基于科學史和模擬活動的基因工程教學設計

仰露

摘 要 利用基因工程科學發展史材料，以講故事、模擬活動、設計問題等方式完成基因工程教學內容。讓學生在聽故事的同時，學習、理解、思考基因工程知識的整體構架和具體細節。

關鍵詞 基因工程 科學史 模擬活動

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 設計思路

本節課的教學設計以基因工程發展歷史為線索，貫穿基因工程的基本操作步驟，中間穿插工具酶、質粒載體的作用和特點。本節教學以故事的形式呈現，牢牢抓住學生注意力，隨著故事的情節發展，逐步突破教學重難點——基因工程的原理及基因工程的基本操作步驟。教師在敘述故事過程中，設計了一系列問題串引導學生思考、分析、討論，讓學生體驗科學發展的同時，學會面對實驗中的困難，并運用所學知識攻克困難，提高學生分析問題、解決問題的能力。故事尾聲時，教師要求學生總結出基因操作步驟。對于另一些重難點知識——限制性核酸內切酶的作用特點、DNA連接酶的作用和質粒在基因工程中的作用，通過設置模擬活動讓學生直觀地感受微觀分子世界，找到思維附著點。

2 教材分析

浙科版高中生物教材《選修3·現代生物技術專題》第一章“基因工程”第一節“工具酶的發現和基因工程的誕生”和第二節“基因工程的原理和技術”的內容包括：（1） 基因工程的含義和基因工程的主要內容；（2） 限制性核酸內切酶的含義及作用特點；（3） DNA連接酶的作用；（4） 質粒的含義、特性及在基因工程中的作用；（5） 限制性核酸內切酶、DNA連接酶和質粒對基因工程誕生的作用；（6） 基因工程的原理；（7） 基因工程基本操作的幾個步驟。其中，限制性核酸內切酶的作用及作用特點、DNA連接酶的作用、質粒在基因工程中的作用、基因工程的原理及基因工程的基本操作步驟是教學重點，后四個同時也是教學難點。這兩節內容的學習是在學生學習了必修2中DNA是生物遺傳物質、DNA的結構和遺傳信息的傳遞方式、基因是遺傳物質的結構單位和功能單位等知識的基礎上進行，是對必修2中知識的深化和運用。同時基因工程能與后續克隆技術、胚胎工程結合運用，體現了知識之間的內在聯系。

3 教學目標

知識目標：（1） 說出基因工程的含義和基因工程的主要內容；（2） 說出限制性核酸內切酶的含義及作用特點；（3） 說出DNA連接酶的作用；（4） 簡述質粒的含義、特性及在基因工程中的作用；（5） 解釋限制性核酸內切酶、DNA連接酶和質粒對基因工程誕生的作用；（6） 簡述基因工程的原理；（7） 概述基因工程基本操作的幾個步驟。

能力目標；（1） 通過對科學史進程的學習，總結出基因工程步驟；（2） 通過模擬活動和評議，將微觀分子操作可視化。

情感、態度與價值觀目標：從科學史的學習中體會到：科學能轉化成技術，技術將服務于社會。

4 教學過程

4.1 情景導入

（1） 教師展示濫用抗生素和超級細菌漫畫引入抗生素和細菌抗藥性：抗生素是一類能夠殺死細菌的藥物，常見的有四環素、卡那霉素、氨芐青霉素等。自從20世紀40年代開始，抗生素被發現和廣泛使用，人們一度以為，抗生素將結束一切由細菌引起的感染，而事實并非如此！因為細菌很快產生了抗藥性。

（2） 教師引入抗生素抗性基因：科研人員發現，細菌抗藥性的產生與細菌獲得了抗生素抗性基因有關。抗生素抗性基因能表達出某種蛋白質，干擾相應的抗生素發揮作用。

（3） 教師提出問題：抗生素抗性基因在細菌的哪里呢？學生猜測，教師給出答案：實驗表明，絕大多數抗生素抗性基因并不在擬核，這提示著細菌中除了擬核之外，還存在其他DNA，是什么呢？教師給出細菌的結構示意圖（包含擬核和質粒），并說明：有科學家發現了它，并命名為“質粒（DNA）。

設計意圖：以細菌抗藥性作為情景導入，引起學生的興趣，引出抗生素抗性基因，進一步通過提問抗生素抗性基因在哪，引出質粒（DNA）。

4.2 介紹質粒

教師展示細菌結構示意圖（包含擬核和質粒）、電鏡下的質粒圖和雙螺旋結構的質粒圖，引導學生通過觀察圖片，說出質粒DNA與之前學過的DNA有何共同點和區別。學生回答后，教師點評總結：質粒是環狀的、小的、獨立于擬核之外的，質粒也是雙鏈的、具有雙螺旋結構。最后給出質粒的定義：質粒是能夠自主復制的雙鏈環狀DNA分子，在細菌中獨立于擬核之外的方式存在，是一種特殊的遺傳物質。教師給出質粒隨細菌的繁殖而復制的圖片，并解釋何為自主復制。

