《DNA重組技術的基本工具》教學實錄與評析

易志鋒++魏述濤

《DNA重組技術的基本工具》是人教版高中生物選修三專題一中的第一節內容。課前，執教老師給各小組（4人一組）隨機發放了一個大信封，大信封里有一條粉紅色小紙帶（其中一組無）、一把藍色剪刀、一把粉紅色剪刀（其中一組無）、小信封一個。小信封里有一條白色小紙帶、一卷電工膠布。大信封和小信封的封面上分別附有相應的文字說明。

一、創設情境，鋪設課題

（一）情境1：尋找話題

師：今天同學們都穿了班服，班服很漂亮，你覺得穿著舒適嗎？

生：舒適。

師：班服是用什么材質做的呢？

生：100%純棉做的。

師：其實，很多衣物都是用純棉做成的，穿著十分舒適。今天，我們的話題就從棉花開始，先看《經濟日報》的消息。2014年我國的棉花產量居世界第一位，但蟲害較為嚴重。這就是農業生產中常見的害蟲。（課件出示害蟲的圖片）

【評析】執教老師引導學生聯系生活中常見的現象切入教學，符合新課程倡導的“注重與現實生活的聯系”這一教學理念，有利于引入課題，啟發學生開展研究性學習。

（二）情境2：拓展延伸情境1，引出課題

師：今天，老師給大家推薦一款農藥界的良心產品，它就是由湖北省農科谷生態科技有限公司生產的天誅牌蘇云金桿菌。為什么說這款產品好呢？因為它含有一種非常獨特的抗蟲基因，叫做Bt毒蛋白基因。這種抗蟲基因能夠控制合成Bt毒蛋白，對破壞玉米螟、二化螟、小葉蛾、菜青蟲等害蟲的消化系統，以及危害棉花生長的棉鈴蟲有“免疫”作用。請大家放心，老師在課堂上不推廣告也不賣農藥，我只想請問大家，這么好的一款產品，能否為我們在培育棉花新品種上提供借鑒呢？

生：可以培養能夠合成Bt毒蛋白的棉花新品種。

師：如何能讓棉花合成Bt毒蛋白？

生：將Bt毒蛋白基因進行“剪切”后“拼接”到普通棉花的基因上。

師：你的想法非常棒，這節課我們就來學習DNA重組技術的基本工具。（板書課題）

【評析】執教老師以推銷員的身份，用廣告的形式引發學生的學習興趣，提出生產實踐中存在的問題，引導學生思考培育棉花新品種的辦法，同時圍繞轉基因操作的“切割”“拼接”兩個步驟，引出“DNA重組技術的基本工具”這一學習內容，完成了導入教學，這樣做能夠幫助學生樹立現代科技意識。

