基于模型建構的“基因工程”一節的高三復習教學設計

戴 赟 黃建書 劉 鍵

(1上海市文來中學 2上海市七寶中學 201101)

1 教材分析和設計思路

“基因工程”是上海高中生命科學教材第2冊第6章第3節的內容，擬解決的關鍵問題是“基因工程的步驟有哪些？”對這一問題的認識是理解轉基因技術的基礎，有助于加深基因工程兩大理論基礎——“DNA雙螺旋結構”和“中心法則”的理解，有助于對生物工程形成系統和完整的認識。整節內容包括基因工程的概念、3種工具、4個步驟，轉基因技術的應用和轉基因生物產品的安全性等。根據課程標準，“基因工程的基本過程及其應用”和“轉基因作物和動物”的學習水平分別為B級和A級。其中，基因工程的基本步驟、3種工具的名稱和作用、轉基因技術的應用和安全性問題等歷來是學業水平測試和高考考查的重點之一。由于基因工程屬于分子水平的操作，微觀、復雜，僅利用教材中的文字和圖，空間想象依舊有較大難度。同時，基因工程技術要求高、儀器復雜，又難以在中學實驗演示。

筆者設計并實施了一系列基于模型建構的模擬活動，利用形象思維促進抽象思維能力，很好地化解了基因工程的學習難點。

2 教學目標

2.1 知識與技能目標 明確基因工程的基本步驟，形成正確的質粒選擇策略、限制酶選擇策略、質粒標記基因的運用策略，理解3種受體細胞的產生。

2.2 過程與方法目標 經歷模擬活動，理解基因工程中的一些操作策略；參與探究活動，體驗科學發現、形成結論的過程；提高自主學習和合作探究的能力。

2.3 情感態度與價值觀目標 感受合作探究的樂趣，培養實事求是的精神。

3 教學過程

3.1 課前活動——基因工程中的“剪”和“粘”的練習

準備小組活動材料：DNA分子3個(圖1，紙質，長度為A4紙高)，陰影部分示限制酶識別序列，切割位點以↓示意(G↓AATTC；G↓AATTC；T↓GATCA)；含有目的基因的DNA片段1個(圖2，長度為A4紙高，兩側陰影部分的限制酶識別序列和切割位點為G↓AATTC)；質粒1個(圖3，A4紙大小，含一個限制酶酶切位點為G↓AATTC)；剪刀；訂書機；膠水；透明膠帶。

活動步驟指導：①用給定的兩種限制酶對DNA1、DNA2、DNA3分子完成切割。想一想用什么模擬限制酶？切割后，3個左邊的DNA分子片段與3個右邊的DNA分子片段能否拼成新的DNA分子？②找到目的基因兩端和質粒中的限制酶的識別序列和酶切位點，用相應的限制酶完成2個DNA分子的切割，觀察目的基因能否與質粒構建重組DNA分子？思考用什么工具模擬DNA連接酶，怎么使用DNA連接酶以完成重組DNA分子的建構？然后完成重組DNA分子的建構。

圖1 DNA分子3個片段

圖2 含有目的基因的DNA片段

圖3 質粒

提示：①剪刀模擬限制酶。其中限制酶1的識別序列和切割位點(以↓示意)：G↓AATTC；限制酶2的識別序列和切割位點為T↓GATCA。切割完成后，只有黏性末端相同的DNA片段才能相互連接。②用訂書機、膠水、透明膠等模擬DNA連接酶，并完成雙鏈粘連。

設計意圖：讓學生體驗基因工程中限制酶的作用特點，體會DNA連接酶的作用條件；體驗獲取目的基因、并將目的基因與運載體重組得到重組DNA分子的步驟。

3.2 課堂活動1——體驗質粒的選擇、限制酶的選擇，分析使用DNA連接酶后環狀產物的類型 準備小組活動材料：2個相同的含目的基因的DNA片段(圖4，用粉色紙)；3個不同質粒(圖4，長度為A4紙高，需要兩端連接成環，質粒1用白色紙、質粒2用黃色紙、質粒3用藍色紙)；剪刀，透明膠帶。

活動步驟指導：①在3種質粒中選出適于建構重組質粒的2種質粒。思考質粒作為運載體所需要滿足的條件有哪些；②給出4種限制酶的識別序列和切割位點(PstⅠ：CTGCA↓G；HindⅢ：A↓AGCTT；HapⅡ：C↓CGG；BamHⅠ：G↓GATCC)，仔細觀察含目的基因DNA片段中的序列信息，據此選擇限制酶，并記下其名稱和切割產物；③完成重組質粒的建構方案；④利用所給工具制作2個重組質粒；⑤將多個目的基因與多個質?；旌嫌谠嚬苤?，能形成多少種產物(只考慮自身環化和兩兩連接兩種情況，結果記錄于表1中)？比較兩種方案，哪種獲得重組質粒的概率更高？為什么？

