“DNA重组技术的基本工具”一节的教学设计

杨二群

摘 要 根据“发现问题”“分析问题”到“解决问题”的规律，针对高中生物教学中“基因工程”这一难点进行设计，创设并充分利用情境展开教学，以问题串贯穿引领学生深入浅出，并通过模拟操作实验变抽象为具体，帮助学生降低学习难度，把握重点。

关键词 基因工程 限制酶 DNA连接酶 模拟操作 教学设计

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 教材和学情分析

“DNA重组技术的基本工具”是高中生物《选修3·现代生物科技专题》中“基因工程”专题的第一节教学内容。转基因是当前社会的热点话题，近些年各地高考生物试卷中关于基因工程的内容可谓是屡见不鲜，而学生对于此类题型得分率往往偏低，因此该内容是教学公认的重、难点。

学生得分低的根本原因还是基础知识掌握不牢，没有完全理解核心概念，在此前已经学习过必修二模块的基因的本质、基因的表达等相关遗传学知识，有了一定的知识基础。但由于遗传本身也是高中生物中的一个难点，且还间隔了一段时间，难免有所遗忘，再加上“基因工程”是分子水平的范畴，内容抽象，以往学生学习全靠想象，无法直观地体会，学生学起来比较吃力。考虑到上述的这些因素，为提高教学效率，让学生牢牢把握相关基础知识，教师在教学设计中应做到合理利用科学史创设情境、适当复习回忆相关知识、化抽象为具体、由浅入深等来帮助学生克服难点。

2 教学目标

2.1 知识目标

理解基因工程的概念，简述DNA重组技术所需的三种基本工具。

2.2 能力目标

模拟限制酶、DNA连接酶的作用过程。

2.3 情感、态度与价值观目标

认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术的创新。

3 教学过程

3.1 巧设情境，通过两个问题让学生掌握基因工程的由来与概念

教师用多媒体展示绿色荧光海蜇与老鼠的两张图片，提出问题：“导致老鼠和海蜇性状差异的根本原因是什么？”学生可能回答出“DNA”“染色体”“基因”“蛋白质”“RNA”等五花八门的答案。教师在给出“它们的DNA所携带的遗传信息不同”这一正确答案后，明确生物性状差异的根本原因在于遗传信息上，直接原因在于蛋白质。之后，顺便把学生回答的这些答案加以总结，利用PPT投影模拟图，帮助学生回忆“染色体”“DNA”“基因”等概念的关系，强调基因是遗传的基本单位，并在图中指明DNA中的“磷酸二酯键”和“氢键”。

然后，教师再指出：在海蜇与老鼠的诸多差异中，有一种性状老鼠是没有的，那就是能发出绿色荧光。教师提出问题：“若老鼠也想发光，可以怎么做？”根据学生回答情况，有必要的话教师可以跟学生一起分析：海蜇能发出荧光的原因是什么？（海蜇体内有绿色荧光蛋白）追问：为什么海蜇体内能产生该蛋白而老鼠不能呢？根本原因是什么？（海蜇体内有绿色荧光蛋白基因，绿色荧光蛋白基因通过表达产生绿色荧光蛋白，而老鼠体内没有该基因）

在此基础上，有学生会提出要想老鼠发光可将海蜇的绿色荧光蛋白提取并植入老鼠体内，也有学生提出应该植入老鼠体内的是海蜇的绿色荧光蛋白基因。

对两种方案进行讨论比较，学生可很快得出：“向老鼠转入绿色荧光蛋白使老鼠发光，效应不可持续，为了老鼠能够持续具有荧光效应，应当给老鼠转入绿色荧光蛋白基因，因为基因可遗传。”

随后，教师通过投影向学生展示绿色荧光老鼠和荧光猪的照片，并指出它们就是科学家利用即将要学习的“基因工程技术”所创造出来的，引导学生阅读并理解书上的基因工程概念。教师强调基因工程是分子水平上的技术设计，是一种定向改造生物遗传性状的技术，基因工程所创造出的生物被形象地称为转基因生物，即转入了外源基因的生物。

