基于深度學習的“基因工程的基本操作程序”教學設計

王海霞

(山東省教育科學研究院 山東濟南 250002)

1 教材分析

“基因工程的基本操作程序”選自人教版生物學《選擇性必修3·生物技術與工程》第三章第二節,包括基因工程的主要操作步驟、相關技術和方法,是對“重組DNA 技術的基本工具”的綜合應用,也是學習基因工程應用的基礎,為本章的核心內容。 基因工程主要為分子水平上的操作,學生對此缺乏直觀感受,且相關技術原理比較抽象,在教學中很多教師單純依托教材讓學生機械記憶基因工程的操作步驟以及相關技術和方法,不利于學生深度學習,發展學科核心素養。

2 學情分析

學生在必修模塊已經學習了DNA 的結構、DNA復制和基因指導蛋白質合成等知識,對基因的結構和功能有一定認識。 同時,通過對“重組DNA 技術的基本工具”的學習,學生了解基因工程的發展歷程、基因工程操作所需的三種“分子工具”以及載體需要具備的條件,為本節課的學習奠定堅實的理論基礎。 高二學生思維活躍,有較強的邏輯思維能力和創新精神,對基因工程及轉基因技術安全性等社會熱點問題較為關注,但對基因工程的具體操作程序了解較少。 為此,教師需要精心創設問題情境,激發學生強烈的求知欲,培養學生運用學科知識解決實際問題的能力。

3 教學目標

依據課程標準的內容要求,制訂如下指向學科核心素養的教學目標:

(1) 通過多種途徑搜集基因工程應用的實例,比較分析“生產重組新冠病毒蛋白疫苗”真實情境所體現的現實需求,嘗試構建基因工程操作的主要步驟,形成以生命觀念為指導解決實際問題的能力。

(2) 通過分析DNA 復制的過程和條件,演繹推理PCR 反應需要的條件培養科學思維;利用實物模型模擬PCR 反應以及基因表達載體的構建過程,加深對結構與功能觀的理解,提升開展合作探究的能力。

(3) 針對日常生活中與轉基因技術相關的熱點話題,能基于基因工程的實質表達自己的觀點,以理性、科學的態度對待基因工程取得的成果,認同科學技術的發展對生產、生活的正面影響,培養求真務實的社會責任感。

4 教學過程

4.1 創設情境,聚焦問題

教師圖片展示“新冠疫情下的日常生活場景”,通過出門戴口罩,回家勤洗手,進門掃場所碼,定期進行核酸檢測等真實情境引出重組新型冠狀病毒疫苗。接著,教師播放有關重組新冠病毒蛋白疫苗的視頻,并提出問題:① 在重組新冠病毒蛋白疫苗制備的過程中用到什么技術? ② 制備重組新冠病毒蛋白疫苗需要哪些步驟?

設計意圖:教師課前安排學生搜集感興趣的基因工程應用實例,匯總后選擇最具代表性的重組新型冠狀病毒疫苗實例作為貫穿本節課的情境。 通過資料的搜集整理,學生能親身感受基因工程的應用和巨大價值,從而激發他們產生解決現實問題的濃厚興趣。

4.2 任務驅動,探究本質

教師展示新冠病毒圖片,提供我國生產重組新冠病毒蛋白疫苗的相關資料,如中國倉鼠卵巢細胞(Chinese Hamster Ovary,CHO 細胞),并提出問題:① 重組新冠病毒蛋白疫苗中發揮作用的物質是什么? ② 通過什么方法能大量高效地獲得S 蛋白? 學生分析資料,合作探討高效合成S 蛋白的方法,通過討論明確應用基因工程可以獲得大量S 蛋白。

4.2.1 目的基因的獲取

新冠病毒的遺傳物質是RNA,而基因工程是DNA 分子水平上的操作,如何獲得雙鏈S 蛋白基因?學生思考回答通過逆轉錄過程可以得到。 教師進一步追問通過逆轉錄獲得的基因數量較少,如何能夠快速獲取大量S 蛋白基因,以此引出PCR 技術。 教師首先引導學生自主學習PCR 的概念,回顧體內DNA復制的過程,為學習體外PCR 技術做鋪墊。 其后,播放PCR 過程的演示視頻,令學生形象直觀地認識PCR 過程。 接著,教師給出任務1:模擬PCR 擴增S蛋白基因的過程。 教師提供目的基因、引物、脫氧核糖核苷酸、熱穩定的DNA 聚合酶等模型材料,鼓勵學生模擬PCR 擴增S 蛋白基因的過程。 學生小組合作進行模型建構,由小組代表展示成果(圖1)。

圖1 小組成果展示圖

設計意圖:結合圖片和資料,引導學生回顧DNA復制的相關知識并推理PCR 反應所需的條件;通過模型建構為每位學生提供參與活動的機會,激發學習主動性;通過模型構建活動將抽象的內容具體化,使深奧的理性思維顯性化。

