任務驅動下的教學設計策略——以“基因工程概述”為例

殷亞妮

（南京師范大學附屬中學 江蘇南京 210003）

1 教材分析及設計思路

“基因工程概述”是高中生物蘇教版《選修3·現代生物科技專題》的第一章“基因工程”的第一節。本節需要學生掌握的基因工程的工具和實施過程偏實踐性、操作性，是科學原理和知識運用于實踐的技術手段。而與其有關的原理是學生在《必修2·遺傳與進化》中學過的“DNA的結構和復制”“基因的表達”“中心法則”等內容。鑒于基因的微觀性，該部分內容比較抽象，學生難以理解，是高中生物教學中的難點。同時，通過基因工程改造生物的性狀，獲得新的生物品種，與細胞工程和胚胎工程密切聯系，因此也是《選修3·現代生物科技專題》的重點和基礎。

高二學生對基因的結構和功能已經有了一定的認識，且轉基因技術是當今社會關注的熱點話題，教師以培養學生的社會責任的學科素養為導向，創設社會現實問題情境，通過一系列問題，層層深入地啟發學生深入思考，主動構建起基因工程工具和實施過程的知識框架。

2 教學目標

（1）為解決“滿足患者對胰島素需求”的現實問題，提出培育合成人胰島素的大腸桿菌的方法，探索該方法得以實現的理論依據和條件，提升用所學知識解決實際問題的意識和能力，養成社會責任感。

（2）小組討論大腸桿菌合成人胰島素的可行性，結合生物基因結構和功能的一致性，所有生物共用一套遺傳密碼等基本生物學概念，充分理解基因工程的理論依據。

（3）為實現培育合成人胰島素的大腸桿菌的目標，根據“結構決定功能”的生命觀念，推論出基因工程所需的工具和基本實施過程，發展科學思維，提升科學探究能力。

3 教學過程

3.1 聯系實際，提出貼近生活的課題任務

教師創設情境，促進學生思考：隨著人們生活水平的提高，糖尿病逐漸成為了威脅人類健康的多發病。在我國，糖尿病患者總數已經超過1億人，約占總人口的10%，而糖尿病發展到后期，一定離不開胰島素。怎樣滿足龐大的患者群體對胰島素的需求呢？

教師從現實問題入手，啟發學生思考：怎樣獲得天然胰島素？能否人工合成胰島素？各有什么優缺點？學生主動思考，總結出制備胰島素的方法及特點（表1），會發現傳統的胰島素制備方法無法滿足醫藥市場的需求，需要創造更為高效的胰島素生產方法。

表1 制備胰島素的方法及特點

設計意圖：教師聯系社會實際，引導學生積極思考，激發其解決難題的興趣。

3.2 激發想象，尋找解決難題的全新方法

教師布置任務：胰島素是具有復雜空間結構的蛋白質分子，在工廠中用化學方法合成，反應復雜且效率低下，但是特定的生物細胞卻能高效合成。怎樣大量高效地合成胰島素？學生能夠聯想到通過培養大量的胰島B細胞來獲取胰島素。教師先予以肯定，然后追問：胰島B細胞是高度分化的細胞，在體外能夠增殖嗎？如果想通過培養特定細胞來合成胰島素，同時考慮胰島素的分離提純。細胞應該具有怎樣的特點？學生結合所學內容，會得出這樣的細胞應該具備增殖快、易培養、結構簡單的特點。這些特點正是大腸桿菌等單細胞生物的特點。教師繼續提出問題：大腸桿菌細胞并不能合成胰島素，怎樣才能讓大腸桿菌合成胰島素呢？教師可以提示學生：基因控制性狀，胰島素是胰島素基因表達的產物。學生根據基因控制性狀的基本原理，能夠提出大膽的設想，如果大腸桿菌細胞中有人的胰島素基因，就能夠合成人的胰島素。教師引導學生總結：將人的胰島素基因導入到大腸桿菌細胞中，讓其具備合成胰島素的新性狀，定向改變了大腸桿菌細胞的性狀，這是通過基因水平的操作實現的。這項技術被稱為基因工程。

設計意圖：理解基因工程技術的必要性及其實質非常關鍵，教師通過巧妙的提問和恰到好處的提示讓學生擺脫現實的束縛，創設出本節課的基本任務情境——培育能合成人胰島素的大腸桿菌，并使學生體會基因工程的實質。

