基于主線式問題情境的概念教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)，要讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。基于主線式問題情境的概念教學(xué)是學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)，在層層深入的問題情境脈絡(luò)中，通過小組合作解決現(xiàn)有問題，自主構(gòu)建概念形成生命觀念的教學(xué)方式。2本文通過創(chuàng)設(shè)“怎樣獲得生產(chǎn)人胰島素的大腸桿菌\"這一主線式問題情境，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建“5.1.1闡明DNA重組技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要利用限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具\(yùn)"這一概念。

1學(xué)情分析

“基因工程的基本工具\(yùn)"是蘇教版普通高中教科書《生物學(xué)·選擇性必修 生物技術(shù)與工程》第三章第一節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中已經(jīng)對基因的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)有了一定的了解，具備相應(yīng)的知識基礎(chǔ)。本節(jié)課的重難點(diǎn)是理解三種微觀“分子工具”的作用機(jī)制。

2設(shè)計(jì)思路

主線式情境不僅可以激發(fā)學(xué)生的探究熱情，還可以把知識的構(gòu)建融合在情境的發(fā)展之中。3因此，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)側(cè)重于讓學(xué)生在主線式問題情境中，通過活動自主生成次位概念，為重要概念和大概念的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

3教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析重組大腸桿菌生產(chǎn)人胰島素的流程，闡明基因工程的實(shí)現(xiàn)需要依賴于限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具。

（2）通過構(gòu)建重組質(zhì)粒的物理模型，在實(shí)踐活動過程中，歸納概括基因工程所需的三種基本工具的特點(diǎn)及作用機(jī)制。

（3）通過邏輯推理發(fā)現(xiàn)構(gòu)建重組質(zhì)粒過程中存在的問題，并結(jié)合材料分析，創(chuàng)造性地提出改造質(zhì)粒的方案以解決問題；能夠在小組合作中，分析現(xiàn)有構(gòu)建重組質(zhì)粒方案的不足之處，通過對比分析選擇出最佳方案。

（4）通過學(xué)習(xí)胰島素生產(chǎn)流程，形成健康文明的生活方式，能夠向他人宣傳關(guān)愛生命的觀念和知識。

4教學(xué)過程

4.1基于事實(shí)，激發(fā)思考

教師展示血糖測量儀檢測血糖的功能，引發(fā)學(xué)生對糖尿病這一健康問題的關(guān)注。隨后，教師介紹從動物胰腺提取胰島素產(chǎn)量低、成本高的現(xiàn)狀，引發(fā)學(xué)生思考大量獲取胰島素的方法。接著，教師呈現(xiàn)事實(shí)資料1：1978年，美國科學(xué)家使用重組大腸桿菌生產(chǎn)出人胰島素，這是世界上第一個上市的基因工程藥物。教師據(jù)此提出問題：怎樣獲得生產(chǎn)人胰島素的大腸桿菌？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過血糖測量儀，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際生活出發(fā)，了解糖尿病對人類健康生活的影響，明確胰島素在糖尿病治療中的重要意義，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的求知欲望，自然引入本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

4.2問題驅(qū)動，活動探究

4.2.1設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建概念

教師闡述事實(shí)資料2（人胰島素基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段），并展示DNA分子的平面結(jié)構(gòu)示意圖。在此基礎(chǔ)上，教師創(chuàng)設(shè)子問題情境1：怎樣獲得含有人胰島素基因的DNA片段？隨后，教師展示限制性內(nèi)切核酸酶（簡稱\"限制酶\"EcoRI的作用過程動圖，并補(bǔ)充四種限制酶的識別序列與酶切位點(diǎn)。基于此，教師提出以下問題： ① 限制酶破壞的是什么化學(xué)鍵？ ② 不同限制酶的識別序列有何特點(diǎn)？ ③ 限制酶剪切產(chǎn)生的末端種類有哪些？

學(xué)生通過分析資料，并以小組為單位進(jìn)行討論總結(jié)，進(jìn)而得出結(jié)論：限制酶能夠識別特定的DNA序列，并作用于特定部位的磷酸二酯鍵，利用限制酶作用于DNA片段的磷酸二酯鍵可獲取人胰島素基因。

教師引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)生活動1：利用限制酶獲取人胰島素基因。學(xué)生根據(jù)已知的限制酶識別序列和切割位點(diǎn)，用剪刀模擬限制酶的作用，對模擬攜帶人胰島素基因DNA分子的卡紙進(jìn)行剪切（見圖2），從而獲取卡紙上的“人胰島素基因”片段。

學(xué)生經(jīng)過小組合作，提出兩種獲取人胰島素基因的方案： ① 使用一種限制酶EcoRI切割DNA分子； ② 使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV切割DNA分子。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生運(yùn)用已有知識，通過分析資料理解限制酶的作用和特點(diǎn)。隨后，學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)，將抽象的知識具象化，直觀體會限制酶在基因工程中的重要作用，明確其作為基因工程基本工具的重要地位。

4.2.2 完善方案，應(yīng)用概念

導(dǎo)人大腸桿菌的DNA片段通常難以復(fù)制且易降解，基于此，教師創(chuàng)建子問題情境2：怎樣確保導(dǎo)入大腸桿菌的人胰島素基因穩(wěn)定存在并遺傳？隨后，教師展示事實(shí)資料3：科恩（S.Cohen）和博耶（H.WBoyer）將外源DNA插入細(xì)菌質(zhì)粒，并在大腸桿菌中穩(wěn)定表達(dá)。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生理解基因工程需要載體作為第二種工具，用于攜帶外源DNA分子進(jìn)入受體細(xì)胞，而質(zhì)粒是常見的載體。最后，教師展示兩種質(zhì)粒的示意圖（見圖3），并提出以下問題： ① 哪種質(zhì)粒更適合作為之前獲取的人胰島素基因的載體？為什么？ ② 環(huán)狀重組質(zhì)粒形成時，需要合成的化學(xué)鍵是什么？