4.2.2 基因表達載體的構建

教師繼續提問“獲取了足量的S 蛋白基因后,能直接將其導入受體細胞嗎?”,引出基因表達載體構建的目的,引導學生進一步思考:若目的基因在受體細胞中可以遺傳給下一代并能表達和發揮作用,應當具備哪些組成元件? 其作用是什么? 教師展示基因表達載體的模式圖,基于上述內容,布置任務2:要求以小組為單位構建S 蛋白基因的表達載體。

教師提供活動材料(圖2):質粒模型、紅色紙條(含有目的基因的DNA 片段)、剪刀(限制性核酸內切酶)、膠帶(DNA 連接酶)。

圖2 活動材料展示

學生首先進行活動一:小組內討論選擇哪種限制酶切割質粒和目的基因,討論完成后構建基因表達載體。 教師利用投屏軟件在大屏幕上展示各組成果,由小組代表上臺講述。 接著,教師引導學生深度思考:若只用一種限制酶切割目的基因和質粒,連接方式唯一嗎? 如何解決目的基因自身環化和片段任意連接等問題呢? 接著,學生進行活動二:小組討論可行方案,再次構建基因表達載體。 小組代表上臺展示成果并講述理由,其他小組補充、完善或評價。 最后,在該活動的基礎上由學生總結構建基因表達載體的注意事項。

設計意圖:設置問題串,引導學生總結基因表達載體的構建目的和基本組成元件。 通過模型建構讓每個學生直觀認識基因表達載體的構建過程,以及各元件的位置與功能。 在操作中,學生發現基因片段會任意連接,繼而通過小組合作,討論優化酶切方案。 相較于教師直接提問,學生在操作過程中自主發現問題更具教育價值,更能調動學生的學習興趣,激發其主動進行深度思考,深化科學思維。 如此,學生總結基因表達載體的相關注意事項也就水到渠成。 在該過程中,學生通過構建模型實現科學思維和學習行為的統一,鍛煉了動手操作、交流討論和歸納總結的能力。

4.2.3 將目的基因導入受體細胞

構建S 蛋白基因表達載體后需將目的基因導入受體細胞,如何將S 蛋白基因導入CHO 細胞呢? 教師提供花粉管通道法、基因槍法、農桿菌轉化法、顯微注射法、病毒介導法等將表達載體導入受體細胞方法的資料,引導學生閱讀資料并分析能將S 蛋白基因導入受體細胞的方法。

設計意圖:利用相關資料讓學生結合具體問題尋找合適的方法,培養學生分析資料、提煉信息、基于真實情境進行推理的邏輯思維能力。

4.2.4 目的基因的檢測與鑒定

將S 蛋白基因導入受體細胞后,細胞一定能表達生成S 蛋白并發揮作用嗎? 基因的表達包括哪些過程? 根據基因表達的過程,推測可以從哪些層次進行檢測與鑒定? 教師布置任務3:列表比較在不同層次檢測與鑒定目的基因的方法。 學生小組討論,根據基因表達的過程推測可以從哪些層次進行檢測與鑒定,分析方法并簡要描述相關過程,組內討論后以表格形式呈現結果。

設計意圖:聯系基因的表達過程(轉錄和翻譯),便于學生推測在分子水平上,可從三個層次檢測目的基因的存在。 學生在歸納、總結檢測與鑒定方法時,可聯系本節課所講的PCR 技術和之前學習的抗原-抗體雜交技術。 學生以小組合作的方式總結目的基因鑒定方法有助于促進思維碰撞,通過同伴互助共同構建知識體系。

4.3 學以致用,遷移探索新知

教師展示日常新冠病毒核酸檢測的圖片,引導學生思考“檢測是否感染新冠病毒的方法有哪些”,鼓勵其聯系本節學習內容理解核酸檢測、抗原檢測的作用機理。 教師布置任務4:運用類比法,構建利用基因工程培育抗蟲棉的基本操作流程圖。 學生利用教材內容結合教師提供的資料,探尋將目的基因導入植物細胞的方法,通過小組合作構建基因工程培育抗蟲棉的流程圖。

設計意圖:利用類比可實現知識遷移,促進學生運用所學知識與技能解決實際生活問題,助力學生感受生物學知識在生活中的應用,增強其社會責任感。

5 教學反思

有效的教學情境能夠激發學生的好奇心和求知欲,點燃學生的學習熱情,從而使學生主動參與到知識的探索發現和認識歷程中。 本節課將“重組新冠病毒蛋白疫苗的制備”情境貫穿于整個教學過程中,通過組織學生開展自主學習、模型建構、小組討論等活動進行深入探究,使學生體驗基因工程的方法和過程。 通過類比引導學生實現知識遷移,將抽象的概念具體化、操作實體化、思維可視化,實現真實情境與課堂教學情境的聯結,將生物學核心素養真正踐行于課堂教學。