基于主線式問題情境的概念教學實踐

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調，要讓學生能夠深刻理解和應用重要的生物學概念，發展生物學學科核心素養。基于主線式問題情境的概念教學是學生基于生物學事實，在層層深入的問題情境脈絡中，通過小組合作解決現有問題，自主構建概念形成生命觀念的教學方式。2本文通過創設“怎樣獲得生產人胰島素的大腸桿菌\"這一主線式問題情境，引導學生自主構建“5.1.1闡明DNA重組技術的實現需要利用限制性內切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具\"這一概念。

1學情分析

“基因工程的基本工具\"是蘇教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修 生物技術與工程》第三章第一節的內容。學生在之前的學習中已經對基因的本質和結構有了一定的了解，具備相應的知識基礎。本節課的重難點是理解三種微觀“分子工具”的作用機制。

2設計思路

主線式情境不僅可以激發學生的探究熱情，還可以把知識的構建融合在情境的發展之中。3因此，本節課的教學設計側重于讓學生在主線式問題情境中，通過活動自主生成次位概念，為重要概念和大概念的構建奠定基礎。具體設計思路如圖1所示。

3教學目標

（1）通過分析重組大腸桿菌生產人胰島素的流程，闡明基因工程的實現需要依賴于限制性內切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具。

（2）通過構建重組質粒的物理模型，在實踐活動過程中，歸納概括基因工程所需的三種基本工具的特點及作用機制。

（3）通過邏輯推理發現構建重組質粒過程中存在的問題，并結合材料分析，創造性地提出改造質粒的方案以解決問題；能夠在小組合作中，分析現有構建重組質粒方案的不足之處，通過對比分析選擇出最佳方案。

（4）通過學習胰島素生產流程，形成健康文明的生活方式，能夠向他人宣傳關愛生命的觀念和知識。

4教學過程

4.1基于事實，激發思考

教師展示血糖測量儀檢測血糖的功能，引發學生對糖尿病這一健康問題的關注。隨后，教師介紹從動物胰腺提取胰島素產量低、成本高的現狀，引發學生思考大量獲取胰島素的方法。接著，教師呈現事實資料1：1978年，美國科學家使用重組大腸桿菌生產出人胰島素，這是世界上第一個上市的基因工程藥物。教師據此提出問題：怎樣獲得生產人胰島素的大腸桿菌？

設計意圖：教師通過血糖測量儀，引導學生從實際生活出發，了解糖尿病對人類健康生活的影響，明確胰島素在糖尿病治療中的重要意義，進而激發學生的求知欲望，自然引入本節課的學習內容。

4.2問題驅動，活動探究

4.2.1設計方案，構建概念

教師闡述事實資料2（人胰島素基因是具有遺傳效應的DNA片段），并展示DNA分子的平面結構示意圖。在此基礎上，教師創設子問題情境1：怎樣獲得含有人胰島素基因的DNA片段？隨后，教師展示限制性內切核酸酶（簡稱\"限制酶\"EcoRI的作用過程動圖，并補充四種限制酶的識別序列與酶切位點。基于此，教師提出以下問題： ① 限制酶破壞的是什么化學鍵？ ② 不同限制酶的識別序列有何特點？ ③ 限制酶剪切產生的末端種類有哪些？

學生通過分析資料，并以小組為單位進行討論總結，進而得出結論：限制酶能夠識別特定的DNA序列，并作用于特定部位的磷酸二酯鍵，利用限制酶作用于DNA片段的磷酸二酯鍵可獲取人胰島素基因。

教師引導學生開展學生活動1：利用限制酶獲取人胰島素基因。學生根據已知的限制酶識別序列和切割位點，用剪刀模擬限制酶的作用，對模擬攜帶人胰島素基因DNA分子的卡紙進行剪切（見圖2），從而獲取卡紙上的“人胰島素基因”片段。

學生經過小組合作，提出兩種獲取人胰島素基因的方案： ① 使用一種限制酶EcoRI切割DNA分子； ② 使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV切割DNA分子。

設計意圖：學生運用已有知識，通過分析資料理解限制酶的作用和特點。隨后，學生通過模擬實驗，將抽象的知識具象化，直觀體會限制酶在基因工程中的重要作用，明確其作為基因工程基本工具的重要地位。

