《DNA重組技術(shù)的基本工具》教學(xué)實(shí)錄與評析

易志鋒++魏述濤

《DNA重組技術(shù)的基本工具》是人教版高中生物選修三專題一中的第一節(jié)內(nèi)容。課前，執(zhí)教老師給各小組（4人一組）隨機(jī)發(fā)放了一個大信封，大信封里有一條粉紅色小紙帶（其中一組無）、一把藍(lán)色剪刀、一把粉紅色剪刀（其中一組無）、小信封一個。小信封里有一條白色小紙帶、一卷電工膠布。大信封和小信封的封面上分別附有相應(yīng)的文字說明。

一、創(chuàng)設(shè)情境，鋪設(shè)課題

（一）情境1：尋找話題

師：今天同學(xué)們都穿了班服，班服很漂亮，你覺得穿著舒適嗎？

生：舒適。

師：班服是用什么材質(zhì)做的呢？

生：100%純棉做的。

師：其實(shí)，很多衣物都是用純棉做成的，穿著十分舒適。今天，我們的話題就從棉花開始，先看《經(jīng)濟(jì)日報》的消息。2014年我國的棉花產(chǎn)量居世界第一位，但蟲害較為嚴(yán)重。這就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的害蟲。（課件出示害蟲的圖片）

【評析】執(zhí)教老師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活中常見的現(xiàn)象切入教學(xué)，符合新課程倡導(dǎo)的“注重與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系”這一教學(xué)理念，有利于引入課題，啟發(fā)學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)。

（二）情境2：拓展延伸情境1，引出課題

師：今天，老師給大家推薦一款農(nóng)藥界的良心產(chǎn)品，它就是由湖北省農(nóng)科谷生態(tài)科技有限公司生產(chǎn)的天誅牌蘇云金桿菌。為什么說這款產(chǎn)品好呢？因?yàn)樗幸环N非常獨(dú)特的抗蟲基因，叫做Bt毒蛋白基因。這種抗蟲基因能夠控制合成Bt毒蛋白，對破壞玉米螟、二化螟、小葉蛾、菜青蟲等害蟲的消化系統(tǒng)，以及危害棉花生長的棉鈴蟲有“免疫”作用。請大家放心，老師在課堂上不推廣告也不賣農(nóng)藥，我只想請問大家，這么好的一款產(chǎn)品，能否為我們在培育棉花新品種上提供借鑒呢？

生：可以培養(yǎng)能夠合成Bt毒蛋白的棉花新品種。

師：如何能讓棉花合成Bt毒蛋白？

生：將Bt毒蛋白基因進(jìn)行“剪切”后“拼接”到普通棉花的基因上。

師：你的想法非常棒，這節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)DNA重組技術(shù)的基本工具。（板書課題）

【評析】執(zhí)教老師以推銷員的身份，用廣告的形式引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提出生產(chǎn)實(shí)踐中存在的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考培育棉花新品種的辦法，同時圍繞轉(zhuǎn)基因操作的“切割”“拼接”兩個步驟，引出“DNA重組技術(shù)的基本工具”這一學(xué)習(xí)內(nèi)容，完成了導(dǎo)入教學(xué)，這樣做能夠幫助學(xué)生樹立現(xiàn)代科技意識。

二、拓展情境，合作探索

（一）探究活動1：“切割”含抗蟲基因的DNA片段

1.課件展示含有抗蟲基因（紅色區(qū)段）的DNA片段（紙條）

師：假如紙條上的紅色部分代表抗蟲基因，那么我們要如何把抗蟲基因剪下來呢？

生：用剪刀從兩端沿紅色部分剪開。

師：假如紙帶上的抗蟲基因用堿基對形式來表示，要如何剪？請大家打開手中的大信封，依據(jù)大信封上的文字說明開展探究活動。

大信封文字說明——

探究活動1：“切割”抗蟲基因

1.取出大信封里的粉色小紙帶和剪刀。粉色小紙帶代表含抗蟲基因的部分DNA序列，粉紅色剪刀代表EcoR Ⅰ，藍(lán)色剪刀代表SmaⅠ。

2.學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)教材內(nèi)容，制定目的基因“切割”方案，對目的基因進(jìn)行“切割”。