二、拓展情境，合作探索

（一）探究活動1：“切割”含抗蟲基因的DNA片段

1.課件展示含有抗蟲基因（紅色區段）的DNA片段（紙條）

師：假如紙條上的紅色部分代表抗蟲基因，那么我們要如何把抗蟲基因剪下來呢？

生：用剪刀從兩端沿紅色部分剪開。

師：假如紙帶上的抗蟲基因用堿基對形式來表示，要如何剪？請大家打開手中的大信封，依據大信封上的文字說明開展探究活動。

大信封文字說明——

探究活動1：“切割”抗蟲基因

1.取出大信封里的粉色小紙帶和剪刀。粉色小紙帶代表含抗蟲基因的部分DNA序列，粉紅色剪刀代表EcoR Ⅰ，藍色剪刀代表SmaⅠ。

2.學生小組合作學習教材內容，制定目的基因“切割”方案，對目的基因進行“切割”。

思考問題：

1.EcoRⅠ和SmaⅠ是否都能“切割”出抗蟲基因？請說明理由。

2.如果可以切割，應在哪里進行切割？會切出怎樣的末端？

附加說明：含抗蟲基因的DNA（粉紅色小紙帶）兩端序列如下——

…ATGAATTCA……CTGAATTCG…

…TACTTAAGT……GACTTAAGC…

生：老師，我們的大信封里沒有粉紅色小紙帶。

師：恭喜這個幸運的小組，你們獲得了唯一一個沒有粉紅色小紙帶的大紙帶，請用大紙帶完成小組探究活動，然后給大家展示你們的探究成果。

師巡視并參與個別小組的討論與交流。

生：老師，我們小組沒有粉紅色剪刀。

師：有其他顏色的剪刀嗎？

生：有藍色剪刀。

師：很好，用藍色剪刀可以完成任務嗎？

生：不能。

師：為什么？

生：因為藍色剪刀代表SmaⅠ，書上說SmaⅠ只能切割CCCGGG的脫氧核苷酸序列，但我們拿到的紙帶上的抗蟲基因兩端的核苷酸序列是GAATTC，只能用EcoRⅠ來切割，而粉紅色剪刀才代表EcoRⅠ。

師：你說得對！特定的限制酶只能切割特定的核苷酸序列，這體現了限制酶哪一方面的特性？

生：酶的專一性。

師：哪個小組可以把粉紅色剪刀借給他們？

其中一組學生舉手表示可以。

師：你們小組有什么問題？

生：限制酶可以識別特定的核苷酸序列并且切割特定的核苷酸之間的磷酸二酯鍵，但它不能切割氫鍵，我們缺乏切割氫鍵的工具。

師：哪個小組有切割氫鍵的工具？

其余小組表示沒有。

師：這個問題要怎么解決呢？

生：我查過資料，資料上提到氫鍵的作用很小，不需要特定的工具切割就會斷裂。

師：這位同學不但善于發現問題，還能夠嘗試解決問題，非常值得我們學習。課后，同學們也可以嘗試設計更為合理的模型，現在請幸運小組代表展示探究活動的成果。（借助動畫直觀展示限制酶的作用和特點，明確黏性末端、平末端以及磷酸二酯鍵和氫鍵的位置、斷裂原因等重難點知識，完成概念的生成）

2.現學現用，歸納提升

學生完成練習題：每種限制酶只能識別雙鏈DNA分子的某種 ；并使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的 斷開，產生的末端類型有 和______。

【評析】該探究活動環節是本課教學的亮點，也是實現課程設計意圖的主要體現。首先，執教老師讓學生自主探究切割目的基因，引導學生理解限制酶的專一性特性。其次，執教老師設計了一個小組沒有剪刀，讓學生自主發現問題，揭示工具的重要性，符合新課程倡導的“探究性學習”理念。從學生發現問題到自主解決問題，執教老師因勢利導，促進學生思考并改進設計方案，使學生形成了嚴謹的治學態度。最后，從學生探究活動到利用動畫展示知識結構，歸納總結，加深了學生對重難點知識的理解，體現了概念教學模型化的特色。

（二）探究活動2：拼接兩個DNA分子

師：現在每個小組都獲得了“抗蟲基因”。那么，抗蟲基因如何與棉花自身的DNA進行“拼接”呢？請同學們打開小信封，按照小信封上的文字說明，完成兩個DNA分子的“拼接”。