4.2.2 完善方案，應用概念

導人大腸桿菌的DNA片段通常難以復制且易降解，基于此，教師創建子問題情境2：怎樣確保導入大腸桿菌的人胰島素基因穩定存在并遺傳？隨后，教師展示事實資料3：科恩（S.Cohen）和博耶（H.WBoyer）將外源DNA插入細菌質粒，并在大腸桿菌中穩定表達。接著，教師引導學生理解基因工程需要載體作為第二種工具，用于攜帶外源DNA分子進入受體細胞，而質粒是常見的載體。最后，教師展示兩種質粒的示意圖（見圖3），并提出以下問題： ① 哪種質粒更適合作為之前獲取的人胰島素基因的載體？為什么？ ② 環狀重組質粒形成時，需要合成的化學鍵是什么？

質粒導人大腸桿菌的成功率并非 100% 。教師據此創設子問題情境3：怎樣改造質粒2？如何篩選出導入質粒的大腸桿菌？隨后，教師展示事實資料4：氨芐青霉素是一種抗生素，能夠殺死大腸桿菌，而轉入氨芐青霉素抗性基因的大腸桿菌可以抵抗氨芐青霉素的作用。

學生通過分析資料，理解基因工程還需要載體和DNA連接酶這兩種基本工具，提出兩種獲得重組質粒的方案： ① 使用一種限制酶EcoRI切割質粒獲得重組質粒1； ② 使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV切割質粒后獲得重組質粒2。通過設計和改造質粒2的方案，學生歸納出質粒作為載體的基本條件，認識到基因工程中所使用的質粒通常需要經過人工改造。

教師引導學生開展學生活動2：構建重組質粒。學生依據之前獲得的“人胰島素基因”，利用剪刀模擬限制酶的作用，對環形卡紙進行剪切，獲取“被切割的載體質粒”，再用訂書機模擬DNA連接酶的作用，獲取“重組質粒”。

設計意圖：學生通過改造質粒2的過程完善制備重組大腸桿菌的方案，進而自主歸納質粒作為載體的條件，理解基因工程需要對天然質粒進行改造。通過模型構建，學生將兩種不同的重組質粒具象化，直觀感受限制酶、載體、DNA連接酶在基因工程中的具體作用。在此過程中，學生能夠形成重要概念“5.1基因工程是一種重組DNA技術”。

4.2.3反思方案，理解概念

教師展示事實資料5：在含有多個人胰島素基因和多個質粒的混合液中，DNA連接酶可隨機連接兩個具有互補黏性末端或平末端的DNA片段。教師創設子問題情境4：不同反應體系中，分別會出現哪些其他的連接結果？教師據此引導學生開展學生活動3：DNA連接酶隨機連接兩個具有互補黏性末端或平末端的片段。學生在暗箱中隨機抽取兩個“DNA片段”卡紙，若黏性末端互補或同為平末端，則用訂書機模擬DNA連接酶的作用將其連接起來。之后，教師引導學生進行學生活動4：根據模型構建的結果，以小組為單位討論并選擇構建重組質粒的最佳方案，同時闡述理由。

學生對構建的“重組質粒”進行仔細觀察，自主歸納得出：使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV獲取人胰島素基因并處理質粒獲取重組質粒的方案更為理想。這一方案能夠在含有多個人胰島素基因、多個質粒及DNA連接酶的混合液中，有效防止質粒和人胰島素基因的自身環化以及目的基因與載體的反向連接。

設計意圖：教師通過闡述事實，引發學生的認知沖突，促使學生思考可能產生的其他連接產物。通過模型構建和小組討論，學生能夠直觀地理解雙酶切法的優點。在選擇構建生產人胰島素的大腸桿菌的最佳方案的過程中，學生能夠體會到基因工程這一現代生物技術在實際應用中可能面臨的問題，并嘗試提出解決方案，從而培養社會責任意識。

5教學反思

教師通過“怎樣獲得生產人胰島素的大腸桿菌”這一主線問題創設情境，促使學生設計生產人胰島素的大腸桿菌的方案。教師通過四個不同的子問題情境，發展學生的科學思維能力，讓學生在分析材料、解決問題的過程中，逐步完善生產流程；同時結合四個學生活動，發展學生的科學探究能力；通過將抽象知識具象化幫助學生體會三種工具的作用機制，從而引導學生自主構建次位概念“5.1.2DNA重組技術的實現需要利用限制性內切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具”，為學生理解重要概念“5.1基因工程是一種DNA重組技術\"和大概念“5基因工程賦予生物新的遺傳特性”奠定基礎。學生在深度思考子問題的過程中構建概念，最終解決主線問題。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[M.北京：人民教育出版社，2020.

[2李艷華.巧設主線化情境，發展生物學核心素養[J」.生物學教學，2019，44（12）：17-19.

[3]李艷華.例談主線化情境創設的四個環節[J].中學生物教學，2019（19）：37-39.