思考問題：

1.EcoRⅠ和SmaⅠ是否都能“切割”出抗蟲基因？請說明理由。

2.如果可以切割，應(yīng)在哪里進(jìn)行切割？會切出怎樣的末端？

附加說明：含抗蟲基因的DNA（粉紅色小紙帶）兩端序列如下——

…ATGAATTCA……CTGAATTCG…

…TACTTAAGT……GACTTAAGC…

生：老師，我們的大信封里沒有粉紅色小紙帶。

師：恭喜這個幸運(yùn)的小組，你們獲得了唯一一個沒有粉紅色小紙帶的大紙帶，請用大紙帶完成小組探究活動，然后給大家展示你們的探究成果。

師巡視并參與個別小組的討論與交流。

生：老師，我們小組沒有粉紅色剪刀。

師：有其他顏色的剪刀嗎？

生：有藍(lán)色剪刀。

師：很好，用藍(lán)色剪刀可以完成任務(wù)嗎？

生：不能。

師：為什么？

生：因?yàn)樗{(lán)色剪刀代表SmaⅠ，書上說SmaⅠ只能切割CCCGGG的脫氧核苷酸序列，但我們拿到的紙帶上的抗蟲基因兩端的核苷酸序列是GAATTC，只能用EcoRⅠ來切割，而粉紅色剪刀才代表EcoRⅠ。

師：你說得對！特定的限制酶只能切割特定的核苷酸序列，這體現(xiàn)了限制酶哪一方面的特性？

生：酶的專一性。

師：哪個小組可以把粉紅色剪刀借給他們？

其中一組學(xué)生舉手表示可以。

師：你們小組有什么問題？

生：限制酶可以識別特定的核苷酸序列并且切割特定的核苷酸之間的磷酸二酯鍵，但它不能切割氫鍵，我們?nèi)狈η懈顨滏I的工具。

師：哪個小組有切割氫鍵的工具？

其余小組表示沒有。

師：這個問題要怎么解決呢？

生：我查過資料，資料上提到氫鍵的作用很小，不需要特定的工具切割就會斷裂。

師：這位同學(xué)不但善于發(fā)現(xiàn)問題，還能夠嘗試解決問題，非常值得我們學(xué)習(xí)。課后，同學(xué)們也可以嘗試設(shè)計(jì)更為合理的模型，現(xiàn)在請幸運(yùn)小組代表展示探究活動的成果。（借助動畫直觀展示限制酶的作用和特點(diǎn)，明確黏性末端、平末端以及磷酸二酯鍵和氫鍵的位置、斷裂原因等重難點(diǎn)知識，完成概念的生成）

2.現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，歸納提升

學(xué)生完成練習(xí)題：每種限制酶只能識別雙鏈DNA分子的某種 ；并使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的 斷開，產(chǎn)生的末端類型有 和______。

【評析】該探究活動環(huán)節(jié)是本課教學(xué)的亮點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)意圖的主要體現(xiàn)。首先，執(zhí)教老師讓學(xué)生自主探究切割目的基因，引導(dǎo)學(xué)生理解限制酶的專一性特性。其次，執(zhí)教老師設(shè)計(jì)了一個小組沒有剪刀，讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題，揭示工具的重要性，符合新課程倡導(dǎo)的“探究性學(xué)習(xí)”理念。從學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題到自主解決問題，執(zhí)教老師因勢利導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生思考并改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使學(xué)生形成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。最后，從學(xué)生探究活動到利用動畫展示知識結(jié)構(gòu)，歸納總結(jié)，加深了學(xué)生對重難點(diǎn)知識的理解，體現(xiàn)了概念教學(xué)模型化的特色。

（二）探究活動2：拼接兩個DNA分子

師：現(xiàn)在每個小組都獲得了“抗蟲基因”。那么，抗蟲基因如何與棉花自身的DNA進(jìn)行“拼接”呢？請同學(xué)們打開小信封，按照小信封上的文字說明，完成兩個DNA分子的“拼接”。

小信封文字說明——

探究活動2：拼接兩個DNA分子

1.取出小信封里的白色小紙帶和電工膠布。白色小紙帶代表要與目的基因拼接的DNA部分序列，電工膠布代表DNA連接酶。

2.以小組為單位，運(yùn)用正確的工具“切割”白色小紙帶上的DNA分子，并與抗蟲基因進(jìn)行“拼接”。

思考問題：

什么樣的DNA末端可以被“拼接”？為什么？怎樣得到這樣的末端？

附加說明：待拼接的DNA片段（白色小紙帶）如下——

…CCACTCGAATTCAACTC…

…GGTGAGCTTAAGTTGAG…

學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)并思考問題，思考“拼接”的思路，動手操作完成探究活動。幸運(yùn)小組用一張白色小紙帶模擬操作。

師：什么樣的DNA末端可以被“拼接”，為什么？

生：相同的黏性末端才可以被“拼接”，因?yàn)樾枰獕A基互補(bǔ)配對。

師：如何得到相同的黏性末端？

生：用相同的限制酶切割基因就能獲得相同的黏性末端。

師：回答正確！這說明大家掌握了限制酶的作用特點(diǎn)和“黏性末端”這一重要概念。哪個小組來展示你們的探究成果？

其中一個小組的學(xué)生代表展示學(xué)習(xí)成果，教師發(fā)現(xiàn)該小組展示作品均只是展示了作品的正面，從正面看，“拼接”結(jié)果基本正確。

