基于模型構建的“DNA重組技術的基本工具”的教學設計

張云

摘要根據學生已有的認知結構、教材內容之間內隱的邏輯關系，創設情境展開教學，以問題串引導學生思考、討論，并通過模擬操作幫助學生建立知識結構模型，從而突破重難點。

關鍵詞 DNA重組技術限制酶 DNA連接酶教學設計

中圖分類號G633.91 文獻標志碼B

1教材分析

“DNA重組技術的基本工具”是高中生物《選修3·現代生物科技專題》專題一“基因工程”的第一節教學內容，既是對必修二基因工程的延續和拓展，又是本章其他內容的基礎，也是高考命題熱點所在，是公認的教學重、難點。

2學情分析

學生雖然在高一學過基因的本質、DNA的分子結構、基因工程等有關知識，具有了一定的知識基礎，但由于學習間隔的時間較長，難免有所遺忘。基因工程屬于分子水平范疇，內容較抽象，學生無法直觀體會、理解，雖然在平時經營了較多訓練，但是在高考中此類題目的得分率仍然很低。針對以上這些因素，教師在教學中合理創設情境，由淺入深地幫助學生理解、掌握。本節課共設置兩次模擬操作，采用化復雜為簡約，化抽象為具體等方法，使學生更加直觀理解、掌握內容。

3教學目標

①理解基因工程的基本概念，簡述DNA重組技術的三種工具;

②通過嘗試模型構建，理解限制酶、DNA連接酶的作用過程及部位;

③認同基因工程的誕生和發展離不開理論研究和技術創新。

4教學過程

4.1創設情境，引入新課

教師展示防凍番茄、熒光魚、耕地雞等圖片，提出問題：“如何使行道樹發光？”學生根據以往所學的知識，很容易回答出問題。教師由此導入本節課所要學習的內容“基因工程”，展示基因工程的定義。教師強調基因工程是在分子水平上的操作，可定向地改造生物的遺傳性狀，基因工程創造出的生物被稱為轉基因生物。

4.2在情境模擬操作和問題串的應用中引導學生理解基因工程的三種工具

4.2.1用模擬操作讓學生直觀體會限制酶的作用特點

學生模擬操作一：標有EcoR I、Sma I、Bam HI三種限制酶識別序列（表1）、切割位點用↓表示的線條;剪刀。

教師指導學生用剪刀模擬三種限制酶的切割過程，并提出問題：EcoR I酶和Sma I酶切割后產生的末端有何不同？限制酶作用部位是哪里？如何理解“限制”一詞？教師在學生推測的基礎上完善、補充，讓學生理解回文序列的特點，并強調限制酶的特點、作用部位。

學生模擬操作二：在教師出示的含目的基因的DNA片段上（EcoR I酶識別序列和切割位點為G↓AATFC），嘗試將目的基因剪切下來。

在這個操作中，學生會遇到一些問題，所以教師要適時開展小組討論，相互交流、啟發，以求得問題的解決和認識的深入。教師選取、展示幾位學生的切割結果，并提出問題：

①目的基因的兩個末端是否可以黏合？

②EcoR I酶切割產生的末端和BamH I酶切割產生的末端是否可以黏合？為什么？通過對以上幾個問題的分析，學生很容易得出同種限制酶切割產生的末端是相同的，為后續DNA重組模型的構建做好鋪墊。

4.2.2讓學生在模型運用中理解DNA連接酶的作用特點

教師將學生模擬切割后產生的片段重新放在一起，引導學生仔細觀察，并提出問題：兩個相同的末端連在一起是一個完整的DNA嗎？學生會發現兩個片段間存在一個缺口，隨即教師提出第二個問題：缺口是如何產生的？破壞的是哪個化學鍵？如何將缺口修復？這樣導出DNA連接酶的作用。學生閱讀教科書，回答DNA連接酶的種類和區別。教師強調DNA連接酶連接的是兩個互補的DNA片段，作用的部位是磷酸二酯鍵。

4.2.3運用類比推理讓學生理解運載體

運載體的種類和載體必須具備的條件是教學的難點，針對這一難點，教師可采用類比推理的方法能變陌生為熟悉，深入淺出地幫助學生理解抽象復雜的知識。

在教學中，教師可作如下處理：

①人造衛星無法自行飛到太空中，火箭卻可以，人們把人造衛星和火箭綁定，結果太空中有了人造衛星。

②噬菌體侵染大腸桿菌時，能將其DNA注入大腸桿菌。

③土壤農桿菌侵染植物時，能將其質粒帶入植物細胞，如何將目的基因導入受體細胞？

其中，教師引導學生概括出運載體的種類。解決上述問題后，教師繼續設計邏輯性強、有層次的問題串引導學生思考、討論：

①螢火蟲的發光基因和運載體拼接需要哪些工具？

②運載體須具備什么條件才能被限制酶識別和切割？

③運載體需滿足什么條件才能在受體細胞中自我復制？

④為什么通常人們采用大腸桿菌體內的質粒，而不采用霍亂弧桿菌中的質粒？

⑤如何判斷目的基因是否導入受體細胞？

各學習小組合作探究、討論以上問題，相互補充、完善答案。在學生明確以上問題后，教師引導學生概括出載體必須具備的4個條件，理清它們之間的邏輯關系，深化學生對這部分內容的理解，并強調天然的載體一般需要經過人工改造才可。

4.3小組合作，建構DNA重組模型

小組活動材料：表示模擬操作二獲得的目的基因、1個質粒（需要將兩端連接成環的線條），質粒和DNA片段含有被EcoR I酶識別的序列;剪刀、透明帶。

教師指導學生利用所給的工具構建重組DNA。學生交流討論、上臺展示操作成果，教師提出問題：

①將多個的目的基因和質粒放在一定的環境中，會有多少種連接方式？②如何避免錯誤連接？學生除了得出正確的連接方式之外，還可能出現目的基因和目的基因、目的基因和質粒的反向連接、目的基因和質粒的自身環化，三個及三個以上同時連接等方式。教師引導學生分析形成這些錯誤連接的原因并提出修改方案。最后，教師總結如果采用兩種酶切可以避免質粒和目的基因的自身環化和反向連接，即使這樣也不能100%成功，所以還要進行篩選。通過討論為下一節的學習做好鋪墊，同時讓學生理解學科技術是不斷發展。

5教學反思

本節課的設計突破了基因工程以講授為主的教學方法，教師充分利用情境展開教學，借助兩次小組模擬操作和層層遞進的問題串引導學生在動手操作中對相關問題的思考，變抽象為具體，使學生從宏觀上理解限制酶的切割、重組質粒的構建過程，解決了學習的難點，使學生更好地理解核心概念，提升思維能力。在實際教學中，學生參與熱情高，在思維碰撞中找到解決問題的方法，形成操作步驟，培養了交流、分析、歸納總結的能力。但個別組對限制酶作用的特點了解、運用不夠，導致在完成操作二時遇到了困難，因此在教學中需要對模擬操作二進行質量把關，為后續的學習打下扎實的基礎。