基于問題驅動的“基因工程

詹琪芳

摘要：通過設置層層問題，幫助學生理解基因工程中限制酶的作用特點，其與電泳技術在目的基因及質粒獲取中的具體應用，培養學生的邏輯思維的習慣和科學探究的能力。

關鍵詞：基因工程限制酶問題驅動

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

1教材分析和設計思路

《基因工程》是滬教版高中《生命科學》第二冊第六章第三節的內容，本節是復習課的第1課時，主題是“限制酶”。經過高一的學習，高二學生對限制酶已有初步認識，但對教材中“用與切取目的基因相同的限制酶將質粒切開”這句話的理解存在偏差：為什么要用“相同的”限制酶切取目的基因和質粒？是否一定要用“相同的”限制酶？如何獲得成功重組的質粒？電泳技術、酶切片段的計算怎么輔助基因工程順利完成？……為解決這一系列問題，本節設計為基于問題驅動的遇到問題——解決問題的方式遞進教學，輔以自制軟磁教具，讓學生重新認識限制酶及重組質粒的制備。期間，學生嘗試實驗設計，熟悉科學探究的基本思路和方法，使抽象的DNA片段連接與酶切形象化，培養了邏輯思維能力。限制酶的作用特點和“相同的”限制酶是教學重點，“如何精確制備重組質粒”是教學難點。通過觀察不同限制酶的作用位點，教師引導學生嘗試歸納其特點，書寫、比較、連接不同限制酶形成的黏性末端，加深對限制酶作用特點的理解;讓學生基于問題辨析重新連接的基因片段的特征，理解環形的重組質粒被切后的片段計算及電泳圖譜作為一種技術手段在基因片段分離中所起的作用，突破難點。

2教學目標

①掌握限制酶的特點;理解用“相同的”限制酶切割目的基因和質粒的實質;理解酶切片段的計算和電泳圖譜在制備重組質粒中的運用。

②通過比較限制酶酶切位點、書寫、切割、拼接基因片段，關注歸納與概括方法的運用;通過計算酶切片段，分析電泳圖譜，經歷重組質粒的制備過程，認識科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力。

③通過限制酶、電泳技術和酶切片段的計算之間的關系，懂得基因工程是一種基于理論的基因重組技術。

3教學過程

3.1復習舊知，導入新課

教師提出3個問題：基因工程的基本過程是什么？用到哪兩種工具酶？它們的作用是什么？學生回憶、復習舊知，為新課的學習做好準備。

設計意圖：復習課的開場簡單直接，教師利用3個問題讓學生迅速進入狀態，簡要回顧基因工程的4個基本步驟和2個工具酶，構建基因工程的總體知識框架，引出限制酶的專題復習。

3.2限制酶的作用特點

教師展示3種不同的限制酶的作用位點（表1），引導學生觀察、比較，并提出問題：3種限制酶的識別序列相同嗎？切割位點相同嗎？限制酶的作用特點是什么？在教師的啟發提問下，學生概括限制酶的特點，即識別特定序列、切割專一位點。

設計意圖：通過比較識別序列的差異性，學生認識到限制酶作用的特異性，并嘗試用概括性的語言進行描述，培養觀察、比較和歸納的能力。

3.2.1正確認識黏性末端

以EcoRI為例，請學生按照堿基互補配對原則寫出DNA的另外1條鏈，再標出另1條鏈上的酶切位點，最后寫出酶切后的黏性末端（圖1）。

接著，學生仔細觀察、比較2個黏性末端，教師提問：切出的2個黏性末端一樣嗎？它們能重新連起來嗎？為什么能再連起來？還需要什么酶的幫助？連起來后能再次被EcoR I切開嗎？學生思考作答。再請學生利用軟磁教具模擬酶切過程，剪切出BamH I和BclI酶切后的黏性末端（圖2和圖3）。

設計意圖：學生通過書寫、剪切、觀察，熟悉限制酶的作用方式、黏性末端再次連接的特點及堿基互補配對在此過程中的應用，強化教學重點。

3.2.2透徹理解“相同的”限制酶的概念

教師引導學生仔細觀察BamH I和BclI作用后的黏性末端，思考問題：它們的黏性末端相同嗎？可以相連嗎？學生嘗試用軟磁教具拼接，教師提問：如何理解教材中“用與切取目的基因相同的限制酶將質粒切開”這句話？基因工程中必須用“相同的”限制酶作用目的基因和質粒嗎？可以用不同的限制酶嗎？如果選擇不同的限制酶，它們需要具有什么特點？

設計意圖：通過2種限制酶切黏性末端的剪切、連接，學生明白限制酶雖然不同，但能切出相同的黏性末端，DNA片段就能相互連接。目的基因與質粒相連的本質是具有相同的黏性末端，因此要選擇能切出“相同黏性末端”的限制酶。

