基于模型構建的“基因工程”一節重難點的教學設計

尚麗紅

基因工程這節課的內容為高度抽象的分子生物學知識，其重難點是基因工程的工具和基因工程步驟這兩個抽象的理論知識。本文嘗試利用物理模型和概念模型建構的教學方法突破本節課的重難點內容，以期在生物學學科核心素養的四個維度提高學生的生物學科核心素養，以此為實現學生的核心素養而貢獻生物學應有的力量，為全面立德樹人發揮應有的作用。

1 教材分析

本節課的內容包括基因工程的概念、三種工具、四個步驟，轉基因技術的應用和轉基因生物產品的安全性等，前三個為主要的理論基礎，也是本節課的教學重難點。而關于其概念是高度抽象的總結理論，要對概念深刻理解就要理清基因工程的四個步驟和在每一步中用到的工具。過程清楚了，自然能夠結合過程說出用到的工具和各自的基本功能，通過過程自然會形成基因工程概念的有意義構建。

2 教學設計思路

3 教學過程

3.1 導入新課

問題導入：如果要將人控制合成胰島素的基因（以下簡稱人胰島素基因）導入大腸桿菌中，應該怎樣操作呢？同時按組分發器材，如果分發給大家的器材中兩個杯子分別代表一個大腸桿菌細胞和一個人體細胞，大家對代表大腸桿菌細胞和人體細胞的杯子分別做標記，然后再檢查各個杯子中的紙條分別代表什么，有沒有不合理的地方。

設計意圖：提出問題，引發學生探究的積極性，通過模型模擬細胞并鞏固原核細胞和真核細胞的區別，學生能夠很快根據杯子的大小指出分別代表的細胞，但是有的小組沒有注意到小杯子中的紙條沒有連接成環的問題，通過教師提示和其他小組的修正展示幫助各個小組完善自己的細胞模型。過程如圖1。

3.2 利用模型逐步引導學生解決上課提出的探究問題

（1）目的基因的獲取

師：“大家已經都修正好了自己的大腸桿菌和人體細胞模型，那么接下來怎么樣將人胰島素基因導入到大腸桿菌中呢？”

生：“從人體細胞中取出人胰島素基因。”

師：“但是人體基因有約3萬個，怎樣找到這個特定的基因并將其取出來呢？”

生：“（根據預習回答）剪下來。”

師：“用什么剪呢？”

生：“剪刀。”

師：“在細胞中也可以用剪刀剪嗎？”

生：“不能。”

師：“那用什么呢？”

生：“用限制性核酸內切酶，簡稱限制酶。”

師：“因此本模擬實驗中的剪刀相當于限制酶。在哪里剪開呢？每個基因的兩段序列相同嗎？每種剪刀的剪切位點一樣嗎？剪開的是DNA中的什么化學鍵？”

生：“（結合預習）根據目的基因的特點——特異性的剪切，每個基因的序列不同，因此剪切不同的目的基因需要不同的限制酶，剪開的其實是DNA分子中的磷酸二酯鍵。”

師：“非常好，在上述情境中，像人胰島素基因在基因工程中稱目的基因，其中大腸桿菌稱受體細胞。其實這一步就是基因工程的第一步——目的基因的獲取，在這里我們用到了第一種工具——基因的剪刀（限制酶），大家看到了限制酶應該具有專一性（如EcoRI只能特異性地識別GAATTC，并在G和A之間將DNA切成兩段），簡單介紹限制酶切割形成的兩種末端。假設大家拿的剪刀就是EcoRI，大家分別來模擬切割過程。”

學生紛紛動手剪切……

在教學過程中牽扯到的工具和材料如圖2所示。

（2）目的基因與運載體的結合

在這個環節教師仍然提出問題：目的基因被切割下來了，那么怎樣進入大腸桿菌細胞呢？能自發地進入嗎？學生根據預習指出需要運輸工具后，教師介紹常用的三種運輸工具，并著重強調常用的運載體質粒的本質是小型環狀DNA分子，具有多個酶切位點，有標記基因的特點，再根據學生的操作，大家發現要將目的基因與運載體結合必須將運載體用同種限制性切割運載體再與目的基因進行連接。學生完成了這個過程，但有同學提出疑問：在連接時只會有這一種連接方式嗎？大家共同探討還會形成質粒自連環。目的基因自連環和多個目的基因與一個質粒連接環、多個質粒與一個目的基因連接的多種情況。為了將運載體與目的基因連接需要用到基因的針線——DNA連接酶，指出其發揮作用的部位仍然是連接形成磷酸二酯鍵。如圖3。

