基于深度學(xué)習(xí)的“基因工程的基本操作程序”教學(xué)設(shè)計(jì)

王海霞

(山東省教育科學(xué)研究院 山東濟(jì)南 250002)

1 教材分析

“基因工程的基本操作程序”選自人教版生物學(xué)《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第三章第二節(jié),包括基因工程的主要操作步驟、相關(guān)技術(shù)和方法,是對“重組DNA 技術(shù)的基本工具”的綜合應(yīng)用,也是學(xué)習(xí)基因工程應(yīng)用的基礎(chǔ),為本章的核心內(nèi)容。 基因工程主要為分子水平上的操作,學(xué)生對此缺乏直觀感受,且相關(guān)技術(shù)原理比較抽象,在教學(xué)中很多教師單純依托教材讓學(xué)生機(jī)械記憶基因工程的操作步驟以及相關(guān)技術(shù)和方法,不利于學(xué)生深度學(xué)習(xí),發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 學(xué)情分析

學(xué)生在必修模塊已經(jīng)學(xué)習(xí)了DNA 的結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制和基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成等知識,對基因的結(jié)構(gòu)和功能有一定認(rèn)識。 同時,通過對“重組DNA 技術(shù)的基本工具”的學(xué)習(xí),學(xué)生了解基因工程的發(fā)展歷程、基因工程操作所需的三種“分子工具”以及載體需要具備的條件,為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 高二學(xué)生思維活躍,有較強(qiáng)的邏輯思維能力和創(chuàng)新精神,對基因工程及轉(zhuǎn)基因技術(shù)安全性等社會熱點(diǎn)問題較為關(guān)注,但對基因工程的具體操作程序了解較少。 為此,教師需要精心創(chuàng)設(shè)問題情境,激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識解決實(shí)際問題的能力。

3 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求,制訂如下指向?qū)W科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo):

(1) 通過多種途徑搜集基因工程應(yīng)用的實(shí)例,比較分析“生產(chǎn)重組新冠病毒蛋白疫苗”真實(shí)情境所體現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)需求,嘗試構(gòu)建基因工程操作的主要步驟,形成以生命觀念為指導(dǎo)解決實(shí)際問題的能力。

(2) 通過分析DNA 復(fù)制的過程和條件,演繹推理PCR 反應(yīng)需要的條件培養(yǎng)科學(xué)思維;利用實(shí)物模型模擬PCR 反應(yīng)以及基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程,加深對結(jié)構(gòu)與功能觀的理解,提升開展合作探究的能力。

(3) 針對日常生活中與轉(zhuǎn)基因技術(shù)相關(guān)的熱點(diǎn)話題,能基于基因工程的實(shí)質(zhì)表達(dá)自己的觀點(diǎn),以理性、科學(xué)的態(tài)度對待基因工程取得的成果,認(rèn)同科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對生產(chǎn)、生活的正面影響,培養(yǎng)求真務(wù)實(shí)的社會責(zé)任感。

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境,聚焦問題

教師圖片展示“新冠疫情下的日常生活場景”,通過出門戴口罩,回家勤洗手,進(jìn)門掃場所碼,定期進(jìn)行核酸檢測等真實(shí)情境引出重組新型冠狀病毒疫苗。接著,教師播放有關(guān)重組新冠病毒蛋白疫苗的視頻,并提出問題:① 在重組新冠病毒蛋白疫苗制備的過程中用到什么技術(shù)? ② 制備重組新冠病毒蛋白疫苗需要哪些步驟?

設(shè)計(jì)意圖:教師課前安排學(xué)生搜集感興趣的基因工程應(yīng)用實(shí)例,匯總后選擇最具代表性的重組新型冠狀病毒疫苗實(shí)例作為貫穿本節(jié)課的情境。 通過資料的搜集整理,學(xué)生能親身感受基因工程的應(yīng)用和巨大價(jià)值,從而激發(fā)他們產(chǎn)生解決現(xiàn)實(shí)問題的濃厚興趣。

4.2 任務(wù)驅(qū)動,探究本質(zhì)