圖4 含目的基因的DNA片段、質粒1、質粒2、質粒3示意圖

提示：①選出質粒2(黃色)和質粒3(藍色)用于構建重組質粒，因為質粒1(白色)沒有標記基因無法用于篩選(質粒作為運載體通常要滿足具有復制原點、酶切位點、標記基因3點)；②選擇限制酶時，要注意不能破壞目的基因，所以不能使用限制酶PstⅠ；③重組質粒的構建方案是: 黃色質粒2和目的基因都用HindⅢ切割(單酶切)后組成重組質粒1，藍色質粒3和目的基因用HapⅡ和BamHⅠ雙酶切后組成重組質粒2(圖5)；④單酶切的環狀產物有5種：質粒自身環化、目的基因自身環化、質粒-質粒、目的基因-質粒、目的基因-目的基因；雙酶切的環狀產物有3種：質粒-質粒、目的基因-質粒、目的基因-目的基因(圖6)；⑤與單酶切相比，雙酶切可以通過防止自身環化而提高重組質粒的獲得率。

設計意圖：利用給定材料完成兩個重組質粒的建構，體會質粒選擇、限制酶選擇等策略在重組質粒建構中的意義，并完成產物類型分析。

3.3 課堂活動2——將重組質粒導入受體細胞過程的體驗和受體細胞的類型分析 準備小組活動材料：單酶切的5種環狀產物或雙酶切的3種環狀產物，大腸桿菌若干(圖7，長度為A4紙高打印，無質粒，作受體細胞)。

活動步驟指導：①根據酶切產物分析導入受體細胞后存在兩種情況;②選擇能導入受體細胞并存在的環狀產物，集中后在1米高處投向受體細胞以模擬“導入”過程，1～2分鐘內可多次“投”，發現另外1種類型的導入情況。

圖5 重組質粒

圖6 試管中環狀產物類型分析結果

圖7 大腸桿菌

提示：①單酶切的5種環狀產物中，“目的基因自身環化”和“目的基因-目的基因”2種環狀產物導入受體細胞后會被核酸酶分解，“質粒自身環化”“質粒-質粒”“目的基因-質粒”3種產物導入受體細胞后可以存在；從遺傳物質的組成看，導入后的受體細胞可以分為含普通質粒的受體細胞和含重組質粒的受體細胞2類；雙酶切的3種產物導入受體細胞后情況類似；②模擬導入過程可發現第3種情況——未導入外源產物的受體細胞。

設計意圖：根據前一活動中的產物類型，從遺傳組成的角度分析受體細胞有含普通質粒的和含重組質粒的2類，利用重組質粒導入受體細胞的模擬活動，發現試管中的第3種情況(圖略)。

3.4 課堂活動3——標記基因在“篩選含目的基因的受體細胞”步驟中作用的分析 活動材料：前面活動所得的3種受體細胞。

活動步驟指導：①用含氨芐青霉素的平板培養基來篩選前面所得的3種受體細胞，篩選結果填入表2；②仔細分析雙標記基因的基因工程操作流程(圖略)，利用上述A、B兩種平板進行篩選的結果填入表3。

表2 單標記基因質粒的基因工程篩選結果

(“+”表示受體細胞能存活，“-”表示受體細胞不能存活)

提示：①單標記基因質粒的基因工程的篩選中，未導入的受體細胞不能存活，含普通質粒的受體細胞和含重組質粒的受體細胞都能在含氨芐青霉素的平板上生長，故無法用該方法直接篩選出含目的基因的受體細胞；②雙標記基因質粒的基因工程的篩選中，未導入的受體細胞在兩種培養基上都不能存活，含普通質粒的受體細胞則在兩種培養基上都能存活。只有含重組質粒的受體細胞才能出現在一種抗生素平板中能出現菌落，在另一種抗生素平板中不能形成菌落的結果，從而區別于其他兩種受體細胞。

表3 雙標記基因質粒的基因工程篩選結果

(“+”表示受體細胞能存活，“-”表示受體細胞不能存活)

設計意圖：幫助學生理解標記基因在篩選中的作用，體會質粒中標記基因不同可以導致篩選的不同結果，形成相應的質粒選擇或改造策略。

4 教學反思

本節課的設計突破了基因工程的教學以講授為主的教學形式，借助巧妙設計的活動素材和層層遞進的問題串，引導學生在動手操作中體驗、內化操作策略，化解學習難點，提升思維能力。在實際教學中，學生們參與熱情高，在積極地思維碰撞中找到問題解決的方案，形成操作策略。同時，學生在剪貼過程中對DNA分子長度改變的感性認識，將有助于之后的DNA長度定量分析。但教學中有個別組由于對限制酶的作用特點的了解和運用能力不足，致使在完成課堂活動1時遇到了困難，因此教學中需要注意對課前模擬活動進行質量把控，為學生順利進行本節課內容的學習打下扎實基礎。