“重組DNA分子的模擬制作”中紙質模型的開發與應用

譚雪青

摘 要 敘述了借助紙質材料制作成的物理模型能有效輔助學生理解抽象的高中知識，以高中生物選修3中“重組DNA分子的模擬制作”為例，說明如何開發與應用紙質模型，有效突出教學重點與突破教學難點。

關鍵詞 重組DNA分子 紙質模型 生物模型

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

模型方法作為一種現代科學認識手段和思維方式，在高中生物教學中有廣泛應用價值和意義。高中生物模型主要分為物理模型、概念模型及數學模型三類。紙質模型是指紙質材料制作成的模型，主要是指物理模型，它是培養學生思維能力、想象能力、動手能力及創新能力的重要途徑，也是高中生物學科能力培養的重點。

構建物理模型的材料有很多，紙質材料具有明顯優勢。如成本較低，容易配備，可讓學生充分參與；種類較多，可以是卡紙或打印紙等；易于裁剪與粘貼，容易構建模型；色彩豐富，可根據作品的要求在藝術性方面有所突破；材料易得，在文具店就可買到；質地有多種，或厚或薄，或軟或硬；易于收集與保存，方便交流展示。

1 改進材料，合理開發紙質模型

將教材中建議的紅綠兩色的硬紙板，改為紅白兩色的紙條，分別代表“帶目的基因的外源DNA”與“DNA載體”。并將白色紙條（DNA載體）兩端用透明膠連接起來，形成一個紙環。如此改進有以下優點：質粒是最常用的基因載體，用紙環代表質粒，既簡單形象又緊貼教材；紅、白兩色紙張比紙板容易得到，而且更易剪裁與粘貼。

具體操作：制作紅色紙條（代表含目的基因的外源DNA）和白色紙條（代表質粒），分別印有特定堿基序列（圖1），并將白色紙條兩端用膠布連接起來，形成一個紙環。

2 分層教學，合理應用紙質模型

筆者所任教的學校的生源基礎較差，按照成績將學生分為重點班與平行班。選擇其中一個普通班與兩個重點班，日常教學考慮分層教學，對普通班的教學要求需適當降低，對重點班適當提高教學要求，實現分層教學。

2.1 在普通班教學中紙質模型的應用

在普通班教學時，安排每位學生都動手將一套模型（一個“帶目的基因的外源DNA”與一個“DNA載體”模型），利用剪刀模擬限制酶，透明膠模擬DNA連接酶，進行一次DNA重組。

提示學生：限制酶EcoRⅠ只能識別GAATTC序列，并在G和A之間切開，安排學生以剪刀模擬限制酶EcoRⅠ提取目的基因和切割載體，以透明膠模擬DNA連接酶將外源DNA片段（含目的基因）與環狀質粒進行重組（每小組有3個含目的基因的外源DNA分子、3個環狀的質粒）。

學生經過模擬限制酶EcoRⅠ處理外源DNA與環狀質粒，得到以下目的基因與開放性質粒及其他碎片（圖2）。

該重組任務要求比較低，幾乎全部學生都能在教師指引下完成任務，體驗到成功。教師引導學生觀察DNA重組結果，發現部分學生出現堿基序列正向重組情況，也有部分學生出現反向重組情況。此時，教師再引導學生思考：到底哪種才是需要的重組目標？在基因工程中DNA重組方式是唯一的嗎？意外重組的方式還有哪些呢？如何避免意外重組的出現？這個問題有待解決。

2.2 重點班教學中紙質模型的應用

（1） 重點1班的應用操作：將小組成員6人的6套模型混合性進行重組。

學生小組競賽：讓各小組將重組成果展貼出來，看誰最快，種類最多。學生積極性都很高。很快各小組的展貼區都貼滿了重組DNA。學生們驚訝地發現：重組類型真多呀！而且很多都是意外的重組！

每小組6套紙質模型混合重組讓學生領悟重組類型的多樣性。但由于重組時間長、展示時間長，教師總結時間緊迫，最后未能帶領學生歸納意外重組的類型，及探究如何避免意外重組。

（2） 重點2班的應用操作：將課堂上小組的6套模型混合性進行重組改為3套，6套混合重組改為課后探究任務。

在學生模擬提取到目的基因和切割載體后，教師安排學生討論：怎樣的DNA片段才能粘貼起來？目的基因只能與載體重組嗎？經限制酶剪切后，以DNA連接酶形成的環狀情況有哪些？哪種是想要的？如何更有效得到想要的那種？請各小組將重組成果貼在黑板上，看誰速度快、種類多！

教師提示學生：經限制酶剪切后，只有兩側都具有黏性末端的DNA片段才能參加連接形成環狀DNA結構。只有單側具黏性末端的DNA片段在本實驗中不能參與構成環狀DNA，因此可以丟棄。

從黑板上展示的重組成果，學生發現除了符合需要的目的基因與載體同向連接的方式外，還有大量的意外重組情況：

（1） 目的基因與載體反向連接的方式。

（2） 有單個DNA片段自身環化的情況，包括目的基因自身環化和質粒自身環化（圖3）。

（3） 重組中還會出現兩個或三個DNA片段正向或反向連接后再環化，包括目的基因與載體重組；質粒與質粒連接；目的基因與目的基因連接（圖4）。

模擬實驗中僅以3個外源DNA分子，3個環狀的質粒進行重組已出現如此多的意外重組，若有無數個目的基因和質粒混合重組，出現意外環狀連接情況就更復雜了。

教師啟發學生思考：引起意外重組的原因是什么？學生不難歸納出原因是用同種限制酶導致出現相同黏性末端引發的。那么如何有效得到想要的重組結果，避免意外重組的出現？這樣引出在基因工程中往往實際使用兩種限制酶同時切割提取目的基因和切割質粒。

若同時用兩種限制酶切割產生的兩個黏性末端會不同（圖5），這樣就避免了環化問題，使意外重組DNA大量減少，有效得到目標重組DNA。

課后小組探究任務：6個外源DNA分子和6個環狀的質粒進行重組的情況是怎樣的？

以上案例中運用紙質模型有效培養學生思維能力，有效幫助學生直觀理解三種分子工具是如何參與重組的，可以幫助學生理解基因工程技術的的實際難題，有效突破難點。

參考文獻：

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[2] 楊麗萍.淺談生物教具在課堂教學中的應用[J].學周刊A版.2010（7）.

[3] 紀靈芝.高中生物模型建構教學的實踐研究[J].學周刊C版，2014（03）.