設計意圖：通過展示質粒圖片，給學生以直觀的認識；學生通過觀察質粒，自己總結質粒的部分特征。最后教師對質粒做出總結。

4.3 利用科學史料，教師預設問題引導學生進行學習

（1） 介紹抗生素抗性基因的位置和作用。

教師展示不含四環素抗性基因質粒和含四環素抗性基因質粒的示意圖，進一步展示分別含這兩種質粒的細菌示意圖，并提出問題：在培養這兩種細菌時，向培養基中加入四環素，兩種細菌的命運如何？學生回答，教師點評：質粒上沒有四環素抗性基因的細菌死亡，另一種細菌存活。教師引出研究質粒上抗生素抗性基因的科學家——斯坦利·科恩。

設計意圖：通過展示圖片，讓學生形成直觀認識——抗生素抗性基因在質粒上。通過提問，說明抗生素抗性基因的作用，為后面的“篩選含重組DNA的受體細胞”做鋪墊。

（2） 介紹質粒導入大腸桿菌的方法和抗生素篩選的方法。

教師展示斯坦利·科恩猜想：將具有四環素抗性的大腸桿菌中的質粒提取出來，導入普通的大腸桿菌，后者或許就具有了四環素抗性。教師提出問題：① 要將質粒提取出來，需破壞大腸桿菌細胞的什么結構？② 導入過程中，質粒要穿過大腸桿菌細胞的什么結構？③ 能不能保證每一個大腸桿菌都會被成功導入質粒？學生回答，教師總結：破壞大腸桿菌的細胞壁和細胞膜，即對大腸桿菌進行破碎處理；穿過細胞壁和細胞膜，這并不容易，特別是穿過大腸桿菌細胞壁，非常困難，并進一步追問：怎樣將成功導入的大腸桿菌篩選出來呢？學生回答，教師點評。最后教師指出：在實際實驗中，質粒導入的過程失敗了，而失敗的原因也不難分析，因為大腸桿菌有細胞膜和細胞壁（特別是細胞壁），阻止外來DNA的進入。endprint

教師提出：這時，有兩位研究噬菌體的科學家在實驗過程中發現，如果用氯化鈣處理大腸桿菌，噬菌體的DNA很容易就進入了大腸桿菌。原來氯化鈣能夠增加大腸桿菌細胞壁的通透性，從而使外部的DNA容易進入細胞。斯坦利·科恩也借鑒了他們的方法，用氯化鈣處理了大腸桿菌，結果有少數的大腸桿菌成功地導入了質粒，并用四環素將這些大腸桿菌篩選出來了，說明成功導入質粒的大腸桿菌獲得了四環素抗性。

設計意圖：通過介紹科學家的猜想和科學發展史，闡明質粒導入大腸桿菌的方法，針對科學家的猜想提出問題，引出抗生素篩選方法。讓學生感受科學家實驗中遇到問題、解決問題的過程。

（3） 介紹限制性核酸內切酶和DNA連接酶。

教師展示資料：斯坦利·科恩參加了一場生物學會議，會議上一個叫赫伯特·博耶的科學家作了報告，報告中稱自己分離純化出一種限制性核酸內切酶，命名為EcoRⅠ。所謂限制性核酸內切酶，是指能夠識別、結合和切割特定核苷酸序列的酶，例如EcoRⅠ識別、結合和切割的位點是 。教師展示切割動畫，動畫末顯示切割之后產生的兩個DNA片段，引出并介紹粘性末端。聽完赫伯特·博耶的報告，斯坦利·科恩聯想到自己曾看過的兩篇文章，文章作者發現了另一種酶，名為DNA連接酶，教師展示DNA連接酶作用圖片，介紹DNA連接酶。教師總結：這兩種酶的作用正好相反，前者像是剪刀，將DNA“剪斷”，后者像針線，將兩段DNA“縫補”起來。教師提出問題：限制性核酸內切酶和DNA連接酶作用的化學鍵分別是什么？學生回答。斯坦利·科恩和赫伯特·博耶在會后進行了交流，達成合作意向，逐漸形成了新的實驗思路。

設計意圖：沿著科學史的線路，引出限制性核酸內切酶和DNA連接酶，過渡自然，吸引學生注意力。教師結合圖片和動畫，讓學生對兩種酶的作用形成初步認識。

（4） 初步了解基因工程的基本操作步驟。

斯坦利·科恩和赫伯特·博耶有了什么新的實驗思路了？他們猜想如果把“某個基因”連接到質粒上后導入大腸桿菌，大腸桿菌是不是就能表達這個“某個基因”呢？

教師設置問題串：

① “某個基因”存在于某DNA分子上，如何從DNA分子上把這個基因截下來？學生回答，教師總結：需用限制性核酸內切酶將“某個基因”從DNA分子上剪下來。教師追問：剪下的“某個基因”兩側形成什么末端？學生回答：黏性末端。

