任務(wù)驅(qū)動下的教學(xué)設(shè)計策略——以“基因工程概述”為例

殷亞妮

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇南京 210003）

1 教材分析及設(shè)計思路

“基因工程概述”是高中生物蘇教版《選修3·現(xiàn)代生物科技專題》的第一章“基因工程”的第一節(jié)。本節(jié)需要學(xué)生掌握的基因工程的工具和實(shí)施過程偏實(shí)踐性、操作性，是科學(xué)原理和知識運(yùn)用于實(shí)踐的技術(shù)手段。而與其有關(guān)的原理是學(xué)生在《必修2·遺傳與進(jìn)化》中學(xué)過的“DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制”“基因的表達(dá)”“中心法則”等內(nèi)容。鑒于基因的微觀性，該部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難以理解，是高中生物教學(xué)中的難點(diǎn)。同時，通過基因工程改造生物的性狀，獲得新的生物品種，與細(xì)胞工程和胚胎工程密切聯(lián)系，因此也是《選修3·現(xiàn)代生物科技專題》的重點(diǎn)和基礎(chǔ)。

高二學(xué)生對基因的結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，且轉(zhuǎn)基因技術(shù)是當(dāng)今社會關(guān)注的熱點(diǎn)話題，教師以培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任的學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向，創(chuàng)設(shè)社會現(xiàn)實(shí)問題情境，通過一系列問題，層層深入地啟發(fā)學(xué)生深入思考，主動構(gòu)建起基因工程工具和實(shí)施過程的知識框架。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）為解決“滿足患者對胰島素需求”的現(xiàn)實(shí)問題，提出培育合成人胰島素的大腸桿菌的方法，探索該方法得以實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)和條件，提升用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的意識和能力，養(yǎng)成社會責(zé)任感。

（2）小組討論大腸桿菌合成人胰島素的可行性，結(jié)合生物基因結(jié)構(gòu)和功能的一致性，所有生物共用一套遺傳密碼等基本生物學(xué)概念，充分理解基因工程的理論依據(jù)。

（3）為實(shí)現(xiàn)培育合成人胰島素的大腸桿菌的目標(biāo)，根據(jù)“結(jié)構(gòu)決定功能”的生命觀念，推論出基因工程所需的工具和基本實(shí)施過程，發(fā)展科學(xué)思維，提升科學(xué)探究能力。

3 教學(xué)過程

3.1 聯(lián)系實(shí)際，提出貼近生活的課題任務(wù)

教師創(chuàng)設(shè)情境，促進(jìn)學(xué)生思考：隨著人們生活水平的提高，糖尿病逐漸成為了威脅人類健康的多發(fā)病。在我國，糖尿病患者總數(shù)已經(jīng)超過1億人，約占總?cè)丝诘?0%，而糖尿病發(fā)展到后期，一定離不開胰島素。怎樣滿足龐大的患者群體對胰島素的需求呢？

教師從現(xiàn)實(shí)問題入手，啟發(fā)學(xué)生思考：怎樣獲得天然胰島素？能否人工合成胰島素？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？學(xué)生主動思考，總結(jié)出制備胰島素的方法及特點(diǎn)（表1），會發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的胰島素制備方法無法滿足醫(yī)藥市場的需求，需要創(chuàng)造更為高效的胰島素生產(chǎn)方法。

表1 制備胰島素的方法及特點(diǎn)

設(shè)計意圖：教師聯(lián)系社會實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，激發(fā)其解決難題的興趣。

