基于模型建構(gòu)的“基因工程”一節(jié)的高三復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計

戴 赟 黃建書 劉 鍵

(1上海市文來中學(xué) 2上海市七寶中學(xué) 201101)

1 教材分析和設(shè)計思路

“基因工程”是上海高中生命科學(xué)教材第2冊第6章第3節(jié)的內(nèi)容，擬解決的關(guān)鍵問題是“基因工程的步驟有哪些？”對這一問題的認(rèn)識是理解轉(zhuǎn)基因技術(shù)的基礎(chǔ)，有助于加深基因工程兩大理論基礎(chǔ)——“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”和“中心法則”的理解，有助于對生物工程形成系統(tǒng)和完整的認(rèn)識。整節(jié)內(nèi)容包括基因工程的概念、3種工具、4個步驟，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用和轉(zhuǎn)基因生物產(chǎn)品的安全性等。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，“基因工程的基本過程及其應(yīng)用”和“轉(zhuǎn)基因作物和動物”的學(xué)習(xí)水平分別為B級和A級。其中，基因工程的基本步驟、3種工具的名稱和作用、轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用和安全性問題等歷來是學(xué)業(yè)水平測試和高考考查的重點之一。由于基因工程屬于分子水平的操作，微觀、復(fù)雜，僅利用教材中的文字和圖，空間想象依舊有較大難度。同時，基因工程技術(shù)要求高、儀器復(fù)雜，又難以在中學(xué)實驗演示。

筆者設(shè)計并實施了一系列基于模型建構(gòu)的模擬活動，利用形象思維促進抽象思維能力，很好地化解了基因工程的學(xué)習(xí)難點。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識與技能目標(biāo) 明確基因工程的基本步驟，形成正確的質(zhì)粒選擇策略、限制酶選擇策略、質(zhì)粒標(biāo)記基因的運用策略，理解3種受體細(xì)胞的產(chǎn)生。

2.2 過程與方法目標(biāo) 經(jīng)歷模擬活動，理解基因工程中的一些操作策略；參與探究活動，體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)、形成結(jié)論的過程；提高自主學(xué)習(xí)和合作探究的能力。

2.3 情感態(tài)度與價值觀目標(biāo) 感受合作探究的樂趣，培養(yǎng)實事求是的精神。

3 教學(xué)過程

3.1 課前活動——基因工程中的“剪”和“粘”的練習(xí)

準(zhǔn)備小組活動材料：DNA分子3個(圖1，紙質(zhì)，長度為A4紙高)，陰影部分示限制酶識別序列，切割位點以↓示意(G↓AATTC；G↓AATTC；T↓GATCA)；含有目的基因的DNA片段1個(圖2，長度為A4紙高，兩側(cè)陰影部分的限制酶識別序列和切割位點為G↓AATTC)；質(zhì)粒1個(圖3，A4紙大小，含一個限制酶酶切位點為G↓AATTC)；剪刀；訂書機；膠水；透明膠帶。

活動步驟指導(dǎo)：①用給定的兩種限制酶對DNA1、DNA2、DNA3分子完成切割。想一想用什么模擬限制酶？切割后，3個左邊的DNA分子片段與3個右邊的DNA分子片段能否拼成新的DNA分子？②找到目的基因兩端和質(zhì)粒中的限制酶的識別序列和酶切位點，用相應(yīng)的限制酶完成2個DNA分子的切割，觀察目的基因能否與質(zhì)粒構(gòu)建重組DNA分子？思考用什么工具模擬DNA連接酶，怎么使用DNA連接酶以完成重組DNA分子的建構(gòu)？然后完成重組DNA分子的建構(gòu)。

圖1 DNA分子3個片段

圖2 含有目的基因的DNA片段

圖3 質(zhì)粒

提示：①剪刀模擬限制酶。其中限制酶1的識別序列和切割位點(以↓示意)：G↓AATTC；限制酶2的識別序列和切割位點為T↓GATCA。切割完成后，只有黏性末端相同的DNA片段才能相互連接。②用訂書機、膠水、透明膠等模擬DNA連接酶，并完成雙鏈粘連。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生體驗基因工程中限制酶的作用特點，體會DNA連接酶的作用條件；體驗獲取目的基因、并將目的基因與運載體重組得到重組DNA分子的步驟。