小信封文字說明——

探究活動2：拼接兩個DNA分子

1.取出小信封里的白色小紙帶和電工膠布。白色小紙帶代表要與目的基因拼接的DNA部分序列，電工膠布代表DNA連接酶。

2.以小組為單位，運用正確的工具“切割”白色小紙帶上的DNA分子，并與抗蟲基因進行“拼接”。

思考問題：

什么樣的DNA末端可以被“拼接”？為什么？怎樣得到這樣的末端？

附加說明：待拼接的DNA片段（白色小紙帶）如下——

…CCACTCGAATTCAACTC…

…GGTGAGCTTAAGTTGAG…

學生小組合作學習并思考問題，思考“拼接”的思路，動手操作完成探究活動。幸運小組用一張白色小紙帶模擬操作。

師：什么樣的DNA末端可以被“拼接”，為什么？

生：相同的黏性末端才可以被“拼接”，因為需要堿基互補配對。

師：如何得到相同的黏性末端？

生：用相同的限制酶切割基因就能獲得相同的黏性末端。

師：回答正確！這說明大家掌握了限制酶的作用特點和“黏性末端”這一重要概念。哪個小組來展示你們的探究成果？

其中一個小組的學生代表展示學習成果，教師發現該小組展示作品均只是展示了作品的正面，從正面看，“拼接”結果基本正確。

師：接下來請幸運小組展示他們的探究成果。

幸運小組展示探究成果。

師：同學們對比展示作品和自己的作品，思考“拼接”方式一樣嗎？

生：基本相同。

師：請幸運小組把作品的背面展示給大家看。

小組代表展示作品的背面。

生：背面的膠布貼錯了。

師：錯在哪兒？

生：膠布模擬DNA連接酶，作用是形成磷酸二酯鍵，它們除了連接磷酸二酯鍵，還連接了氫鍵。

師：氫鍵要如何處理？

生：氫鍵之間的作用十分微弱，不需要專門的酶就會斷裂，我認為形成的時候也不需要專門的酶。

師：這位同學的推理對嗎？實際上，正是基于這樣的原因，教材中才沒有明確說明氫鍵斷裂和形成需要相關的酶。

師：剛才給大家提供了黏性末端的“拼接”模型，接下來我們通過動畫展示平末端是如何連接的。（動畫展示E-colI DNA連接酶和T4 DNA連接酶的連接過程，引導學生進行比較和歸納。）

【評析】小信封里的思考題起到了承上啟下的作用，既總結了限制酶作用的結果，又引出了“拼接”的前提。執教老師通過“問題驅動”促使知識的生成，而學生在運用知識解決問題的過程中也學會了歸納的方法。此外，執教老師通過學生活動和生生評價達成教學目標，引導學生經歷了發現問題、思考問題、論證問題的過程，從而達成了共識，體現了合作探究學習的優勢。

三、精解案例，系統歸納

例題：判斷以下兩組DNA能否拼接成重組DNA分子，并說明理由。

第一組：

含目的基因的DNA片段：

…ACTCCCGGGTG……TACCCGGGCCT…

…TGAGGGCCCAC……ATGGGCCCGGA…

待拼接的DNA片段：

…CTGCTTACCCGGGTTATT…

…GACGAATGGGCCCAATAA…

第二組：

含目的基因的DNA片段：

…TATGAATTCAG……TACCCGGGTC…

…ATACTTAAGTC……ATGGGCCCAG…

待拼接的DNA片段：

…CTCCCACTCGAATTCAACTCCCAC…

…GAGGGTGTGCTTAAGTTGAGGGTG…

生：第一組DNA可以拼接成重組DNA分子，因為目的基因兩端和待拼接DNA均含有堿基對序列

…CCCGGG…

…GGGCCC…

用限制酶SmaⅠ切割目的基因兩端和待拼接DNA可以形成相同的平末端，用T4DNA連接酶拼接平末端可以形成重組DNA分子。

生：第二組不可以，因為目的基因兩端要用兩種限制酶切割，形成一個黏性末端和一個平末端，待拼接DNA只能被EcoRⅠ切割，形成一種黏性末端，平末端和黏性末端不能拼接。

師：能否總結一下，什么樣的DNA可以進行“拼接”？

生：目的基因要和待拼接DNA具有相同的黏性末端或者平末端才可以進行“拼接”。

師：一般情況下，如何能夠得到具有相同黏性末端的兩個DNA分子？

生：通常需要對兩個DNA分子用同種限制酶進行切割。

師：不同的限制酶也能夠切割出相同的黏性末端嗎？

生沉默表示不知道。

師：這樣吧，我們先留個懸念，一會兒通過解題來加深理解。

【評析】執教老師通過分析例題，將限制酶與DNA連接酶的作用特點及作用進行有效串聯，解決了從理論知識到實際應用的問題；讓各小組表達自己的觀點，則體現了教學要“面向全體學生”的課程理念。

