楊二群

摘 要 根據(jù)“發(fā)現(xiàn)問題”“分析問題”到“解決問題”的規(guī)律，針對高中生物教學中“基因工程”這一難點進行設計，創(chuàng)設并充分利用情境展開教學，以問題串貫穿引領學生深入淺出，并通過模擬操作實驗變抽象為具體，幫助學生降低學習難度，把握重點。

關鍵詞 基因工程 限制酶 DNA連接酶 模擬操作 教學設計

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材和學情分析

“DNA重組技術的基本工具”是高中生物《選修3·現(xiàn)代生物科技專題》中“基因工程”專題的第一節(jié)教學內(nèi)容。轉基因是當前社會的熱點話題，近些年各地高考生物試卷中關于基因工程的內(nèi)容可謂是屢見不鮮，而學生對于此類題型得分率往往偏低，因此該內(nèi)容是教學公認的重、難點。

學生得分低的根本原因還是基礎知識掌握不牢，沒有完全理解核心概念，在此前已經(jīng)學習過必修二模塊的基因的本質、基因的表達等相關遺傳學知識，有了一定的知識基礎。但由于遺傳本身也是高中生物中的一個難點，且還間隔了一段時間，難免有所遺忘，再加上“基因工程”是分子水平的范疇，內(nèi)容抽象，以往學生學習全靠想象，無法直觀地體會，學生學起來比較吃力。考慮到上述的這些因素，為提高教學效率，讓學生牢牢把握相關基礎知識，教師在教學設計中應做到合理利用科學史創(chuàng)設情境、適當復習回憶相關知識、化抽象為具體、由淺入深等來幫助學生克服難點。

2 教學目標

2.1 知識目標

理解基因工程的概念，簡述DNA重組技術所需的三種基本工具。

2.2 能力目標

模擬限制酶、DNA連接酶的作用過程。

2.3 情感、態(tài)度與價值觀目標

認同基因工程的誕生和發(fā)展離不開理論研究和技術的創(chuàng)新。

3 教學過程

3.1 巧設情境，通過兩個問題讓學生掌握基因工程的由來與概念

教師用多媒體展示綠色熒光海蜇與老鼠的兩張圖片，提出問題：“導致老鼠和海蜇性狀差異的根本原因是什么？”學生可能回答出“DNA”“染色體”“基因”“蛋白質”“RNA”等五花八門的答案。教師在給出“它們的DNA所攜帶的遺傳信息不同”這一正確答案后，明確生物性狀差異的根本原因在于遺傳信息上，直接原因在于蛋白質。之后，順便把學生回答的這些答案加以總結，利用PPT投影模擬圖，幫助學生回憶“染色體”“DNA”“基因”等概念的關系，強調基因是遺傳的基本單位，并在圖中指明DNA中的“磷酸二酯鍵”和“氫鍵”。

然后，教師再指出：在海蜇與老鼠的諸多差異中，有一種性狀老鼠是沒有的，那就是能發(fā)出綠色熒光。教師提出問題：“若老鼠也想發(fā)光，可以怎么做？”根據(jù)學生回答情況，有必要的話教師可以跟學生一起分析：海蜇能發(fā)出熒光的原因是什么？（海蜇體內(nèi)有綠色熒光蛋白）追問：為什么海蜇體內(nèi)能產(chǎn)生該蛋白而老鼠不能呢？根本原因是什么？（海蜇體內(nèi)有綠色熒光蛋白基因，綠色熒光蛋白基因通過表達產(chǎn)生綠色熒光蛋白，而老鼠體內(nèi)沒有該基因）

在此基礎上，有學生會提出要想老鼠發(fā)光可將海蜇的綠色熒光蛋白提取并植入老鼠體內(nèi)，也有學生提出應該植入老鼠體內(nèi)的是海蜇的綠色熒光蛋白基因。

對兩種方案進行討論比較，學生可很快得出：“向老鼠轉入綠色熒光蛋白使老鼠發(fā)光，效應不可持續(xù)，為了老鼠能夠持續(xù)具有熒光效應，應當給老鼠轉入綠色熒光蛋白基因，因為基因可遺傳。”

隨后，教師通過投影向學生展示綠色熒光老鼠和熒光豬的照片，并指出它們就是科學家利用即將要學習的“基因工程技術”所創(chuàng)造出來的，引導學生閱讀并理解書上的基因工程概念。教師強調基因工程是分子水平上的技術設計，是一種定向改造生物遺傳性狀的技術，基因工程所創(chuàng)造出的生物被形象地稱為轉基因生物，即轉入了外源基因的生物。

