“蛋白質(zhì)工程的崛起”教學(xué)設(shè)計

蘇近娣

1 教材分析和設(shè)計思路

“蛋白質(zhì)工程的崛起”是人教版選修三《現(xiàn)代生物科技專題》第一專題“基因工程”第四節(jié)的內(nèi)容。本專題的前三節(jié)內(nèi)容圍繞基因工程，分別介紹了基因工程所需的基本工具、基本操作程序和應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容中蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸，屬于第二代基因工程。其崛起是因為原有的基因工程不能完全滿足人們生產(chǎn)或生活的需求，人們呼喚新技術(shù)的產(chǎn)生去解決一系列遇到的難題。同時，科技的發(fā)展離不開理論的創(chuàng)新和技術(shù)的突破。因此，本節(jié)課中教學(xué)情景的設(shè)計主線按“問題—探究—新問題—新探究”的線索進行，同時在探究解決新問題的過程中建構(gòu)蛋白質(zhì)工程的概念。

根據(jù)《普通高中生物課程標準（實驗）》對選修三《現(xiàn)代生物科技專題》這一模塊的教學(xué)要求，本節(jié)課在設(shè)計情感目標時，通過介紹現(xiàn)代生物科學(xué)和技術(shù)中一些重要領(lǐng)域的研究熱點、發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景，以開拓學(xué)生視野，增強科技意識，激發(fā)學(xué)生探索生命奧秘和熱愛生物科學(xué)的情感，同時培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和發(fā)展學(xué)生的探究能力，讓學(xué)生體會到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開基礎(chǔ)理論的研究和技術(shù)的支持。

2 教學(xué)目標

2.1 知識目標

① 舉例說明蛋白質(zhì)工程崛起的緣由；

② 描述蛋白質(zhì)工程的定義以及原理、意義。

2.2 能力目標

① 通過聯(lián)系生活中熟悉的事物來類比蛋白質(zhì)工程的設(shè)計原理，提高思維的遷移能力；

② 通過對干擾素在生活中的應(yīng)用所遇到的問題的探究，學(xué)會運用生物學(xué)原理和逆向思維解決問題。

2.3 情感、態(tài)度與價值觀目標

① 關(guān)注生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，積極主動探究生命奧秘；

② 養(yǎng)成關(guān)注生物技術(shù)安全性的習(xí)慣；

③認同科學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開技術(shù)和理論的支持。

3 教學(xué)過程

3.1 用工廠產(chǎn)品生產(chǎn)的案例搭建支架，讓學(xué)生順利跨上思維的臺階

教師通過展示橡皮泥中熟悉的模具和工廠中的模具，引入生命的模具，進行類比導(dǎo)入新課。教師首先展示學(xué)生所熟悉的橡皮泥和其中的模具等圖片，既喚起了學(xué)生對兒童時代的回憶，激發(fā)其興趣，又讓學(xué)生明白模具和相應(yīng)產(chǎn)品的對應(yīng)關(guān)系。再展示工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的一些模具，簡單介紹生活中很多橡膠、塑料的，甚至是金屬的產(chǎn)品都是利用模具通過一定的方式生產(chǎn)出來的。繼而提出問題：如果某工廠利用原有模具生產(chǎn)一批標準螺絲。現(xiàn)由于客戶的需求，需要對標準螺絲增加半圈螺紋。你會有什么建議？學(xué)生提出了三種方案：直接對生產(chǎn)的標準螺絲（產(chǎn)品）進行改造、重新制一新的模具、對原模具作一改動后再生產(chǎn)。最后學(xué)生對所提出的方案進行討論，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中除了保證產(chǎn)品的質(zhì)量外，還要考慮生產(chǎn)成本。一致認為對原模具作一微小改動，再利用改動的模具繼續(xù)進行生產(chǎn)是最佳方案。

教師提出：在生物體內(nèi)，也存在著生命的模具和產(chǎn)品。并展示圖片：生命的模具—“DNA分子”和產(chǎn)品—“蛋白質(zhì)”分子。教師運用學(xué)生所熟悉的事物，類比蛋白質(zhì)工程的設(shè)計原理，為后面學(xué)生對蛋白質(zhì)進行改造的思考作鋪墊。