3.2 激發(fā)想象，尋找解決難題的全新方法

教師布置任務(wù)：胰島素是具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，在工廠中用化學(xué)方法合成，反應(yīng)復(fù)雜且效率低下，但是特定的生物細(xì)胞卻能高效合成。怎樣大量高效地合成胰島素？學(xué)生能夠聯(lián)想到通過培養(yǎng)大量的胰島B細(xì)胞來獲取胰島素。教師先予以肯定，然后追問：胰島B細(xì)胞是高度分化的細(xì)胞，在體外能夠增殖嗎？如果想通過培養(yǎng)特定細(xì)胞來合成胰島素，同時考慮胰島素的分離提純。細(xì)胞應(yīng)該具有怎樣的特點(diǎn)？學(xué)生結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，會得出這樣的細(xì)胞應(yīng)該具備增殖快、易培養(yǎng)、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)正是大腸桿菌等單細(xì)胞生物的特點(diǎn)。教師繼續(xù)提出問題：大腸桿菌細(xì)胞并不能合成胰島素，怎樣才能讓大腸桿菌合成胰島素呢？教師可以提示學(xué)生：基因控制性狀，胰島素是胰島素基因表達(dá)的產(chǎn)物。學(xué)生根據(jù)基因控制性狀的基本原理，能夠提出大膽的設(shè)想，如果大腸桿菌細(xì)胞中有人的胰島素基因，就能夠合成人的胰島素。教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：將人的胰島素基因?qū)氲酱竽c桿菌細(xì)胞中，讓其具備合成胰島素的新性狀，定向改變了大腸桿菌細(xì)胞的性狀，這是通過基因水平的操作實(shí)現(xiàn)的。這項(xiàng)技術(shù)被稱為基因工程。

設(shè)計意圖：理解基因工程技術(shù)的必要性及其實(shí)質(zhì)非常關(guān)鍵，教師通過巧妙的提問和恰到好處的提示讓學(xué)生擺脫現(xiàn)實(shí)的束縛，創(chuàng)設(shè)出本節(jié)課的基本任務(wù)情境——培育能合成人胰島素的大腸桿菌，并使學(xué)生體會基因工程的實(shí)質(zhì)。

3.3 小心求證，理解基因工程的理論依據(jù)

教師布置任務(wù)：如果將人的胰島素基因成功導(dǎo)入大腸桿菌細(xì)胞，大腸桿菌能夠合成人胰島素嗎？為什么？小組為單位討論跨物種基因交流的可行性。

學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動下，聯(lián)系必修2所學(xué)的遺傳的分子基礎(chǔ)知識，分別從基因結(jié)構(gòu)、基因功能、基因表達(dá)過程等方面總結(jié)了基因工程的理論依據(jù)（表2）。

表2 基因工程的理論依據(jù)

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析基因工程得以實(shí)現(xiàn)的基本理論，使學(xué)生深刻理解先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)生有賴于基礎(chǔ)科學(xué)理論的發(fā)展。

3.4 逐步深入，探索基因工程的操作工具

3.4.1 剪切目的基因的工具——限制酶

教師提出問題：要將人的胰島素基因?qū)氲酱竽c桿菌細(xì)胞，需要獲取胰島素基因，從哪兒用怎樣的方法能得到人胰島素基因？

教師可以通過啟發(fā)學(xué)生思考人的胰島素基因所存在的細(xì)胞，幫助學(xué)生明確人的任一細(xì)胞（成熟紅細(xì)胞除外）的核DNA中都含有胰島素基因。并提出問題：基因和DNA是怎樣的關(guān)系？學(xué)生回顧必修2的知識點(diǎn)，基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，一條核DNA上有多個基因，要想獲取目的基因片段，需要一種能夠剪切DNA的工具，由此引出限制性核酸內(nèi)切酶。最后，教師介紹限制酶的種類和功能，并講解如何利用限制酶獲取目的基因片段。

3.4.2 轉(zhuǎn)運(yùn)目的基因的工具——運(yùn)載體

教師提供背景知識，引導(dǎo)學(xué)生思考：大腸桿菌的自我保護(hù)機(jī)制會將進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的外源基因破壞。怎樣將外源目的基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞（即受體細(xì)胞），并使其正常復(fù)制和表達(dá)呢？學(xué)生思考后，明確需要一種能將外源目的基因送入到受體細(xì)胞的工具——運(yùn)載體。