教師展示新冠病毒圖片,提供我國生產(chǎn)重組新冠病毒蛋白疫苗的相關(guān)資料,如中國倉鼠卵巢細(xì)胞(Chinese Hamster Ovary,CHO 細(xì)胞),并提出問題:① 重組新冠病毒蛋白疫苗中發(fā)揮作用的物質(zhì)是什么? ② 通過什么方法能大量高效地獲得S 蛋白? 學(xué)生分析資料,合作探討高效合成S 蛋白的方法,通過討論明確應(yīng)用基因工程可以獲得大量S 蛋白。

4.2.1 目的基因的獲取

新冠病毒的遺傳物質(zhì)是RNA,而基因工程是DNA 分子水平上的操作,如何獲得雙鏈S 蛋白基因?學(xué)生思考回答通過逆轉(zhuǎn)錄過程可以得到。 教師進(jìn)一步追問通過逆轉(zhuǎn)錄獲得的基因數(shù)量較少,如何能夠快速獲取大量S 蛋白基因,以此引出PCR 技術(shù)。 教師首先引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)PCR 的概念,回顧體內(nèi)DNA復(fù)制的過程,為學(xué)習(xí)體外PCR 技術(shù)做鋪墊。 其后,播放PCR 過程的演示視頻,令學(xué)生形象直觀地認(rèn)識PCR 過程。 接著,教師給出任務(wù)1:模擬PCR 擴(kuò)增S蛋白基因的過程。 教師提供目的基因、引物、脫氧核糖核苷酸、熱穩(wěn)定的DNA 聚合酶等模型材料,鼓勵學(xué)生模擬PCR 擴(kuò)增S 蛋白基因的過程。 學(xué)生小組合作進(jìn)行模型建構(gòu),由小組代表展示成果(圖1)。

圖1 小組成果展示圖

設(shè)計(jì)意圖:結(jié)合圖片和資料,引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA復(fù)制的相關(guān)知識并推理PCR 反應(yīng)所需的條件;通過模型建構(gòu)為每位學(xué)生提供參與活動的機(jī)會,激發(fā)學(xué)習(xí)主動性;通過模型構(gòu)建活動將抽象的內(nèi)容具體化,使深奧的理性思維顯性化。

4.2.2 基因表達(dá)載體的構(gòu)建

教師繼續(xù)提問“獲取了足量的S 蛋白基因后,能直接將其導(dǎo)入受體細(xì)胞嗎?”,引出基因表達(dá)載體構(gòu)建的目的,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考:若目的基因在受體細(xì)胞中可以遺傳給下一代并能表達(dá)和發(fā)揮作用,應(yīng)當(dāng)具備哪些組成元件? 其作用是什么? 教師展示基因表達(dá)載體的模式圖,基于上述內(nèi)容,布置任務(wù)2:要求以小組為單位構(gòu)建S 蛋白基因的表達(dá)載體。

教師提供活動材料(圖2):質(zhì)粒模型、紅色紙條(含有目的基因的DNA 片段)、剪刀(限制性核酸內(nèi)切酶)、膠帶(DNA 連接酶)。

圖2 活動材料展示

學(xué)生首先進(jìn)行活動一:小組內(nèi)討論選擇哪種限制酶切割質(zhì)粒和目的基因,討論完成后構(gòu)建基因表達(dá)載體。 教師利用投屏軟件在大屏幕上展示各組成果,由小組代表上臺講述。 接著,教師引導(dǎo)學(xué)生深度思考:若只用一種限制酶切割目的基因和質(zhì)粒,連接方式唯一嗎? 如何解決目的基因自身環(huán)化和片段任意連接等問題呢? 接著,學(xué)生進(jìn)行活動二:小組討論可行方案,再次構(gòu)建基因表達(dá)載體。 小組代表上臺展示成果并講述理由,其他小組補(bǔ)充、完善或評價(jià)。 最后,在該活動的基礎(chǔ)上由學(xué)生總結(jié)構(gòu)建基因表達(dá)載體的注意事項(xiàng)。