四、當堂鞏固，拓展提升

完成下列練習題

1.下列關于限制酶和DNA連接酶的說法中，錯誤的是（ ）

A.二者的化學本質都是蛋白質。

B.二者作用部位都是磷酸二酯鍵和氫鍵。

C. T4DNA連接酶可以連接平末端和黏性末端。

D.限制酶作用的結果是產生平末端或黏性末端。

2.（2012.課標·改編）某DNA分子用EcoRⅠ切割后產生的DNA片段如下：

AATTC……G

G……CTTAA

為使該DNA能夠與目的基因相連，含有目的基因的DNA除了用EcoRⅠ切割，還可以用另一種限制性核酸內切酶進行切割，該酶必須具有的特點是 。

3.原核生物很容易受到外源DNA入侵，但在長期的進化過程中，原核生物卻沒有因為外源DNA的入侵而滅絕。根據我們所掌握的知識，你能夠推測這其中的原因嗎？

學生針對習題1中的每一個選項做出解析。

對于習題2，教師引導學生回憶課堂上總結的能夠拼接的兩個DNA需要具備的條件，由此引導學生推導得出，使不同限制酶切割的DNA相連，必備條件是不同的限制酶切割產生的DNA片段末端相同。

習題3作為對限制酶作用的拓展，在學生思考討論的基礎上，教師進行提示，比如：外源DNA入侵→抵抗DNA入侵→破壞外源DNA→限制酶的作用→限制酶的特點→自身DNA如何避免被“切割”。

【評析】當堂訓練是測評學生是否掌握所學知識的有效手段。執教老師設計的題目層次分明，難度層層遞進，滿足了學生多元化的學習需求。習題2是對高考題的改編，既聚焦了高考熱點題型“文字表述題”，又體現了高考理綜選做題的考查形式。習題3則讓學生從進化論角度理解限制酶在原核生物中的作用，豐富了學生對限制酶的理解，是對學習內容的補充，體現了知識的完整性。

五、歸納總結，承上啟下

師：今天，同學們受蘇云金桿菌的啟發，嘗試利用限制性核酸內切酶和DNA連接酶，通過建模完成了將抗蟲基因和棉花DNA進行“切割”和“拼接”的模擬操作。我們希望將重組DNA分子直接導入棉花細胞，完成定向改造棉花的設想，從而解決棉花生長過程中面臨的蟲害問題。探索科學發展的道路是曲折的，重組DNA分子能否在棉株體內細胞中穩定存在呢？是否還需要別的工具？下節課我們繼續探討。

【總評】

這節課主線清晰，學習方式多樣，主要通過探究性學習突破學習難點，以“問題驅動”引導學生自主建構知識，具體體現在以下幾個方面。

第一，抓住中心點。執教老師牢牢抓住限制酶和連接酶這兩個工具酶進行探究性學習，利用建模的形式引導學生合作學習，自主建構知識體系，實現了知識教學的目標。

第二，突破重難點。執教老師利用“模型建構法”，讓學生分組合作探究，由使用限制酶EcoRI入手，再通過與限制酶SmaI進行比較，得出限制酶和DNA連接酶的特點，突破了學習難點。

第三，找準切入點。課前，執教老師精心制作教具，設計活動環節，通過引導學生對已知含有抗蟲基因的DNA片段如何切割、用什么切割、在哪里切割、切割后會出現什么情況等進行探究，以“切割”作為知識學習的切入點，準確而恰當。

第四，理清知識點。教學中，學生探究活動的難點是如何正確處理動手操作與知識梳理的關系。執教老師采用“模型構建”的策略，完成了知識梳理這一學習目標，通過動畫演示、及時歸納等方法，促使學生深入理解知識，達到了知識內化的目的。

此外，通過討論問題和課后練習，學生知道了如何運用知識分析問題、解決問題，提高了知識的遷移運用能力。

[本課例在中南六省（區）生物教學研討會上榮獲課例評比一等獎]

（責編 歐孔群）