師：接下來請幸運(yùn)小組展示他們的探究成果。

幸運(yùn)小組展示探究成果。

師：同學(xué)們對比展示作品和自己的作品，思考“拼接”方式一樣嗎？

生：基本相同。

師：請幸運(yùn)小組把作品的背面展示給大家看。

小組代表展示作品的背面。

生：背面的膠布貼錯了。

師：錯在哪兒？

生：膠布模擬DNA連接酶，作用是形成磷酸二酯鍵，它們除了連接磷酸二酯鍵，還連接了氫鍵。

師：氫鍵要如何處理？

生：氫鍵之間的作用十分微弱，不需要專門的酶就會斷裂，我認(rèn)為形成的時候也不需要專門的酶。

師：這位同學(xué)的推理對嗎？實(shí)際上，正是基于這樣的原因，教材中才沒有明確說明氫鍵斷裂和形成需要相關(guān)的酶。

師：剛才給大家提供了黏性末端的“拼接”模型，接下來我們通過動畫展示平末端是如何連接的。（動畫展示E-colI DNA連接酶和T4 DNA連接酶的連接過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行比較和歸納。）

【評析】小信封里的思考題起到了承上啟下的作用，既總結(jié)了限制酶作用的結(jié)果，又引出了“拼接”的前提。執(zhí)教老師通過“問題驅(qū)動”促使知識的生成，而學(xué)生在運(yùn)用知識解決問題的過程中也學(xué)會了歸納的方法。此外，執(zhí)教老師通過學(xué)生活動和生生評價達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、論證問題的過程，從而達(dá)成了共識，體現(xiàn)了合作探究學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。

三、精解案例，系統(tǒng)歸納

例題：判斷以下兩組DNA能否拼接成重組DNA分子，并說明理由。

第一組：

含目的基因的DNA片段：

…ACTCCCGGGTG……TACCCGGGCCT…

…TGAGGGCCCAC……ATGGGCCCGGA…

待拼接的DNA片段：

…CTGCTTACCCGGGTTATT…

…GACGAATGGGCCCAATAA…

第二組：

含目的基因的DNA片段：

…TATGAATTCAG……TACCCGGGTC…

…ATACTTAAGTC……ATGGGCCCAG…

待拼接的DNA片段：

…CTCCCACTCGAATTCAACTCCCAC…

…GAGGGTGTGCTTAAGTTGAGGGTG…

生：第一組DNA可以拼接成重組DNA分子，因?yàn)槟康幕騼啥撕痛唇覦NA均含有堿基對序列

…CCCGGG…

…GGGCCC…

用限制酶SmaⅠ切割目的基因兩端和待拼接DNA可以形成相同的平末端，用T4DNA連接酶拼接平末端可以形成重組DNA分子。

生：第二組不可以，因?yàn)槟康幕騼啥艘脙煞N限制酶切割，形成一個黏性末端和一個平末端，待拼接DNA只能被EcoRⅠ切割，形成一種黏性末端，平末端和黏性末端不能拼接。

師：能否總結(jié)一下，什么樣的DNA可以進(jìn)行“拼接”？

生：目的基因要和待拼接DNA具有相同的黏性末端或者平末端才可以進(jìn)行“拼接”。

師：一般情況下，如何能夠得到具有相同黏性末端的兩個DNA分子？

生：通常需要對兩個DNA分子用同種限制酶進(jìn)行切割。

師：不同的限制酶也能夠切割出相同的黏性末端嗎？

生沉默表示不知道。

師：這樣吧，我們先留個懸念，一會兒通過解題來加深理解。

【評析】執(zhí)教老師通過分析例題，將限制酶與DNA連接酶的作用特點(diǎn)及作用進(jìn)行有效串聯(lián)，解決了從理論知識到實(shí)際應(yīng)用的問題；讓各小組表達(dá)自己的觀點(diǎn)，則體現(xiàn)了教學(xué)要“面向全體學(xué)生”的課程理念。

四、當(dāng)堂鞏固，拓展提升

完成下列練習(xí)題

1.下列關(guān)于限制酶和DNA連接酶的說法中，錯誤的是（ ）

A.二者的化學(xué)本質(zhì)都是蛋白質(zhì)。

B.二者作用部位都是磷酸二酯鍵和氫鍵。

C. T4DNA連接酶可以連接平末端和黏性末端。

D.限制酶作用的結(jié)果是產(chǎn)生平末端或黏性末端。

2.（2012.課標(biāo)·改編）某DNA分子用EcoRⅠ切割后產(chǎn)生的DNA片段如下：

AATTC……G

G……CTTAA

為使該DNA能夠與目的基因相連，含有目的基因的DNA除了用EcoRⅠ切割，還可以用另一種限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行切割，該酶必須具有的特點(diǎn)是 。