質(zhì)粒導(dǎo)人大腸桿菌的成功率并非 100% 。教師據(jù)此創(chuàng)設(shè)子問題情境3：怎樣改造質(zhì)粒2？如何篩選出導(dǎo)入質(zhì)粒的大腸桿菌？隨后，教師展示事實(shí)資料4：氨芐青霉素是一種抗生素，能夠殺死大腸桿菌，而轉(zhuǎn)入氨芐青霉素抗性基因的大腸桿菌可以抵抗氨芐青霉素的作用。

學(xué)生通過分析資料，理解基因工程還需要載體和DNA連接酶這兩種基本工具，提出兩種獲得重組質(zhì)粒的方案： ① 使用一種限制酶EcoRI切割質(zhì)粒獲得重組質(zhì)粒1； ② 使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV切割質(zhì)粒后獲得重組質(zhì)粒2。通過設(shè)計(jì)和改造質(zhì)粒2的方案，學(xué)生歸納出質(zhì)粒作為載體的基本條件，認(rèn)識到基因工程中所使用的質(zhì)粒通常需要經(jīng)過人工改造。

教師引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)生活動2：構(gòu)建重組質(zhì)粒。學(xué)生依據(jù)之前獲得的“人胰島素基因”，利用剪刀模擬限制酶的作用，對環(huán)形卡紙進(jìn)行剪切，獲取“被切割的載體質(zhì)粒”，再用訂書機(jī)模擬DNA連接酶的作用，獲取“重組質(zhì)粒”。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過改造質(zhì)粒2的過程完善制備重組大腸桿菌的方案，進(jìn)而自主歸納質(zhì)粒作為載體的條件，理解基因工程需要對天然質(zhì)粒進(jìn)行改造。通過模型構(gòu)建，學(xué)生將兩種不同的重組質(zhì)粒具象化，直觀感受限制酶、載體、DNA連接酶在基因工程中的具體作用。在此過程中，學(xué)生能夠形成重要概念“5.1基因工程是一種重組DNA技術(shù)”。

4.2.3反思方案，理解概念

教師展示事實(shí)資料5：在含有多個人胰島素基因和多個質(zhì)粒的混合液中，DNA連接酶可隨機(jī)連接兩個具有互補(bǔ)黏性末端或平末端的DNA片段。教師創(chuàng)設(shè)子問題情境4：不同反應(yīng)體系中，分別會出現(xiàn)哪些其他的連接結(jié)果？教師據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)生活動3：DNA連接酶隨機(jī)連接兩個具有互補(bǔ)黏性末端或平末端的片段。學(xué)生在暗箱中隨機(jī)抽取兩個“DNA片段”卡紙，若黏性末端互補(bǔ)或同為平末端，則用訂書機(jī)模擬DNA連接酶的作用將其連接起來。之后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)生活動4：根據(jù)模型構(gòu)建的結(jié)果，以小組為單位討論并選擇構(gòu)建重組質(zhì)粒的最佳方案，同時闡述理由。

學(xué)生對構(gòu)建的“重組質(zhì)粒”進(jìn)行仔細(xì)觀察，自主歸納得出：使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV獲取人胰島素基因并處理質(zhì)粒獲取重組質(zhì)粒的方案更為理想。這一方案能夠在含有多個人胰島素基因、多個質(zhì)粒及DNA連接酶的混合液中，有效防止質(zhì)粒和人胰島素基因的自身環(huán)化以及目的基因與載體的反向連接。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過闡述事實(shí)，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促使學(xué)生思考可能產(chǎn)生的其他連接產(chǎn)物。通過模型構(gòu)建和小組討論，學(xué)生能夠直觀地理解雙酶切法的優(yōu)點(diǎn)。在選擇構(gòu)建生產(chǎn)人胰島素的大腸桿菌的最佳方案的過程中，學(xué)生能夠體會到基因工程這一現(xiàn)代生物技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的問題，并嘗試提出解決方案，從而培養(yǎng)社會責(zé)任意識。

5教學(xué)反思

教師通過“怎樣獲得生產(chǎn)人胰島素的大腸桿菌”這一主線問題創(chuàng)設(shè)情境，促使學(xué)生設(shè)計(jì)生產(chǎn)人胰島素的大腸桿菌的方案。教師通過四個不同的子問題情境，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，讓學(xué)生在分析材料、解決問題的過程中，逐步完善生產(chǎn)流程；同時結(jié)合四個學(xué)生活動，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力；通過將抽象知識具象化幫助學(xué)生體會三種工具的作用機(jī)制，從而引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建次位概念“5.1.2DNA重組技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要利用限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具”，為學(xué)生理解重要概念“5.1基因工程是一種DNA重組技術(shù)\"和大概念“5基因工程賦予生物新的遺傳特性”奠定基礎(chǔ)。學(xué)生在深度思考子問題的過程中構(gòu)建概念，最終解決主線問題。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M.北京：人民教育出版社，2020.

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[3]李艷華.例談主線化情境創(chuàng)設(shè)的四個環(huán)節(jié)[J].中學(xué)生物教學(xué)，2019（19）：37-39.