教師追問：什么可以作為運(yùn)載體呢？教師可以請學(xué)生思考運(yùn)載體的功能，并據(jù)此推測運(yùn)載體的本質(zhì)，如運(yùn)載體必須能夠裝載目的基因，說明運(yùn)載體本身必須是DNA分子。教師提出啟發(fā)問題：是否存在這樣的外源DNA，可以進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞，并在其中復(fù)制和表達(dá)呢？學(xué)生很容易聯(lián)想到侵染大腸桿菌的病毒——噬菌體，噬菌體DNA具備上述所有功能，可以作為運(yùn)載體。以此類推，若受體細(xì)胞是動、植物細(xì)胞，則由動、植物病毒來充當(dāng)運(yùn)載外源目的基因的運(yùn)載體。在此基礎(chǔ)上，教師再介紹存在于細(xì)菌內(nèi)并可在不同細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移的一種小型環(huán)狀DNA分子——質(zhì)粒，這也是一種將目的基因?qū)爰?xì)菌細(xì)胞常用的運(yùn)載體。

3.4.3 整合目的基因與載體的工具——DNA連接酶

有了目的基因和運(yùn)載體，接下來就是利用運(yùn)載體將目的基因送入受體細(xì)胞了，教師以人胰島素基因、質(zhì)粒和大腸桿菌為例，讓學(xué)生思考并討論怎樣才能將胰島素基因與質(zhì)粒連接在一起。學(xué)生回顧胰島素基因是通過限制酶切割核DNA獲得的鏈狀DNA片段，而質(zhì)粒是環(huán)狀DNA分子，故需要用相同限制酶切割質(zhì)粒成鏈狀DNA分子，然后與目的基因重新連接成一個環(huán)狀DNA分子，需要一種可以催化DNA片段相連的工具酶——DNA連接酶。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生從目標(biāo)實(shí)現(xiàn)反推所需條件，學(xué)生不再是機(jī)械地記憶所需工具的名稱而是深入理解工具的意義和作用。特別是探索運(yùn)載體的本質(zhì)時，學(xué)生由功能反推符合要求的物質(zhì)，可以深刻體會到結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的基本生命觀念。

3.5 首尾呼應(yīng)，歸納基因工程的實(shí)施過程

通過前面一系列鋪墊，基因工程的實(shí)施過程呼之欲出。教師再次提出開篇的問題：怎樣培育合成人胰島素的大腸桿菌？學(xué)生小組討論得出操作方法：首先，要獲取人胰島素基因；然后，與載體連接在一起，利用載體將人胰島素基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞中；最后，大量培養(yǎng)大腸桿菌細(xì)胞，并從中提取胰島素。教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出基因工程的操作流程：獲取目的基因，構(gòu)建表達(dá)載體，導(dǎo)入受體細(xì)胞，檢測和鑒定。并在此基礎(chǔ)上，提出問題：除了直接從供體細(xì)胞中切取目的基因還有哪些獲取目的基因的方法？為了目的基因成功表達(dá)，載體需要具備哪些結(jié)構(gòu)元件？導(dǎo)入不同受體細(xì)胞的常用方法是什么？如何檢測目的基因成功導(dǎo)入并表達(dá)？學(xué)生閱讀教材能容易尋找答案。

最后，教師總結(jié)并提問：利用基因工程培育出了能夠合成人胰島素的大腸桿菌新品種，那么其育種原理是什么？以此問題啟發(fā)學(xué)生思考基因工程的基本原理——基因重組。

設(shè)計意圖：緊扣本節(jié)課的主題，學(xué)生在分析討論中基本能夠得出基因工程的實(shí)施過程，教師結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，針對各個操作環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充提問，使學(xué)生主動思考和探究，鍛煉學(xué)生的思維能力。對基因工程育種原理的提問，與本節(jié)課開頭呼應(yīng)，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對基因工程實(shí)質(zhì)的理解。

4 教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)是基于課程標(biāo)準(zhǔn)對生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)要求，以及學(xué)生高度關(guān)注先進(jìn)生物技術(shù)的特點(diǎn)，采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式，從社會實(shí)際問題出發(fā)，創(chuàng)設(shè)出一個具體的任務(wù)情境，通過層層提問，引領(lǐng)學(xué)生深入探索和思考，尋找解決問題的方法，使學(xué)生能深刻理解基因工程原理、理論依據(jù)和實(shí)施過程，并有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和科學(xué)探究能力。