陳密玉 何淑珠

（1.漳州第一中學(xué)，福建漳州363000；2.漳州第三中學(xué),福建漳州363000）

模型建構(gòu)在“基因工程”專題教學(xué)中的實(shí)踐

陳密玉1 何淑珠2

（1.漳州第一中學(xué)，福建漳州363000；2.漳州第三中學(xué),福建漳州363000）

以“基因工程”專題教學(xué)為案例，探討通過(guò)建構(gòu)概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，深刻理解、應(yīng)用有關(guān)基因工程的知識(shí)，提高教學(xué)效果。

模型建構(gòu)；基因工程

高中生物學(xué)的基本概念和基本規(guī)律很多，許多概念原型是微觀的，無(wú)法用肉眼觀察，也無(wú)法實(shí)際操作。如何引導(dǎo)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)高中生物學(xué)知識(shí)，模型建構(gòu)是一種很好的教學(xué)形式。模型，即模擬原型，是人們?yōu)榱烁唧w地認(rèn)識(shí)研究對(duì)象，而對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行的簡(jiǎn)化描述。模型的種類很多，有概念模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型等。［1］本文以人教版《高中生物·選修3·現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)》中的“基因工程”專題教學(xué)為例，闡述如何指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

一、建構(gòu)概念模型，理解科學(xué)概念

概念圖是一種能形象表達(dá)命題網(wǎng)絡(luò)中一系列概念含義及其關(guān)系的圖解，它是由概念節(jié)點(diǎn)和連線所組成的一系列概念的結(jié)構(gòu)化表征。它能形象化地表達(dá)某一命題中各概念節(jié)點(diǎn)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。［2］基因工程屬于分子水平的生物技術(shù)，高中學(xué)生不大可能像大學(xué)生一樣親自進(jìn)行基因工程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而且基因工程專題的概念、專業(yè)術(shù)語(yǔ)比較多，指導(dǎo)學(xué)生自己建構(gòu)概念圖，將概念及其相互之間的聯(lián)系以概念圖這一概念模型表示，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的理解能力、記憶能力，而且可以提升學(xué)生的綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

教學(xué)中，提供給學(xué)生“基因工程基本內(nèi)容”概念圖的基本框架（如圖1），然后分小組進(jìn)行討論，再派代表進(jìn)行匯報(bào)。讓學(xué)生對(duì)各組觀點(diǎn)進(jìn)行相互質(zhì)疑、評(píng)價(jià)與修改，最終合作建構(gòu)出完整的“基因工程基本內(nèi)容”概念圖。

通過(guò)建構(gòu)概念模型，學(xué)生普遍反映對(duì)概念的理解更加深刻了，體驗(yàn)了合作學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。同時(shí)輕松解答“2016年全國(guó)卷第40題第（1）小題：質(zhì)粒載體作為基因工程的工具，應(yīng)具備的基本條件有_____（答出兩點(diǎn)即可）”。

圖1 基因工程基本內(nèi)容概念圖

二、建構(gòu)物理模型，理解基因工程的基本工具

物理模型是一種以實(shí)物或圖片形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象特征的研究方法。［3］“基因工程的基本工具”教學(xué)時(shí)，為避免機(jī)械性灌輸知識(shí)，可以采用建構(gòu)物理模型的方法，幫助學(xué)生理解限制酶有特定的脫氧核糖核苷酸識(shí)別序列，并且還有特定的切割位點(diǎn)，使磷酸二酯鍵斷開，從而產(chǎn)生黏性末端或平末端。

例如限制酶EcoRⅠ和限制酶SmaⅠ的識(shí)別序列和酶切位點(diǎn)分別是—G↓AATTC—、—CCC↓GGG—，兩者的切割結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 限制酶EcoR識(shí)別序列、酶切位點(diǎn)及切割結(jié)果

圖3 限制酶SmaⅠ識(shí)別序列、酶切位點(diǎn)及切割結(jié)果

但有些限制酶，如MboⅠ，它的識(shí)別序列和酶切位點(diǎn)是—↓GATC—，若用其切割某段DNA，得到哪種末端呢？學(xué)生一般容易想當(dāng)然是平末端，其實(shí)不然。通過(guò)建構(gòu)物理模型（如圖4），幫助學(xué)生理解限制酶MboⅠ切割結(jié)果是黏性末端而不是平末端。從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)“黏性末端是限制酶在它識(shí)別序列的對(duì)稱軸兩邊進(jìn)行酶切的結(jié)果，而平末端是限制酶在它識(shí)別序列的對(duì)稱軸處進(jìn)行酶切的結(jié)果”這一概念的理解。

圖4 限制酶MboⅠ識(shí)別序列、酶切位點(diǎn)及切割結(jié)果

接著，學(xué)生在解答“2005年天津卷第31題第（1）小題：限制酶Ⅰ的識(shí)別序列和切點(diǎn)是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的識(shí)別序列和切點(diǎn)是—↓GATC—。在質(zhì)粒上有一個(gè)限制酶Ⅰ的切點(diǎn)，在目的基因的兩側(cè)各有一個(gè)限制酶Ⅱ的切點(diǎn)。在DNA連接酶的作用下，上述兩種不同限制酶切割后形成的末端能否連接？為什么？”時(shí)，有些學(xué)生還是不理解，為什么不同的限制酶切割得到的DNA片段能夠連接呢？利用物理模型建構(gòu)的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，就可以化抽象為具體，結(jié)果淺顯易懂。（如圖5、圖6）