3.2 深挖情境，由浅入深引出基因工程操作中的三种工具

经过上一环节，学生明白了什么是转基因生物，教师提出第三个关键问题：“假如你就是当初的科学家，要想把海蜇体内的绿色荧光蛋白基因转接到老鼠体内，你需要拥有哪些工具？”因为有了前面的铺垫，学生不难回答出需要有一种能够把基因从相关DNA上剪切下来的工具、运输到老鼠体内的工具以及连接工具（教师可根据具体情况引导学生思考）。在学生回答后，教师加以总结：科学家当年就是带着同样的目的去寻找这些工具，并于20世纪60～70年代，依次发现了符合要求的这些工具，它们依次是“限制性核酸内切酶”“DNA连接酶”“运载体”，在此过程中还发明了DNA人工合成技术和测序技术。

3.3 变抽象为具体，通过模拟操作，让学生熟悉基因工程操作中的基本工具

教师引导学生逐一掌握基因工程操作中三种工具的概念及作用机理。

3.3.1 限制性核酸内切酶

教师向学生介绍限制酶的发现史，以EcoRⅠ酶和Hpa I酶这两种限制酶为代表（分别切割出黏性末端和平末端）介绍限制酶的概念及相关知识，带领学生观察并发现限制酶识别序列的特点——都是倒置重复的回文序列。然后进行模拟操作一：利用课前发放的就有EcoRⅠ酶的识别序列（■）的纸条（图1），用剪刀模拟EcoRⅠ酶切割DNA。

在學生操作结束后，教师选几位学生的切割结果加以分析点评，并指出切割后形成的3个DNA片段中，把中间一段假设为绿色荧光蛋白基因加以保留。

3.3.2 DNA连接酶和运载体

教师介绍DNA连接酶和运载体的发现史、概念、分类与作用等相关知识，强调DNA连接酶连接的是两个末端互补的DNA片段，通过形成磷酸二酯键完成。天然的载体一般不同时具备有限制酶切割位点、启动子、终止子、标记基因、合适大小等要素，往往需要经过人工改造方可。随后按教师要求进行模拟操作二：把已发放的纸环看作质粒（图2），告诉学生所拿到的质粒上也有EcoRⅠ酶的识别序列，用剪刀模拟EcoRⅠ酶切割质粒后，再用胶带纸当作DNA连接酶连接操作一中切割的目的基因与切割后的质粒。

学生交流操作成果，总结并讨论：一共可能会有多少种连接结果？如何避免错误连接？设想在一定的环境中许多被切割后的质粒和目的基因在一起，同时被DNA连接酶作用，由于前面已经强调了DNA连接酶的作用特点，学生不难提出除了正确的连接之外，还可能出现反向连接、目的基因和载体自身环化，三个及三个以上同时连接等。教师引导学生分析形成这些错误的原因，提出改进方案（对于反向连接、自身环化可以用两种限制酶切割以形成不一样的末端而加以避免，但即使这样也不能保证100%成功，所以连接后还需要筛选）。通过讨论可以为下一节“基因工程的操作程序”的学习做铺垫，同时让学生理解科学技术需要不断发展完善，并感受科研工作的艰辛与意义。

4 教学反思

教师找到了以往学生学习本节难处所在，并对学生的难点进行了充分的分析，在此基础上进行教学设计，遵循了从“发现问题”到“分析问题”“解决问题”的科学思路。用老鼠和海蜇创设情境，能很好吸引学生的学习兴趣，教师充分利用情境，通过关键问题帮助学生回忆复习了遗传的相关知识点、理解基因工程的概念、到底什么是转基因生物这一社会热点话题，并形成知识框架，同时巧妙地引出本节的教学重、难点——DNA重组技术的基本工具。对于限制酶、DNA连接酶等抽象的分子水平概念，通过设计模型和两次模拟操作，变抽象为具体，让学生宏观上直观体会限制酶的切割、DNA连接酶的连接等过程，在动手操作及思考中学习新的知识，降低了学生的学习难度，效果显著。

在教学中，“如何让老鼠发光”这一情境，自然而然地引入“限制酶”“DNA连接酶”“运载体”的发现史，有助于学生在情感上认同基因工程的诞生与发展离不开理论的研究与技术的创新。

不论在什么学科，都会有一些教学的难点，为让学生突破难点、把握难点，更好地体会相关核心概念，教师在教学设计中，分析、了解学生难点，通过创设情境，使学生的注意力高度集中、积极思维，并充分利用情境结合多媒体、模型、实验操作等一些教学手段，降低学习的难度，加深学习的深度。