3.2 以干擾素的改造和生產(chǎn)歷程的實例，讓學(xué)生體會蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

師：干擾素是動物或人體細胞受到病毒侵染后產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所有病毒的感染。在細胞內(nèi)的干擾素基因是如何指導(dǎo)干擾素的合成的？

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧基因和蛋白質(zhì)之間的聯(lián)系，為蛋白質(zhì)工程的實施提供理論基礎(chǔ)。

師：干擾素因為是抗病毒的特效藥，可用于醫(yī)學(xué)治療。傳統(tǒng)的方法是從人血液的白細胞中提取的。每300 L血液中提取1 mg。用傳統(tǒng)的方法獲取人的干擾素有何缺陷？（產(chǎn)量低，純度低）如何能大量生產(chǎn)純度較高的人的干擾素？（學(xué)生提出了兩種方案：① 直接合成干擾素；② 通過基因工程來大量生產(chǎn)人的干擾素。）

經(jīng)過討論，學(xué)生認識到由于目前的技術(shù)還不能直接合成干擾素，而基因工程技術(shù)相對成熟，因此方案二較合適。

這時，教師呈現(xiàn)資料：1980～1982年，科學(xué)家用基因工程的方法在大腸桿菌及酵母菌細胞內(nèi)獲得了干擾素。大量生產(chǎn)后的干擾素在體外很難保存。如何使干擾素在體外容易保存？

（提示：經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)將干擾素中第17位的半胱氨酸變成絲氨酸，則可在-70℃的條件下保存半年。）

學(xué)生提出方案：

① 直接改造干擾素的第17位半胱胺酸；

② 直接合成易于保存的半胱氨酸；

③ 改造干擾素基因。

這三種方案與前面工廠中對產(chǎn)品的改造方案具有類似的原理。因此學(xué)生在對提出的方案的可行性及優(yōu)缺點綜合討論時，一致認為對干擾素基因進行改造比較好。這種方案的優(yōu)點是易改造，可遺傳。同時經(jīng)過小組討論，提出：要使干擾素易于保存，根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定功能，最好進行以下操作改造蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)→去改變蛋白質(zhì)中氨基的序列→推測mRNA中的堿基序列→推知基因中的堿基序列→人工定向地去改造干擾素基因。

那么能否對干擾素基因進行定向改造呢？教師提供資料、目前基因定點誘變技術(shù)的操作方法很多，改造基因是可行的，而改造后的干擾素基因在細胞內(nèi)可以生產(chǎn)出具有新功能的干擾素了。

教師引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)得到具有新功能蛋白質(zhì)的流程（圖1）。

教師適時提出：所闡述的這一流程就是蛋白質(zhì)工程的流程。通過蛋白質(zhì)工程，可以生產(chǎn)出自然界中所不具有的符合人們生產(chǎn)生活要求的蛋白質(zhì)。

教師追問：在生產(chǎn)中，要大量獲得易于保存的干擾素。如何實現(xiàn)？

學(xué)生領(lǐng)悟：對干擾素基因進行改造后，改造了基因仍可通過基因工程來生產(chǎn)，從而大量生產(chǎn)所需要的蛋白質(zhì)。因此，蛋白質(zhì)工程是第二代基因工程，是基因工程的延伸。和傳統(tǒng)的基因工程相比，它導(dǎo)入的是改造了的基因，得到的是改造了的具有新功能的蛋白質(zhì)。

教師以具體的實例出發(fā)，通過設(shè)置問題，層層推進，最后解決問題。

3.3 結(jié)合干擾素實施改造的歷程，讓學(xué)生自主構(gòu)建蛋白質(zhì)工程的概念

教師要求學(xué)生討論：① 根據(jù)干擾素的實施改造的歷程，你認為蛋白質(zhì)工程崛起的原因是什么？你能列舉哪些蛋白質(zhì)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用？

