(xiàn)——DNA連接酶，指出其發(fā)揮作用的部位仍然是連接形成磷酸二酯鍵。如圖3。

（3）目的基因運(yùn)入受體細(xì)胞

通過(guò)一定的物理或化學(xué)方法將重組質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞大腸桿菌。

（4）目的基因的表達(dá)與檢測(cè)

根據(jù)前面的模型構(gòu)建，大家知道構(gòu)建重組質(zhì)粒時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種連接方式，并不是每個(gè)目的基因都會(huì)在受體細(xì)胞表達(dá)，因此要根據(jù)標(biāo)記基因進(jìn)行篩選并檢測(cè)目的基因的表達(dá)情況，從而得到有效的轉(zhuǎn)基因生物。

3.3 總結(jié)基因工程的三種工具，區(qū)別四種酶（如表1）

3.4 結(jié)合實(shí)例總結(jié)基因工程的概念

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合轉(zhuǎn)基因大腸桿菌得到的過(guò)程總結(jié)基因工程的概念，教師糾正表述，與課本概念對(duì)照理解基因工程的原理是跨種之間的基因重組。

4 總結(jié)

本節(jié)課通過(guò)模型構(gòu)建的方法，將抽象的不可見(jiàn)的分子水平的操作可視化，通過(guò)逐步引導(dǎo)學(xué)生得到轉(zhuǎn)基因大腸桿菌，學(xué)生都能夠積極參與課堂、積極思考。學(xué)生在操作的過(guò)程中提出了一些有意義的問(wèn)題，如限制酶是否會(huì)作用于氫鍵等，通過(guò)概念模型構(gòu)建的方式將基因工程的步驟內(nèi)化為結(jié)合實(shí)例的思維過(guò)程，突破了傳統(tǒng)的講授法枯燥抽象的弊端，通過(guò)自己親身解決問(wèn)題的過(guò)程總結(jié)用到的三種工具，并通過(guò)填表格的方式與前面學(xué)過(guò)的水解酶和DNA聚合酶做比較，學(xué)生很快找到兩者的差異并且鞏固了舊知，做到了將新舊知識(shí)有效地對(duì)接。最后，通過(guò)學(xué)生自己總結(jié)基因工程的概念，鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言組織能力和對(duì)概念表述的一般方法，通過(guò)教師糾正，幫助學(xué)生形成生物學(xué)概念表述的一般規(guī)范方式。整節(jié)課學(xué)生的積極性較高，思維活躍，基本每個(gè)同學(xué)都參與了進(jìn)來(lái)，但是由于我們的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，因此課程進(jìn)度較慢，一課時(shí)只完成了基因工程的理論部分內(nèi)容，關(guān)于后面的應(yīng)用只能通過(guò)學(xué)生結(jié)合課本搜集資料的方式去了解我們身邊的轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和轉(zhuǎn)基因在醫(yī)藥、環(huán)保方面的應(yīng)用。不過(guò)筆者驚喜地發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)課本中提到的應(yīng)用很容易理解，并且對(duì)于相關(guān)練習(xí)題的完成情況遠(yuǎn)優(yōu)于不做模型構(gòu)建的班級(jí)，這充分地說(shuō)明本節(jié)課適合模型構(gòu)建法。另外，本節(jié)課的整個(gè)過(guò)程通過(guò)探究的方式培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力、動(dòng)手能力和小組合作能力，為學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有很好的促進(jìn)作用。

高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)指出，本課程對(duì)高中生獨(dú)有的育人貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)為提高學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：生命觀(guān)念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任。本節(jié)課中對(duì)這幾方面的體現(xiàn)主要在以下幾個(gè)方面：通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因過(guò)程的模擬和演示讓學(xué)生能夠明白人之所以能夠產(chǎn)生胰島素是由于人體內(nèi)有指導(dǎo)產(chǎn)生胰島素的相關(guān)基因，而如果將胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，也能夠讓不能產(chǎn)生胰島素的大腸桿菌產(chǎn)生胰島素，至此使學(xué)生明白生物的性狀是由基因決定的，從而理解生命特征的物質(zhì)性，形成生命觀(guān)念的物質(zhì)觀(guān)。通過(guò)自己親手體驗(yàn)實(shí)施基因工程的過(guò)程，明白模型構(gòu)建的重要過(guò)程和研究方法，進(jìn)而提升學(xué)生的科學(xué)思維。另外，通過(guò)學(xué)生親自參與基因工程的過(guò)程，讓他們明白科學(xué)探究的一般過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程。最后，通過(guò)舉例說(shuō)明基因工程可以造福于人類(lèi)，但同時(shí)如果將某些致病基因轉(zhuǎn)入人體則有可能使人致病，從而引起健康問(wèn)題，如果是不法國(guó)家利用基因工程制作生物武器則有可能引起全世界的恐慌和世界戰(zhàn)爭(zhēng)，所以對(duì)基因工程這樣的現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)該審慎使用，在使用前要全面評(píng)估該技術(shù)可能引起的社會(huì)問(wèn)題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生形成正確的生命技術(shù)態(tài)度，以服務(wù)人民、改善人民的生物技術(shù)為好技術(shù)的價(jià)值觀(guān)念。

當(dāng)然高中生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)絕不是一兩節(jié)課就能實(shí)現(xiàn)的，只有通過(guò)一線(xiàn)教師持之以恒的不斷探索，針對(duì)不同課程內(nèi)容不斷地凝練大概念，不斷地細(xì)化教學(xué)過(guò)程，不斷研究課標(biāo)，認(rèn)真整合教材和生活中的教育資源才有可能為新一輪課改的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

（作者單位：舟曲縣第一中學(xué)）