“DNA重組技術的基本工具”一節的教學設計

楊二群

摘 要 根據“發現問題”“分析問題”到“解決問題”的規律，針對高中生物教學中“基因工程”這一難點進行設計，創設并充分利用情境展開教學，以問題串貫穿引領學生深入淺出，并通過模擬操作實驗變抽象為具體，幫助學生降低學習難度，把握重點。

關鍵詞 基因工程 限制酶 DNA連接酶 模擬操作 教學設計

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材和學情分析

“DNA重組技術的基本工具”是高中生物《選修3·現代生物科技專題》中“基因工程”專題的第一節教學內容。轉基因是當前社會的熱點話題，近些年各地高考生物試卷中關于基因工程的內容可謂是屢見不鮮，而學生對于此類題型得分率往往偏低，因此該內容是教學公認的重、難點。

學生得分低的根本原因還是基礎知識掌握不牢，沒有完全理解核心概念，在此前已經學習過必修二模塊的基因的本質、基因的表達等相關遺傳學知識，有了一定的知識基礎。但由于遺傳本身也是高中生物中的一個難點，且還間隔了一段時間，難免有所遺忘，再加上“基因工程”是分子水平的范疇，內容抽象，以往學生學習全靠想象，無法直觀地體會，學生學起來比較吃力。考慮到上述的這些因素，為提高教學效率，讓學生牢牢把握相關基礎知識，教師在教學設計中應做到合理利用科學史創設情境、適當復習回憶相關知識、化抽象為具體、由淺入深等來幫助學生克服難點。

2 教學目標

2.1 知識目標

理解基因工程的概念，簡述DNA重組技術所需的三種基本工具。

2.2 能力目標

模擬限制酶、DNA連接酶的作用過程。

2.3 情感、態度與價值觀目標

認同基因工程的誕生和發展離不開理論研究和技術的創新。

3 教學過程

3.1 巧設情境，通過兩個問題讓學生掌握基因工程的由來與概念

教師用多媒體展示綠色熒光海蜇與老鼠的兩張圖片，提出問題：“導致老鼠和海蜇性狀差異的根本原因是什么？”學生可能回答出“DNA”“染色體”“基因”“蛋白質”“RNA”等五花八門的答案。教師在給出“它們的DNA所攜帶的遺傳信息不同”這一正確答案后，明確生物性狀差異的根本原因在于遺傳信息上，直接原因在于蛋白質。之后，順便把學生回答的這些答案加以總結，利用PPT投影模擬圖，幫助學生回憶“染色體”“DNA”“基因”等概念的關系，強調基因是遺傳的基本單位，并在圖中指明DNA中的“磷酸二酯鍵”和“氫鍵”。

然后，教師再指出：在海蜇與老鼠的諸多差異中，有一種性狀老鼠是沒有的，那就是能發出綠色熒光。教師提出問題：“若老鼠也想發光，可以怎么做？”根據學生回答情況，有必要的話教師可以跟學生一起分析：海蜇能發出熒光的原因是什么？（海蜇體內有綠色熒光蛋白）追問：為什么海蜇體內能產生該蛋白而老鼠不能呢？根本原因是什么？（海蜇體內有綠色熒光蛋白基因，綠色熒光蛋白基因通過表達產生綠色熒光蛋白，而老鼠體內沒有該基因）

在此基礎上，有學生會提出要想老鼠發光可將海蜇的綠色熒光蛋白提取并植入老鼠體內，也有學生提出應該植入老鼠體內的是海蜇的綠色熒光蛋白基因。

對兩種方案進行討論比較，學生可很快得出：“向老鼠轉入綠色熒光蛋白使老鼠發光，效應不可持續，為了老鼠能夠持續具有熒光效應，應當給老鼠轉入綠色熒光蛋白基因，因為基因可遺傳。”

隨后，教師通過投影向學生展示綠色熒光老鼠和熒光豬的照片，并指出它們就是科學家利用即將要學習的“基因工程技術”所創造出來的，引導學生閱讀并理解書上的基因工程概念。教師強調基因工程是分子水平上的技術設計，是一種定向改造生物遺傳性狀的技術，基因工程所創造出的生物被形象地稱為轉基因生物，即轉入了外源基因的生物。