本問題是要引導(dǎo)學(xué)生思考蛋白質(zhì)工程的目的，從而讓學(xué)生體會到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是為解決生產(chǎn)和生活中的問題，為生產(chǎn)和生活所服務(wù)的。同時結(jié)合學(xué)生列舉的酶在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，適時介紹“酶工程”。并指出，酶工程的重點是對已存在酶的合理充分利用，其缺點是酶發(fā)揮作用易受環(huán)境因素的影響。蛋白質(zhì)工程能實現(xiàn)對已存在的蛋白質(zhì)進行改造，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，將會使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。

② 你認為要實施蛋白質(zhì)工程，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的改造。最基礎(chǔ)的理論條件是什么？

本問題的目的是讓學(xué)生體會到技術(shù)的發(fā)展離不開理論的研究和技術(shù)的支持。蛋白質(zhì)的新功能必須通過改變其結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。蛋白質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究是其基礎(chǔ)。教師適時介紹人類對蛋白質(zhì)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究進展、結(jié)晶牛胰島素、核磁共振波確定溶液中蛋白質(zhì)等生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法、人類蛋白質(zhì)組計劃等。

③ 能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

本問題的目的是通過學(xué)生的討論，進一步深化其熱愛和關(guān)注生物技術(shù)的情感，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

④ 從基因工程和蛋白質(zhì)工程的基本思路和最終得到的蛋白質(zhì)來看，你認為兩者有何不同點？通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你認為什么是蛋白質(zhì)工程？請你嘗試給蛋白質(zhì)工程下一個定義。

學(xué)生從蛋白質(zhì)工程的理論基礎(chǔ)、目的和實施流程等方面對蛋白質(zhì)工程理解進行了闡述，同學(xué)之間互相補充，共同構(gòu)建蛋白質(zhì)工程的概念。最后，師生共同打開課本，發(fā)現(xiàn)課本上的定義和學(xué)生的定義是一致的。

3.4 設(shè)計評價性問題，讓學(xué)生科學(xué)看待蛋白質(zhì)工程

各抒己見：蛋白質(zhì)工程可以獲得自然界中不存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的人工創(chuàng)造會不會是生命的禁忌呢？或許，它的成功意味著全新世界的到來？你是如何看待蛋白質(zhì)工程這一新技術(shù)的？

學(xué)生踴躍發(fā)言，培養(yǎng)了學(xué)生的社會責(zé)任感，對生物技術(shù)的理性思考和正確對待。

4 教學(xué)反思

4.1 搭建支架很重要

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計巧妙，運用學(xué)生熟悉的事物，類比蛋白質(zhì)工程的設(shè)計原理。通過將模具生產(chǎn)產(chǎn)品，來類比生命的模具DNA（基因）指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。為學(xué)生搭建支架，使學(xué)生順利遷移類比，解決新情境中的問題，降低了概念建構(gòu)的難度，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.2 問題設(shè)計仍關(guān)鍵

問題是探究的起點，沒有驅(qū)動性的問題，學(xué)生就沒有探究的欲望和沖動。本文圍線“干擾素的改造”這一真實而有現(xiàn)實意義的實例，設(shè)計一系列問題，層層推進，不斷深入，讓學(xué)生在整堂課中不斷積極思考，大膽猜想，相互啟發(fā)，觸發(fā)靈感。把概念建構(gòu)的過程分解成一個個有探究價值的問題解決過程，讓學(xué)生在解決這一系列問題的過程中重組知識，發(fā)展思維，提升能力。

4.3 關(guān)注技術(shù)是亮點

本節(jié)課中把對酶工程和人類蛋白質(zhì)組計劃等的適時介紹，放在相關(guān)問題的思考后，作為“拓展視野”進行處理，既避免了最后知識講座式呈現(xiàn)，同時還激發(fā)了學(xué)生對生物科技發(fā)展的高度關(guān)注和熱愛。最后讓學(xué)生談一談對蛋白質(zhì)工程的看法，引導(dǎo)學(xué)生認識到技術(shù)創(chuàng)新的同時，更要慎重考慮技術(shù)對生態(tài)、食品、健康等領(lǐng)域的安全問題。

4.4 課程資源為瓶頸

由于目前蛋白質(zhì)工程中成功的例子不多，而且中學(xué)老師由于自身理論水平等的限制，對于該工程所涉及的一些理論和新的技術(shù)，不能作深入介紹。