圖5 雙鏈環(huán)狀質(zhì)粒經(jīng)限制酶Ⅰ切割后的開環(huán)位點(diǎn)

圖6 限制酶Ⅱ切割后得到的三種片段，中間片段為目的基因

從圖5和圖6所示的物理模型中，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)，目的基因的兩端剛好可以和質(zhì)粒的開環(huán)位點(diǎn)發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)，形成重組質(zhì)粒。由此可見(jiàn)，用不同的限制酶切割產(chǎn)生的片段可能可以連接，也可能不可以連接，關(guān)鍵要注意觀察黏性末端是否相同，相同即可連接，否則不可連接。

三、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，理解PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因

數(shù)學(xué)模型是用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，如公式、坐標(biāo)等。［4］可以采用建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的方法學(xué)習(xí)“利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因”這一概念。

PCR技術(shù)是模擬細(xì)胞內(nèi)DNA半保留復(fù)制的過(guò)程，將模板DNA的脫氧核苷酸序列在PCR擴(kuò)增儀中不斷地進(jìn)行復(fù)制，使其數(shù)量呈2n形式增加，從而大量擴(kuò)增出目的基因。（如圖7、圖8）

圖7 PCR技術(shù)反應(yīng)原理示意圖

圖8 一個(gè)DNA分子經(jīng)過(guò)PCR技術(shù)3次重復(fù)循環(huán)的結(jié)果示意圖

由圖8可得出，若一個(gè)DNA分子經(jīng)過(guò)n次擴(kuò)增循環(huán)，那么（1）形成的子DNA分子總數(shù)=2n個(gè)；（2）含有親代DNA鏈的子代DNA分子總數(shù)=2個(gè)；不含親代DNA鏈的子代DNA分子總數(shù)=（2n-2）個(gè)；（3）子代DNA分子中脫氧核苷酸鏈總數(shù)=2n+1條；親代脫氧核苷酸鏈總數(shù)=2條；新合成的脫氧核苷酸鏈總數(shù)=（2n+1-2）條；（4）若某一DNA分子含有某種脫氧核苷酸a個(gè)，經(jīng)過(guò)n次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)=a·(2n-1)；第n次循環(huán)所需該脫氧核苷酸總數(shù)=n次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)-（n-1）次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)=a·(2n-1)-a·(2n-1-1)=a·2n-1。

要求學(xué)生利用形成的子DNA分子總數(shù)=2n個(gè)、經(jīng)過(guò)n次循環(huán)需要消耗該脫氧核苷酸總數(shù)=a·(2n-1)、不含親代DNA鏈的子代DNA分子總數(shù)=（2n-2）個(gè)的數(shù)學(xué)模型解答：下圖表示PCR技術(shù)操作過(guò)程。

如果某一DNA有1000個(gè)脫氧核苷酸，都用15N標(biāo)記，且一條鏈上A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4，游離的脫氧核苷酸不做標(biāo)記，控制“94℃～55℃～72℃”溫度循環(huán)7次，則產(chǎn)生___個(gè)DNA，需要提供胸腺嘧啶脫氧核苷酸的數(shù)目至少是___個(gè)，不含有15N標(biāo)記的子代DNA有___個(gè)。

由此可見(jiàn)，利用建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的方法，可以快速高效地解決PCR技術(shù)中的一些計(jì)算問(wèn)題，從而給進(jìn)行PCR技術(shù)操作時(shí)應(yīng)該添加多少原料帶來(lái)了方便。

通過(guò)模型建構(gòu)來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)基因工程知識(shí)，將抽象的知識(shí)具體化，不僅可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的積極性，而且可以充分提高學(xué)生的探究能力、動(dòng)手能力，從而主動(dòng)學(xué)習(xí)生物學(xué)，提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

［1］江宜博.例析模型建構(gòu)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用［J］.福建基礎(chǔ)教育研究，2010（5）.

［2］徐洪林,康長(zhǎng)運(yùn),劉恩山.概念圖的研究及其進(jìn)展［J］.科學(xué)教育,2003（3）.

［3］朱正威，趙占良.生物1《分子與細(xì)胞》［M］.北京:人民教育出版社，2007.

［4］朱正威，趙占良.生物3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》［M］.北京:人民教育出版社，2007.

［5］盧長(zhǎng)飛，高中生物教學(xué)中“生物學(xué)模型”的嵌入［J］.中學(xué)教學(xué)參考，2012（20）.

（責(zé)任編輯：陳欣）

本文系2015年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目基礎(chǔ)教育研究專項(xiàng)計(jì)劃立項(xiàng)課題（項(xiàng)目編號(hào)：JAS151468）研究成果。