3.3 小心求證，理解基因工程的理論依據

教師布置任務：如果將人的胰島素基因成功導入大腸桿菌細胞，大腸桿菌能夠合成人胰島素嗎？為什么？小組為單位討論跨物種基因交流的可行性。

學生在任務驅動下，聯系必修2所學的遺傳的分子基礎知識，分別從基因結構、基因功能、基因表達過程等方面總結了基因工程的理論依據（表2）。

表2 基因工程的理論依據

設計意圖：教師引導學生分析基因工程得以實現的基本理論，使學生深刻理解先進技術的產生有賴于基礎科學理論的發展。

3.4 逐步深入，探索基因工程的操作工具

3.4.1 剪切目的基因的工具——限制酶

教師提出問題：要將人的胰島素基因導入到大腸桿菌細胞，需要獲取胰島素基因，從哪兒用怎樣的方法能得到人胰島素基因？

教師可以通過啟發學生思考人的胰島素基因所存在的細胞，幫助學生明確人的任一細胞（成熟紅細胞除外）的核DNA中都含有胰島素基因。并提出問題：基因和DNA是怎樣的關系？學生回顧必修2的知識點，基因是具有遺傳效應的DNA片段，一條核DNA上有多個基因，要想獲取目的基因片段，需要一種能夠剪切DNA的工具，由此引出限制性核酸內切酶。最后，教師介紹限制酶的種類和功能，并講解如何利用限制酶獲取目的基因片段。

3.4.2 轉運目的基因的工具——運載體

教師提供背景知識，引導學生思考：大腸桿菌的自我保護機制會將進入細胞內的外源基因破壞。怎樣將外源目的基因導入大腸桿菌細胞（即受體細胞），并使其正常復制和表達呢？學生思考后，明確需要一種能將外源目的基因送入到受體細胞的工具——運載體。

教師追問：什么可以作為運載體呢？教師可以請學生思考運載體的功能，并據此推測運載體的本質，如運載體必須能夠裝載目的基因，說明運載體本身必須是DNA分子。教師提出啟發問題：是否存在這樣的外源DNA，可以進入大腸桿菌細胞，并在其中復制和表達呢？學生很容易聯想到侵染大腸桿菌的病毒——噬菌體，噬菌體DNA具備上述所有功能，可以作為運載體。以此類推，若受體細胞是動、植物細胞，則由動、植物病毒來充當運載外源目的基因的運載體。在此基礎上，教師再介紹存在于細菌內并可在不同細菌細胞間轉移的一種小型環狀DNA分子——質粒，這也是一種將目的基因導入細菌細胞常用的運載體。

3.4.3 整合目的基因與載體的工具——DNA連接酶

有了目的基因和運載體，接下來就是利用運載體將目的基因送入受體細胞了，教師以人胰島素基因、質粒和大腸桿菌為例，讓學生思考并討論怎樣才能將胰島素基因與質粒連接在一起。學生回顧胰島素基因是通過限制酶切割核DNA獲得的鏈狀DNA片段，而質粒是環狀DNA分子，故需要用相同限制酶切割質粒成鏈狀DNA分子，然后與目的基因重新連接成一個環狀DNA分子，需要一種可以催化DNA片段相連的工具酶——DNA連接酶。

設計意圖：教師引導學生從目標實現反推所需條件，學生不再是機械地記憶所需工具的名稱而是深入理解工具的意義和作用。特別是探索運載體的本質時，學生由功能反推符合要求的物質，可以深刻體會到結構與功能相適應的基本生命觀念。

3.5 首尾呼應，歸納基因工程的實施過程

通過前面一系列鋪墊，基因工程的實施過程呼之欲出。教師再次提出開篇的問題：怎樣培育合成人胰島素的大腸桿菌？學生小組討論得出操作方法：首先，要獲取人胰島素基因；然后，與載體連接在一起，利用載體將人胰島素基因導入大腸桿菌細胞中；最后，大量培養大腸桿菌細胞，并從中提取胰島素。教師引導學生歸納出基因工程的操作流程：獲取目的基因，構建表達載體，導入受體細胞，檢測和鑒定。并在此基礎上，提出問題：除了直接從供體細胞中切取目的基因還有哪些獲取目的基因的方法？為了目的基因成功表達，載體需要具備哪些結構元件？導入不同受體細胞的常用方法是什么？如何檢測目的基因成功導入并表達？學生閱讀教材能容易尋找答案。

最后，教師總結并提問：利用基因工程培育出了能夠合成人胰島素的大腸桿菌新品種，那么其育種原理是什么？以此問題啟發學生思考基因工程的基本原理——基因重組。

設計意圖：緊扣本節課的主題，學生在分析討論中基本能夠得出基因工程的實施過程，教師結合學生的認知水平，針對各個操作環節進行補充提問，使學生主動思考和探究，鍛煉學生的思維能力。對基因工程育種原理的提問，與本節課開頭呼應，可以進一步加深學生對基因工程實質的理解。

4 教學反思

本節教學是基于課程標準對生物學學科核心素養的落實要求，以及學生高度關注先進生物技術的特點，采用任務驅動的教學模式，從社會實際問題出發，創設出一個具體的任務情境，通過層層提問，引領學生深入探索和思考，尋找解決問題的方法，使學生能深刻理解基因工程原理、理論依據和實施過程，并有助于培養學生的邏輯思維和科學探究能力。