3.2 深挖情境，由淺入深引出基因工程操作中的三種工具

經過上一環節，學生明白了什么是轉基因生物，教師提出第三個關鍵問題：“假如你就是當初的科學家，要想把海蜇體內的綠色熒光蛋白基因轉接到老鼠體內，你需要擁有哪些工具？”因為有了前面的鋪墊，學生不難回答出需要有一種能夠把基因從相關DNA上剪切下來的工具、運輸到老鼠體內的工具以及連接工具（教師可根據具體情況引導學生思考）。在學生回答后，教師加以總結：科學家當年就是帶著同樣的目的去尋找這些工具，并于20世紀60～70年代，依次發現了符合要求的這些工具，它們依次是“限制性核酸內切酶”“DNA連接酶”“運載體”，在此過程中還發明了DNA人工合成技術和測序技術。

3.3 變抽象為具體，通過模擬操作，讓學生熟悉基因工程操作中的基本工具

教師引導學生逐一掌握基因工程操作中三種工具的概念及作用機理。

3.3.1 限制性核酸內切酶

教師向學生介紹限制酶的發現史，以EcoRⅠ酶和Hpa I酶這兩種限制酶為代表（分別切割出黏性末端和平末端）介紹限制酶的概念及相關知識，帶領學生觀察并發現限制酶識別序列的特點——都是倒置重復的回文序列。然后進行模擬操作一：利用課前發放的就有EcoRⅠ酶的識別序列（■）的紙條（圖1），用剪刀模擬EcoRⅠ酶切割DNA。

在學生操作結束后，教師選幾位學生的切割結果加以分析點評，并指出切割后形成的3個DNA片段中，把中間一段假設為綠色熒光蛋白基因加以保留。

3.3.2 DNA連接酶和運載體

教師介紹DNA連接酶和運載體的發現史、概念、分類與作用等相關知識，強調DNA連接酶連接的是兩個末端互補的DNA片段，通過形成磷酸二酯鍵完成。天然的載體一般不同時具備有限制酶切割位點、啟動子、終止子、標記基因、合適大小等要素，往往需要經過人工改造方可。隨后按教師要求進行模擬操作二：把已發放的紙環看作質粒（圖2），告訴學生所拿到的質粒上也有EcoRⅠ酶的識別序列，用剪刀模擬EcoRⅠ酶切割質粒后，再用膠帶紙當作DNA連接酶連接操作一中切割的目的基因與切割后的質粒。

學生交流操作成果，總結并討論：一共可能會有多少種連接結果？如何避免錯誤連接？設想在一定的環境中許多被切割后的質粒和目的基因在一起，同時被DNA連接酶作用，由于前面已經強調了DNA連接酶的作用特點，學生不難提出除了正確的連接之外，還可能出現反向連接、目的基因和載體自身環化，三個及三個以上同時連接等。教師引導學生分析形成這些錯誤的原因，提出改進方案（對于反向連接、自身環化可以用兩種限制酶切割以形成不一樣的末端而加以避免，但即使這樣也不能保證100%成功，所以連接后還需要篩選）。通過討論可以為下一節“基因工程的操作程序”的學習做鋪墊，同時讓學生理解科學技術需要不斷發展完善，并感受科研工作的艱辛與意義。

4 教學反思

教師找到了以往學生學習本節難處所在，并對學生的難點進行了充分的分析，在此基礎上進行教學設計，遵循了從“發現問題”到“分析問題”“解決問題”的科學思路。用老鼠和海蜇創設情境，能很好吸引學生的學習興趣，教師充分利用情境，通過關鍵問題幫助學生回憶復習了遺傳的相關知識點、理解基因工程的概念、到底什么是轉基因生物這一社會熱點話題，并形成知識框架，同時巧妙地引出本節的教學重、難點——DNA重組技術的基本工具。對于限制酶、DNA連接酶等抽象的分子水平概念，通過設計模型和兩次模擬操作，變抽象為具體，讓學生宏觀上直觀體會限制酶的切割、DNA連接酶的連接等過程，在動手操作及思考中學習新的知識，降低了學生的學習難度，效果顯著。

在教學中，“如何讓老鼠發光”這一情境，自然而然地引入“限制酶”“DNA連接酶”“運載體”的發現史，有助于學生在情感上認同基因工程的誕生與發展離不開理論的研究與技術的創新。

不論在什么學科，都會有一些教學的難點，為讓學生突破難點、把握難點，更好地體會相關核心概念，教師在教學設計中，分析、了解學生難點，通過創設情境，使學生的注意力高度集中、積極思維，并充分利用情境結合多媒體、模型、實驗操作等一些教學手段，降低學習的難度，加深學習的深度。