② 質粒是環狀閉合的，要想在質粒上插上一個基因，首先要對質粒做什么？學生回答，教師總結：需用限制性核酸內切酶將質粒剪開。教師追問：剪開的質粒，切口處形成什么末端？學生回答：黏性末端。

③ 質粒與某個基因都具有黏性末端，若將兩者混合，它們的黏性末端能形成什么鍵？學生回答，教師總結：氫鍵。

④ 形成的氫鍵并不牢固，如何將兩者牢固地連接起來？學生回答，教師總結：利用DNA連接酶連接磷酸二酯鍵。

⑤ 連接后，得到的新的重組的質粒，如何導入大腸桿菌？學生回答，教師總結：用氯化鈣處理大腸桿菌。

⑥ 導入的成功率不是100%，如何篩選出成功導入的大腸桿菌？學生回答，教師總結：用四環素篩選。教師追問：因此，這里使用的質粒一般要含有什么基因？學生回答，教師總結：這里使用的質粒都要含有供篩選的基因，一般是抗生素抗性基因。

教師展示斯坦利·科恩和赫伯特·博耶的猜想：由于質粒能隨大腸桿菌的繁殖而復制，那么某個基因是否也會隨質粒的復制而復制呢？由于基因是控制生物性狀的，如果這里的某個基因是“氨芐青霉素抗性基因”，那么大腸桿菌是不是不僅僅具備了四環素抗性，同時還具備了氨芐青霉素抗性？如果某個基因是某個真核生物基因，那么大腸桿菌是不是就能表達真核生物基因呢？比如人的胰島素基因。

為了讓學生直觀地感受質粒與目的基因是如何被“剪”，又是如何被“縫”的，教師以紅色紙條代表含某個基因的DNA分子，白色紙條代表質粒，設置模擬活動：（1） 讓學生用膠帶將白色紙條兩端相連，形成環狀質粒（2） 再利用剪刀和膠帶模擬限制性核酸內切酶EcoRⅠ和DNA連接酶的作用，模擬重組質粒形成過程。學生制作，教師組織學生評議，并總結。

設計意圖：講述科學家的想法，利用問題串，讓學生運用前面所學知識，“幫助”科學家實現他們的想法，對基因工程的操作步驟形成初步認識。與前文的科學史銜接非常自然，水到渠成，既能引起學生的興趣，又能讓學生將知識“連點成線”。同時教師設置活動幫助學生理解微觀的分子操作，讓學生思維找到支撐點，通過收集典型錯誤、組織評議和教師總結，讓學生更深刻掌握兩種酶的作用。

（5） 進一步介紹基因工程操作步驟。

教師展示資料斯坦利·科恩和赫伯特·博耶當時選擇蛙中某個基因為目的基因，進行基因工程實驗。教師播放動畫。動畫中包含基因工程的操作步驟，涉及導入效率問題和質粒的自我環化問題。第一次播放之后，教師提出問題：（1） 質粒除了連接目的基因外，還有哪些連接方式？（2） 是否所有大腸桿菌都導入了質粒？（3） 如何篩選出成功導入的大腸桿菌？再進行第二次播放，請學生回答問題，教師點評。

教師讓學生整理基因工程的操作步驟，組織學生評議，教師追問相關步驟的細節，最后補充完善。

教師結語：后來，博耶辭去在大學里的工作，創立了世界上公認的第一個生物公司——Genentech公司，該公司第一個瞄準的目的基因就是人的胰島素基因，成功地讓大腸桿菌生產出人的胰島素！目前，Genentech是世界上第二大生物技術公司，由該公司開發的胰島素已經全面取代了傳統的牛（豬）胰腺中提取的胰島素。

設計意圖：沿著科學史的線索繼續前行，銜接自然，抓住學生的興趣。通過教師播放動畫——提出問題——再次播放動畫，讓學生對基因工程的操作步驟有了直觀的認識，對其中涉及的導入效率問題、質粒自我環化問題有深刻的理解。教師再讓學生自己總結基因工程的操作步驟，教師組織評議，促進學生對知識的內化。最后，以科學史結束，讓學生感受到：科學轉化成技術，技術服務于社會。endprint

5 教學反思

本節內容學習過程中，學生表現出很大的興趣，這主要是因為至始至終都以故事的形式貫穿。通過提問，讓學生“參與”設計科學家的實驗，“參與”解決科學家遇到的問題。學生對提出的問題積極思考，能夠很好地解決問題，更好地掌握所學知識。并且問題指向明確，問題提出之前做好了鋪墊。

模擬活動促進學生將內在知識表象化，通過對典型錯誤的評議，糾正思維中錯誤。動畫展示使得學生將內在知識直觀化，針對動畫中相關內容提問，讓學生對某些細節有更深刻的理解。最終讓學生自己總結操作步驟，有促進學生將表象、直觀認識內在化，教師組織評議，幫助學生完善、修正自己的知識體系。

科學史貫穿整節課，不僅突出重點、突破難點，同時也讓學生體驗到：科學能轉化為技術，技術又將服務于社會。我們需學習科學知識，將來為社會做出貢獻，實現自我價值。

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