3.2 課堂活動1——體驗質(zhì)粒的選擇、限制酶的選擇，分析使用DNA連接酶后環(huán)狀產(chǎn)物的類型 準(zhǔn)備小組活動材料：2個相同的含目的基因的DNA片段(圖4，用粉色紙)；3個不同質(zhì)粒(圖4，長度為A4紙高，需要兩端連接成環(huán)，質(zhì)粒1用白色紙、質(zhì)粒2用黃色紙、質(zhì)粒3用藍色紙)；剪刀，透明膠帶。

活動步驟指導(dǎo)：①在3種質(zhì)粒中選出適于建構(gòu)重組質(zhì)粒的2種質(zhì)粒。思考質(zhì)粒作為運載體所需要滿足的條件有哪些；②給出4種限制酶的識別序列和切割位點(PstⅠ：CTGCA↓G；HindⅢ：A↓AGCTT；HapⅡ：C↓CGG；BamHⅠ：G↓GATCC)，仔細(xì)觀察含目的基因DNA片段中的序列信息，據(jù)此選擇限制酶，并記下其名稱和切割產(chǎn)物；③完成重組質(zhì)粒的建構(gòu)方案；④利用所給工具制作2個重組質(zhì)粒；⑤將多個目的基因與多個質(zhì)粒混合于試管中，能形成多少種產(chǎn)物(只考慮自身環(huán)化和兩兩連接兩種情況，結(jié)果記錄于表1中)？比較兩種方案，哪種獲得重組質(zhì)粒的概率更高？為什么？

圖4 含目的基因的DNA片段、質(zhì)粒1、質(zhì)粒2、質(zhì)粒3示意圖

提示：①選出質(zhì)粒2(黃色)和質(zhì)粒3(藍色)用于構(gòu)建重組質(zhì)粒，因為質(zhì)粒1(白色)沒有標(biāo)記基因無法用于篩選(質(zhì)粒作為運載體通常要滿足具有復(fù)制原點、酶切位點、標(biāo)記基因3點)；②選擇限制酶時，要注意不能破壞目的基因，所以不能使用限制酶PstⅠ；③重組質(zhì)粒的構(gòu)建方案是: 黃色質(zhì)粒2和目的基因都用HindⅢ切割(單酶切)后組成重組質(zhì)粒1，藍色質(zhì)粒3和目的基因用HapⅡ和BamHⅠ雙酶切后組成重組質(zhì)粒2(圖5)；④單酶切的環(huán)狀產(chǎn)物有5種：質(zhì)粒自身環(huán)化、目的基因自身環(huán)化、質(zhì)粒-質(zhì)粒、目的基因-質(zhì)粒、目的基因-目的基因；雙酶切的環(huán)狀產(chǎn)物有3種：質(zhì)粒-質(zhì)粒、目的基因-質(zhì)粒、目的基因-目的基因(圖6)；⑤與單酶切相比，雙酶切可以通過防止自身環(huán)化而提高重組質(zhì)粒的獲得率。

設(shè)計意圖：利用給定材料完成兩個重組質(zhì)粒的建構(gòu)，體會質(zhì)粒選擇、限制酶選擇等策略在重組質(zhì)粒建構(gòu)中的意義，并完成產(chǎn)物類型分析。

3.3 課堂活動2——將重組質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞過程的體驗和受體細(xì)胞的類型分析 準(zhǔn)備小組活動材料：單酶切的5種環(huán)狀產(chǎn)物或雙酶切的3種環(huán)狀產(chǎn)物，大腸桿菌若干(圖7，長度為A4紙高打印，無質(zhì)粒，作受體細(xì)胞)。

活動步驟指導(dǎo)：①根據(jù)酶切產(chǎn)物分析導(dǎo)入受體細(xì)胞后存在兩種情況;②選擇能導(dǎo)入受體細(xì)胞并存在的環(huán)狀產(chǎn)物，集中后在1米高處投向受體細(xì)胞以模擬“導(dǎo)入”過程，1～2分鐘內(nèi)可多次“投”，發(fā)現(xiàn)另外1種類型的導(dǎo)入情況。