3.2.3辨析限制酶的作用特點

教師請學生再次觀察圖4，思考：這個新形成的DNA序列能被BamHI或BclI切開嗎？為什么？

設計意圖：學生再次熟悉限制酶的作用特點——識別特定序列，切割專一位點;認識到一旦識別序列改變，限制酶將無法作用。這個小環節不僅能為使學生鞏固剛才吸納的知識，還為后續的教學活動進行了鋪墊。

3.3相同的限制酶的實質

3.3.1限制酶的選擇

教師創設情境：請幫助某位在課外興趣活動小組進行基因工程實驗的同學，選擇出合適的限制酶和質粒（圖5），并說出理由。

學生甲：我選擇BamHI切取目的基因，因為它可以切出整段目的基因。

學生乙：我認為只選用BamH I會使目的基因片段具有相同的黏性末端，會發生自身環化現象，我選擇BamHI和EeoRI同時切取目的基因，產生不同的黏性末端，可以避免自身環化。

學生丙：我選擇質粒C作為運載體，因為A沒有酶切位點，B只有1個，而C可以切出和目的基因相同的黏性末端，所以作為運載體較為合適。

學生丁：我覺得質粒D也是可以的，雖然BamHI和BclI是不同的限制酶，但它們能切出相同的黏性末端，目的基因可以連接在質粒上。

學生戊：如果選擇BamH I切取目的基因和質粒B，雖然會發生自身環化，但也存在不環化的概率，所以也是可以的。

設計意圖：這個環節在前一部分認知的基礎上，學生充分討論并思考，在挑選限制酶時，進一步認清楚限制酶的作用本質和黏性末端的作用;在挑選運載體時，認識到要選取能產生相同黏性末端的限制酶切取質粒。

3.3.2基因片段的分離

教師接著提問：如果選用BamH I和EcoR I切取目的基因，會得到幾個片段？這些片段的末端具有什么特征？如何得到只含有目的基因的片段？學生思考后回答共得到4個片段，其中有1個小片段具有和目的基因片段相同的黏性末端。教師繼續啟發引導：有什么方法可以將它們區分開？從而引入電泳技術，讓學生簡單了解：DNA在一定的電場力作用下會向正極泳動，DNA分子越大，泳動越慢，從而可以將分子量大小不同的DNA片段分離開，再通過溶解凝膠將所需片段回收純化。

設計意圖：思考通過2種酶切取目的基因，明白實際操作中獲取目的基因的不易，也知道電泳技術在基因工程中的運用，幫助分離不同分子量的DNA片段，獲得單一的含有目的基因的片段。

3.3.3酶切片段的計算

教師繼續思維拓展，趁勢發問：如果DNA片段的長度相等怎么區分？單純依靠電泳技術可以嗎？并向學生展示圖6的目的基因和質粒，引導學生思考如何借助限制酶及電泳技術得到正確的重組質粒。

學生討論后，給出了較為清晰的分析過程：①選擇BamH I和BclI切取目的基因，用BamHI切取質粒;②用DNA連接酶連接獲取重組質粒。教師提問：有幾種重組質粒？如何區分？學生展開小組討論，畫出兩種不同的重組質粒（圖7）。

教師啟發學生比較兩種重組質粒的不同，設計實驗方案進行區分。學生注意到重組質粒上均有EcoR I的酶切位點，結合剛才歸納的知識點——分別用BamH I和Bel I切出的黏性末端雖能相連，卻不能被它們再次切開，但如果都是用BamH I切開的黏性末端相連，卻可以再次被切開。

經過討論思考，學生設計出實驗方案：先用BamH I和EcoR I切取兩種重組質粒，再用電泳法分離。若分離出長度為1.4kb和6.8kb的DNA片段，表明這個是反向連接的重組質粒，棄之;若分離出長度為4.2kb和4.0kb的DNA片段，回收之后用DNA連接酶連接，獲得正向連接的重組質粒。

設計意圖：學生通過計算限制酶、電泳技術和酶切片段的關系，初步掌握科學探究的基本思路，懂得基因工程是一種既重理論又重實踐的基因重組技術。

4教學反思

這節課是基于問題驅動來設計的，圍繞著基因工程中的重要工具限制酶逐步展開。問題的設計注重邏輯性，每個問題的解決都是建立在舊知的熟練與鞏固之上，解決舊問題，產生新問題。教師設計的問題注重層次性、邏輯性，問題可大可小，大的問題激發學生的思維活躍度，讓學生從更高的視角在不同的知識點間建立聯系;小的問題聚焦某個具體細節，關注過程的嚴謹性，加大對知識的思考深度。基于問題驅動的課堂教學能促使學生自始至終都在思考，能全面、透徹、深入地理解限制酶的作用特點，在基因工程中發揮的重要作用。這節課上，學生思維活躍，師生間的互動較強，學生的邏輯思維習慣和科學探究能力有了一定程度的提升，學生非常享受知識的獲取與問題的解決過程。遺憾的是缺少一定的生活情境，如果能夠讓學生真正運用限制酶解決基因工程中的某個實際問題就更好了。