設(shè)計(jì)意圖:設(shè)置問題串,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)基因表達(dá)載體的構(gòu)建目的和基本組成元件。 通過模型建構(gòu)讓每個學(xué)生直觀認(rèn)識基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程,以及各元件的位置與功能。 在操作中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)基因片段會任意連接,繼而通過小組合作,討論優(yōu)化酶切方案。 相較于教師直接提問,學(xué)生在操作過程中自主發(fā)現(xiàn)問題更具教育價(jià)值,更能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)其主動進(jìn)行深度思考,深化科學(xué)思維。 如此,學(xué)生總結(jié)基因表達(dá)載體的相關(guān)注意事項(xiàng)也就水到渠成。 在該過程中,學(xué)生通過構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維和學(xué)習(xí)行為的統(tǒng)一,鍛煉了動手操作、交流討論和歸納總結(jié)的能力。

4.2.3 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

構(gòu)建S 蛋白基因表達(dá)載體后需將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,如何將S 蛋白基因?qū)隒HO 細(xì)胞呢? 教師提供花粉管通道法、基因槍法、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、顯微注射法、病毒介導(dǎo)法等將表達(dá)載體導(dǎo)入受體細(xì)胞方法的資料,引導(dǎo)學(xué)生閱讀資料并分析能將S 蛋白基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法。

設(shè)計(jì)意圖:利用相關(guān)資料讓學(xué)生結(jié)合具體問題尋找合適的方法,培養(yǎng)學(xué)生分析資料、提煉信息、基于真實(shí)情境進(jìn)行推理的邏輯思維能力。

4.2.4 目的基因的檢測與鑒定

將S 蛋白基因?qū)胧荏w細(xì)胞后,細(xì)胞一定能表達(dá)生成S 蛋白并發(fā)揮作用嗎? 基因的表達(dá)包括哪些過程? 根據(jù)基因表達(dá)的過程,推測可以從哪些層次進(jìn)行檢測與鑒定? 教師布置任務(wù)3:列表比較在不同層次檢測與鑒定目的基因的方法。 學(xué)生小組討論,根據(jù)基因表達(dá)的過程推測可以從哪些層次進(jìn)行檢測與鑒定,分析方法并簡要描述相關(guān)過程,組內(nèi)討論后以表格形式呈現(xiàn)結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖:聯(lián)系基因的表達(dá)過程(轉(zhuǎn)錄和翻譯),便于學(xué)生推測在分子水平上,可從三個層次檢測目的基因的存在。 學(xué)生在歸納、總結(jié)檢測與鑒定方法時,可聯(lián)系本節(jié)課所講的PCR 技術(shù)和之前學(xué)習(xí)的抗原-抗體雜交技術(shù)。 學(xué)生以小組合作的方式總結(jié)目的基因鑒定方法有助于促進(jìn)思維碰撞,通過同伴互助共同構(gòu)建知識體系。

4.3 學(xué)以致用,遷移探索新知

教師展示日常新冠病毒核酸檢測的圖片,引導(dǎo)學(xué)生思考“檢測是否感染新冠病毒的方法有哪些”,鼓勵其聯(lián)系本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容理解核酸檢測、抗原檢測的作用機(jī)理。 教師布置任務(wù)4:運(yùn)用類比法,構(gòu)建利用基因工程培育抗蟲棉的基本操作流程圖。 學(xué)生利用教材內(nèi)容結(jié)合教師提供的資料,探尋將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法,通過小組合作構(gòu)建基因工程培育抗蟲棉的流程圖。

設(shè)計(jì)意圖:利用類比可實(shí)現(xiàn)知識遷移,促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識與技能解決實(shí)際生活問題,助力學(xué)生感受生物學(xué)知識在生活中的應(yīng)用,增強(qiáng)其社會責(zé)任感。

5 教學(xué)反思

有效的教學(xué)情境能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲,點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,從而使學(xué)生主動參與到知識的探索發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識歷程中。 本節(jié)課將“重組新冠病毒蛋白疫苗的制備”情境貫穿于整個教學(xué)過程中,通過組織學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、模型建構(gòu)、小組討論等活動進(jìn)行深入探究,使學(xué)生體驗(yàn)基因工程的方法和過程。 通過類比引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識遷移,將抽象的概念具體化、操作實(shí)體化、思維可視化,實(shí)現(xiàn)真實(shí)情境與課堂教學(xué)情境的聯(lián)結(jié),將生物學(xué)核心素養(yǎng)真正踐行于課堂教學(xué)。