圖5 重組質(zhì)粒

圖6 試管中環(huán)狀產(chǎn)物類型分析結(jié)果

圖7 大腸桿菌

提示：①單酶切的5種環(huán)狀產(chǎn)物中，“目的基因自身環(huán)化”和“目的基因-目的基因”2種環(huán)狀產(chǎn)物導(dǎo)入受體細(xì)胞后會被核酸酶分解，“質(zhì)粒自身環(huán)化”“質(zhì)粒-質(zhì)粒”“目的基因-質(zhì)?！?種產(chǎn)物導(dǎo)入受體細(xì)胞后可以存在；從遺傳物質(zhì)的組成看，導(dǎo)入后的受體細(xì)胞可以分為含普通質(zhì)粒的受體細(xì)胞和含重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞2類；雙酶切的3種產(chǎn)物導(dǎo)入受體細(xì)胞后情況類似；②模擬導(dǎo)入過程可發(fā)現(xiàn)第3種情況——未導(dǎo)入外源產(chǎn)物的受體細(xì)胞。

設(shè)計意圖：根據(jù)前一活動中的產(chǎn)物類型，從遺傳組成的角度分析受體細(xì)胞有含普通質(zhì)粒的和含重組質(zhì)粒的2類，利用重組質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞的模擬活動，發(fā)現(xiàn)試管中的第3種情況(圖略)。

3.4 課堂活動3——標(biāo)記基因在“篩選含目的基因的受體細(xì)胞”步驟中作用的分析 活動材料：前面活動所得的3種受體細(xì)胞。

活動步驟指導(dǎo)：①用含氨芐青霉素的平板培養(yǎng)基來篩選前面所得的3種受體細(xì)胞，篩選結(jié)果填入表2；②仔細(xì)分析雙標(biāo)記基因的基因工程操作流程(圖略)，利用上述A、B兩種平板進行篩選的結(jié)果填入表3。

表2 單標(biāo)記基因質(zhì)粒的基因工程篩選結(jié)果

(“+”表示受體細(xì)胞能存活，“-”表示受體細(xì)胞不能存活)

提示：①單標(biāo)記基因質(zhì)粒的基因工程的篩選中，未導(dǎo)入的受體細(xì)胞不能存活，含普通質(zhì)粒的受體細(xì)胞和含重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞都能在含氨芐青霉素的平板上生長，故無法用該方法直接篩選出含目的基因的受體細(xì)胞；②雙標(biāo)記基因質(zhì)粒的基因工程的篩選中，未導(dǎo)入的受體細(xì)胞在兩種培養(yǎng)基上都不能存活，含普通質(zhì)粒的受體細(xì)胞則在兩種培養(yǎng)基上都能存活。只有含重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞才能出現(xiàn)在一種抗生素平板中能出現(xiàn)菌落，在另一種抗生素平板中不能形成菌落的結(jié)果，從而區(qū)別于其他兩種受體細(xì)胞。

表3 雙標(biāo)記基因質(zhì)粒的基因工程篩選結(jié)果

(“+”表示受體細(xì)胞能存活，“-”表示受體細(xì)胞不能存活)

設(shè)計意圖：幫助學(xué)生理解標(biāo)記基因在篩選中的作用，體會質(zhì)粒中標(biāo)記基因不同可以導(dǎo)致篩選的不同結(jié)果，形成相應(yīng)的質(zhì)粒選擇或改造策略。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課的設(shè)計突破了基因工程的教學(xué)以講授為主的教學(xué)形式，借助巧妙設(shè)計的活動素材和層層遞進的問題串，引導(dǎo)學(xué)生在動手操作中體驗、內(nèi)化操作策略，化解學(xué)習(xí)難點，提升思維能力。在實際教學(xué)中，學(xué)生們參與熱情高，在積極地思維碰撞中找到問題解決的方案，形成操作策略。同時，學(xué)生在剪貼過程中對DNA分子長度改變的感性認(rèn)識，將有助于之后的DNA長度定量分析。但教學(xué)中有個別組由于對限制酶的作用特點的了解和運用能力不足，致使在完成課堂活動1時遇到了困難，因此教學(xué)中需要注意對課前模擬活動進行質(zhì)量把控，為學(xué)生順利進行本節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下扎實基礎(chǔ)。