3.2 深挖情境，由淺入深引出基因工程操作中的三種工具

經(jīng)過上一環(huán)節(jié)，學生明白了什么是轉基因生物，教師提出第三個關鍵問題：“假如你就是當初的科學家，要想把海蜇體內(nèi)的綠色熒光蛋白基因轉接到老鼠體內(nèi)，你需要擁有哪些工具？”因為有了前面的鋪墊，學生不難回答出需要有一種能夠把基因從相關DNA上剪切下來的工具、運輸?shù)嚼鲜篌w內(nèi)的工具以及連接工具（教師可根據(jù)具體情況引導學生思考）。在學生回答后，教師加以總結：科學家當年就是帶著同樣的目的去尋找這些工具，并于20世紀60～70年代，依次發(fā)現(xiàn)了符合要求的這些工具，它們依次是“限制性核酸內(nèi)切酶”“DNA連接酶”“運載體”，在此過程中還發(fā)明了DNA人工合成技術和測序技術。

3.3 變抽象為具體，通過模擬操作，讓學生熟悉基因工程操作中的基本工具

教師引導學生逐一掌握基因工程操作中三種工具的概念及作用機理。

3.3.1 限制性核酸內(nèi)切酶

教師向學生介紹限制酶的發(fā)現(xiàn)史，以EcoRⅠ酶和Hpa I酶這兩種限制酶為代表（分別切割出黏性末端和平末端）介紹限制酶的概念及相關知識，帶領學生觀察并發(fā)現(xiàn)限制酶識別序列的特點——都是倒置重復的回文序列。然后進行模擬操作一：利用課前發(fā)放的就有EcoRⅠ酶的識別序列（■）的紙條（圖1），用剪刀模擬EcoRⅠ酶切割DNA。

在學生操作結束后，教師選幾位學生的切割結果加以分析點評，并指出切割后形成的3個DNA片段中，把中間一段假設為綠色熒光蛋白基因加以保留。

3.3.2 DNA連接酶和運載體

教師介紹DNA連接酶和運載體的發(fā)現(xiàn)史、概念、分類與作用等相關知識，強調DNA連接酶連接的是兩個末端互補的DNA片段，通過形成磷酸二酯鍵完成。天然的載體一般不同時具備有限制酶切割位點、啟動子、終止子、標記基因、合適大小等要素，往往需要經(jīng)過人工改造方可。隨后按教師要求進行模擬操作二：把已發(fā)放的紙環(huán)看作質粒（圖2），告訴學生所拿到的質粒上也有EcoRⅠ酶的識別序列，用剪刀模擬EcoRⅠ酶切割質粒后，再用膠帶紙當作DNA連接酶連接操作一中切割的目的基因與切割后的質粒。

學生交流操作成果，總結并討論：一共可能會有多少種連接結果？如何避免錯誤連接？設想在一定的環(huán)境中許多被切割后的質粒和目的基因在一起，同時被DNA連接酶作用，由于前面已經(jīng)強調了DNA連接酶的作用特點，學生不難提出除了正確的連接之外，還可能出現(xiàn)反向連接、目的基因和載體自身環(huán)化，三個及三個以上同時連接等。教師引導學生分析形成這些錯誤的原因，提出改進方案（對于反向連接、自身環(huán)化可以用兩種限制酶切割以形成不一樣的末端而加以避免，但即使這樣也不能保證100%成功，所以連接后還需要篩選）。通過討論可以為下一節(jié)“基因工程的操作程序”的學習做鋪墊，同時讓學生理解科學技術需要不斷發(fā)展完善，并感受科研工作的艱辛與意義。

4 教學反思

教師找到了以往學生學習本節(jié)難處所在，并對學生的難點進行了充分的分析，在此基礎上進行教學設計，遵循了從“發(fā)現(xiàn)問題”到“分析問題”“解決問題”的科學思路。用老鼠和海蜇創(chuàng)設情境，能很好吸引學生的學習興趣，教師充分利用情境，通過關鍵問題幫助學生回憶復習了遺傳的相關知識點、理解基因工程的概念、到底什么是轉基因生物這一社會熱點話題，并形成知識框架，同時巧妙地引出本節(jié)的教學重、難點——DNA重組技術的基本工具。對于限制酶、DNA連接酶等抽象的分子水平概念，通過設計模型和兩次模擬操作，變抽象為具體，讓學生宏觀上直觀體會限制酶的切割、DNA連接酶的連接等過程，在動手操作及思考中學習新的知識，降低了學生的學習難度，效果顯著。

在教學中，“如何讓老鼠發(fā)光”這一情境，自然而然地引入“限制酶”“DNA連接酶”“運載體”的發(fā)現(xiàn)史，有助于學生在情感上認同基因工程的誕生與發(fā)展離不開理論的研究與技術的創(chuàng)新。

不論在什么學科，都會有一些教學的難點，為讓學生突破難點、把握難點，更好地體會相關核心概念，教師在教學設計中，分析、了解學生難點，通過創(chuàng)設情境，使學生的注意力高度集中、積極思維，并充分利用情境結合多媒體、模型、實驗操作等一些教學手段，降低學習的難度，加深學習的深度。