3.原核生物很容易受到外源DNA入侵，但在長期的進(jìn)化過程中，原核生物卻沒有因?yàn)橥庠碊NA的入侵而滅絕。根據(jù)我們所掌握的知識，你能夠推測這其中的原因嗎？

學(xué)生針對習(xí)題1中的每一個選項(xiàng)做出解析。

對于習(xí)題2，教師引導(dǎo)學(xué)生回憶課堂上總結(jié)的能夠拼接的兩個DNA需要具備的條件，由此引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)得出，使不同限制酶切割的DNA相連，必備條件是不同的限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端相同。

習(xí)題3作為對限制酶作用的拓展，在學(xué)生思考討論的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)行提示，比如：外源DNA入侵→抵抗DNA入侵→破壞外源DNA→限制酶的作用→限制酶的特點(diǎn)→自身DNA如何避免被“切割”。

【評析】當(dāng)堂訓(xùn)練是測評學(xué)生是否掌握所學(xué)知識的有效手段。執(zhí)教老師設(shè)計(jì)的題目層次分明，難度層層遞進(jìn)，滿足了學(xué)生多元化的學(xué)習(xí)需求。習(xí)題2是對高考題的改編，既聚焦了高考熱點(diǎn)題型“文字表述題”，又體現(xiàn)了高考理綜選做題的考查形式。習(xí)題3則讓學(xué)生從進(jìn)化論角度理解限制酶在原核生物中的作用，豐富了學(xué)生對限制酶的理解，是對學(xué)習(xí)內(nèi)容的補(bǔ)充，體現(xiàn)了知識的完整性。

五、歸納總結(jié)，承上啟下

師：今天，同學(xué)們受蘇云金桿菌的啟發(fā)，嘗試?yán)孟拗菩院怂醿?nèi)切酶和DNA連接酶，通過建模完成了將抗蟲基因和棉花DNA進(jìn)行“切割”和“拼接”的模擬操作。我們希望將重組DNA分子直接導(dǎo)入棉花細(xì)胞，完成定向改造棉花的設(shè)想，從而解決棉花生長過程中面臨的蟲害問題。探索科學(xué)發(fā)展的道路是曲折的，重組DNA分子能否在棉株體內(nèi)細(xì)胞中穩(wěn)定存在呢？是否還需要別的工具？下節(jié)課我們繼續(xù)探討。

【總評】

這節(jié)課主線清晰，學(xué)習(xí)方式多樣，主要通過探究性學(xué)習(xí)突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，以“問題驅(qū)動”引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)知識，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，抓住中心點(diǎn)。執(zhí)教老師牢牢抓住限制酶和連接酶這兩個工具酶進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，利用建模的形式引導(dǎo)學(xué)生合作學(xué)習(xí)，自主建構(gòu)知識體系，實(shí)現(xiàn)了知識教學(xué)的目標(biāo)。

第二，突破重難點(diǎn)。執(zhí)教老師利用“模型建構(gòu)法”，讓學(xué)生分組合作探究，由使用限制酶EcoRI入手，再通過與限制酶SmaI進(jìn)行比較，得出限制酶和DNA連接酶的特點(diǎn)，突破了學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

第三，找準(zhǔn)切入點(diǎn)。課前，執(zhí)教老師精心制作教具，設(shè)計(jì)活動環(huán)節(jié)，通過引導(dǎo)學(xué)生對已知含有抗蟲基因的DNA片段如何切割、用什么切割、在哪里切割、切割后會出現(xiàn)什么情況等進(jìn)行探究，以“切割”作為知識學(xué)習(xí)的切入點(diǎn)，準(zhǔn)確而恰當(dāng)。

第四，理清知識點(diǎn)。教學(xué)中，學(xué)生探究活動的難點(diǎn)是如何正確處理動手操作與知識梳理的關(guān)系。執(zhí)教老師采用“模型構(gòu)建”的策略，完成了知識梳理這一學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過動畫演示、及時歸納等方法，促使學(xué)生深入理解知識，達(dá)到了知識內(nèi)化的目的。

此外，通過討論問題和課后練習(xí)，學(xué)生知道了如何運(yùn)用知識分析問題、解決問題，提高了知識的遷移運(yùn)用能力。

[本課例在中南六?。▍^(qū)）生物教學(xué)研討會上榮獲課例評比一等獎]

（責(zé)編 歐孔群）