基于項目化學習整合發酵工程和基因工程的復習

余驥

摘要以“藍白斑篩選實驗”為主線，整合發酵工程和基因工程中的關鍵技術，在項目化學習過程中通過3個環節幫助學生掌握和理解相關的知識和技術，促進學生生物學學科核心素養的提升。

關鍵詞 藍白斑篩選 發酵工程 基因工程

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）提出教學過程重實踐的基本理念，倡導教學方式的轉變，要求關注學生學習過程中的實踐經歷，通過探究性學習活動或完成工程學任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，發展生物學學科核心素養。項目化學習充分選擇和利用最優化的資源，使學生在實踐體驗、內化感悟、探索創新中獲得較為完整而具體的知識，形成專門的技能并獲得發展的實踐活動。經過高三的一輪復習，學生基本構建了選修模塊的學科知識體系，并掌握了相應的實驗技能。這些都為二輪復習中開展綜合性的項目化學習奠定了較好的基礎。

1自主選題，培養創新能力

1.1指向素養，確定實踐主題

根據《課程標準》，學生在學習完發酵工程和基因工程模塊后，能針對某一主題，選取恰當的技術和方法，嘗試提出初步的工程學構想，并進行設計和實施。該模塊的技能體系龐雜，涉及到培養基的制備、無菌操作、微生物的培養分離和計數、轉基因技術、受體細胞的篩選等實驗操作。經過文獻調查，最終確定本項目的主題是“藍白斑篩選實驗”。該實驗的原理如圖1所示，實驗流程如圖2所示。教學的明線是圍繞該主題貫穿發酵工程和基因工程中各個孤立的技術，暗線是借助項目化的實踐有效整合相關技術，使知識能力綜合化和系統化，以知促行、知行合一，讓學生在做中學、做中思，全面促進生物學學科核心素養的提升。

1.2把握學情，提供技術保障

為確保能夠順利完成項目，教師引導學生通過文獻檢索等方式論證方案的可行性，協助尋求技術保障，為學生完成預定方案（表1），搭建切實可行的“臺階”。

2實踐體驗，訓練工程思維

2.1制備選擇培養基

根據LB培養基通用配方，經稱量、溶解、調pH、分裝、高壓蒸汽滅菌后，添加氨芐青霉素（質量濃度為100 mg/mL）后均勻混合，倒平板制成含氨芐青霉素的LB固體培養基，置于4℃待用。

2.2制備轉基因大腸桿菌

根據表2中的反應體系構建重組載體。

根據以下步驟制備轉基因大腸桿菌：

①取出-80℃保存的E.coli JM109的感受態細胞置于冰上融化；

②將重組載體反應體系與感受態細胞混勻，冰浴30 min；

③轉移至42℃水浴，保持90s，轉移至冰浴2min；

④往離心管中加1 mLSOC medium培養基，置于37℃搖床中緩慢振動培養30 min，使細菌復蘇。

2.3涂布分離

取適量ITPG、X-Gal溶液過濾除菌，均勻涂布于含氨芐青霉素的LB固體平板表面（每個平板添加25μL的ITPG和50μLX-Gal溶液），晾干后待用。取100μL獲得的轉化菌涂布于添加了IPTG和X-Gal的培養基表面，在37℃下倒置培養16 h。

2.4觀察和計數

經培養后，培養基表面出現兩種顏色的菌落，如果顯色不明顯，可將平板置于4℃培養2 h后再觀察，分別統計藍斑數和白斑數（表3），并計算轉化效率。

3拓展延伸，提升核心素養

3.1課后反思，拓展思維視角

在低溫、低濃度的CaCl2溶液處理下，大腸桿菌細胞會膨脹，細胞膜通透性改變，成為感受態細胞；低溫條件下，將感受態大腸桿菌與重組DNA分子混合，使外源DNA黏附于受體細胞表面；再經過短暫的熱刺激處理，可使外源DNA轉入細胞。外源DNA的插入會導致LacZ基因的正常表達，從而無法使無色的X-Gal轉變為藍色產物，理論上轉基因受體菌的菌落呈現白色，但實際上本實驗轉化效率介于50%～85.7%。推測其原因可能與重組質粒的形成效率和導入效率有關。影響重組質粒形成效率的因素有很多，如插入基因和質粒的濃度、限制酶和連接酶的活性、反應時間等。影響重組質粒導入受體細胞效率的因素也有很多，如重組質粒的濃度、受體菌的狀態和密度、轉化時間等。根據表3實驗結果可知，適當延長混勻和復蘇時間有助于提高轉化效率。

3.2完善方案，撰寫課題報告

經過課后反思、交流與討論后，學生的思維得到進一步拓展，對于本項目的實施有了更全面的評價，從項目的困難預估、關鍵點及解決策略等角度切入，很容易形成一份課題報告。正所謂“知困，然后能自強也”。學生在撰寫報告的過程中，對項目涉及到的原理和技術都會有更系統、更深入的理解和認識，進一步提升文獻檢索、書面表達等能力。

本項目把枯燥的知識技能轉化為生動的實踐過程，讓學生感受到所學知識的趣味性和真實性。作為傳統復習方式的跟進，整合式的項目化學習使得知識更有活力，結構更有體系，思維更有高度。