（3）目的基因運入受體細胞

通過一定的物理或化學方法將重組質粒導入受體細胞大腸桿菌。

（4）目的基因的表達與檢測

根據前面的模型構建，大家知道構建重組質粒時會出現多種連接方式，并不是每個目的基因都會在受體細胞表達，因此要根據標記基因進行篩選并檢測目的基因的表達情況，從而得到有效的轉基因生物。

3.3 總結基因工程的三種工具，區別四種酶（如表1）

3.4 結合實例總結基因工程的概念

請學生結合轉基因大腸桿菌得到的過程總結基因工程的概念，教師糾正表述，與課本概念對照理解基因工程的原理是跨種之間的基因重組。

4 總結

本節課通過模型構建的方法，將抽象的不可見的分子水平的操作可視化，通過逐步引導學生得到轉基因大腸桿菌，學生都能夠積極參與課堂、積極思考。學生在操作的過程中提出了一些有意義的問題，如限制酶是否會作用于氫鍵等，通過概念模型構建的方式將基因工程的步驟內化為結合實例的思維過程，突破了傳統的講授法枯燥抽象的弊端，通過自己親身解決問題的過程總結用到的三種工具，并通過填表格的方式與前面學過的水解酶和DNA聚合酶做比較，學生很快找到兩者的差異并且鞏固了舊知，做到了將新舊知識有效地對接。最后，通過學生自己總結基因工程的概念，鍛煉了學生的語言組織能力和對概念表述的一般方法，通過教師糾正，幫助學生形成生物學概念表述的一般規范方式。整節課學生的積極性較高，思維活躍，基本每個同學都參與了進來，但是由于我們的學生基礎知識薄弱，因此課程進度較慢，一課時只完成了基因工程的理論部分內容，關于后面的應用只能通過學生結合課本搜集資料的方式去了解我們身邊的轉基因植物、轉基因動物和轉基因在醫藥、環保方面的應用。不過筆者驚喜地發現學生對課本中提到的應用很容易理解，并且對于相關練習題的完成情況遠優于不做模型構建的班級，這充分地說明本節課適合模型構建法。另外，本節課的整個過程通過探究的方式培養了學生的科學思維能力、動手能力和小組合作能力，為學生的生物學科核心素養的培養有很好的促進作用。

高中生物學科核心素養指出，本課程對高中生獨有的育人貢獻主要表現為提高學生的生物學科核心素養，具體體現在以下幾個方面：生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任。本節課中對這幾方面的體現主要在以下幾個方面：通過對轉基因過程的模擬和演示讓學生能夠明白人之所以能夠產生胰島素是由于人體內有指導產生胰島素的相關基因，而如果將胰島素基因導入大腸桿菌，也能夠讓不能產生胰島素的大腸桿菌產生胰島素，至此使學生明白生物的性狀是由基因決定的，從而理解生命特征的物質性，形成生命觀念的物質觀。通過自己親手體驗實施基因工程的過程，明白模型構建的重要過程和研究方法，進而提升學生的科學思維。另外，通過學生親自參與基因工程的過程，讓他們明白科學探究的一般過程，體驗科學探究的過程。最后，通過舉例說明基因工程可以造福于人類，但同時如果將某些致病基因轉入人體則有可能使人致病，從而引起健康問題，如果是不法國家利用基因工程制作生物武器則有可能引起全世界的恐慌和世界戰爭，所以對基因工程這樣的現代生物技術應該審慎使用，在使用前要全面評估該技術可能引起的社會問題，進而引導學生形成正確的生命技術態度，以服務人民、改善人民的生物技術為好技術的價值觀念。

當然高中生的生物學科核心素養的實現絕不是一兩節課就能實現的，只有通過一線教師持之以恒的不斷探索，針對不同課程內容不斷地凝練大概念，不斷地細化教學過程，不斷研究課標，認真整合教材和生活中的教育資源才有可能為新一輪課改的實施奠定基礎。

（作者單位：舟曲縣第一中學）