尚麗紅

基因工程這節(jié)課的內(nèi)容為高度抽象的分子生物學知識，其重難點是基因工程的工具和基因工程步驟這兩個抽象的理論知識。本文嘗試利用物理模型和概念模型建構(gòu)的教學方法突破本節(jié)課的重難點內(nèi)容，以期在生物學學科核心素養(yǎng)的四個維度提高學生的生物學科核心素養(yǎng)，以此為實現(xiàn)學生的核心素養(yǎng)而貢獻生物學應(yīng)有的力量，為全面立德樹人發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1 教材分析

本節(jié)課的內(nèi)容包括基因工程的概念、三種工具、四個步驟，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，前三個為主要的理論基礎(chǔ)，也是本節(jié)課的教學重難點。而關(guān)于其概念是高度抽象的總結(jié)理論，要對概念深刻理解就要理清基因工程的四個步驟和在每一步中用到的工具。過程清楚了，自然能夠結(jié)合過程說出用到的工具和各自的基本功能，通過過程自然會形成基因工程概念的有意義構(gòu)建。

2 教學設(shè)計思路

3 教學過程

3.1 導入新課

問題導入：如果要將人控制合成胰島素的基因（以下簡稱人胰島素基因）導入大腸桿菌中，應(yīng)該怎樣操作呢？同時按組分發(fā)器材，如果分發(fā)給大家的器材中兩個杯子分別代表一個大腸桿菌細胞和一個人體細胞，大家對代表大腸桿菌細胞和人體細胞的杯子分別做標記，然后再檢查各個杯子中的紙條分別代表什么，有沒有不合理的地方。

設(shè)計意圖：提出問題，引發(fā)學生探究的積極性，通過模型模擬細胞并鞏固原核細胞和真核細胞的區(qū)別，學生能夠很快根據(jù)杯子的大小指出分別代表的細胞，但是有的小組沒有注意到小杯子中的紙條沒有連接成環(huán)的問題，通過教師提示和其他小組的修正展示幫助各個小組完善自己的細胞模型。過程如圖1。

3.2 利用模型逐步引導學生解決上課提出的探究問題

（1）目的基因的獲取

師：“大家已經(jīng)都修正好了自己的大腸桿菌和人體細胞模型，那么接下來怎么樣將人胰島素基因?qū)氲酱竽c桿菌中呢？”

生：“從人體細胞中取出人胰島素基因。”

師：“但是人體基因有約3萬個，怎樣找到這個特定的基因并將其取出來呢？”

生：“（根據(jù)預習回答）剪下來?！?/p>

師：“用什么剪呢？”

生：“剪刀。”

師：“在細胞中也可以用剪刀剪嗎？”

生：“不能。”

師：“那用什么呢？”

生：“用限制性核酸內(nèi)切酶，簡稱限制酶?！?/p>

師：“因此本模擬實驗中的剪刀相當于限制酶。在哪里剪開呢？每個基因的兩段序列相同嗎？每種剪刀的剪切位點一樣嗎？剪開的是DNA中的什么化學鍵？”

生：“（結(jié)合預習）根據(jù)目的基因的特點——特異性的剪切，每個基因的序列不同，因此剪切不同的目的基因需要不同的限制酶，剪開的其實是DNA分子中的磷酸二酯鍵?！?/p>

師：“非常好，在上述情境中，像人胰島素基因在基因工程中稱目的基因，其中大腸桿菌稱受體細胞。其實這一步就是基因工程的第一步——目的基因的獲取，在這里我們用到了第一種工具——基因的剪刀（限制酶），大家看到了限制酶應(yīng)該具有專一性（如EcoRI只能特異性地識別GAATTC，并在G和A之間將DNA切成兩段），簡單介紹限制酶切割形成的兩種末端。假設(shè)大家拿的剪刀就是EcoRI，大家分別來模擬切割過程?！?/p>

學生紛紛動手剪切……

在教學過程中牽扯到的工具和材料如圖2所示。

（2）目的基因與運載體的結(jié)合

在這個環(huán)節(jié)教師仍然提出問題：目的基因被切割下來了，那么怎樣進入大腸桿菌細胞呢？能自發(fā)地進入嗎？學生根據(jù)預習指出需要運輸工具后，教師介紹常用的三種運輸工具，并著重強調(diào)常用的運載體質(zhì)粒的本質(zhì)是小型環(huán)狀DNA分子，具有多個酶切位點，有標記基因的特點，再根據(jù)學生的操作，大家發(fā)現(xiàn)要將目的基因與運載體結(jié)合必須將運載體用同種限制性切割運載體再與目的基因進行連接。學生完成了這個過程，但有同學提出疑問：在連接時只會有這一種連接方式嗎？大家共同探討還會形成質(zhì)粒自連環(huán)。目的基因自連環(huán)和多個目的基因與一個質(zhì)粒連接環(huán)、多個質(zhì)粒與一個目的基因連接的多種情況。為了將運載體與目的基因連接需要用到基因的針線——DNA連接酶，指出其發(fā)揮作用的部位仍然是連接形成磷酸二酯鍵。如圖3。

（3）目的基因運入受體細胞

通過一定的物理或化學方法將重組質(zhì)粒導入受體細胞大腸桿菌。

（4）目的基因的表達與檢測

根據(jù)前面的模型構(gòu)建，大家知道構(gòu)建重組質(zhì)粒時會出現(xiàn)多種連接方式，并不是每個目的基因都會在受體細胞表達，因此要根據(jù)標記基因進行篩選并檢測目的基因的表達情況，從而得到有效的轉(zhuǎn)基因生物。

3.3 總結(jié)基因工程的三種工具，區(qū)別四種酶（如表1）

3.4 結(jié)合實例總結(jié)基因工程的概念

請學生結(jié)合轉(zhuǎn)基因大腸桿菌得到的過程總結(jié)基因工程的概念，教師糾正表述，與課本概念對照理解基因工程的原理是跨種之間的基因重組。

4 總結(jié)

本節(jié)課通過模型構(gòu)建的方法，將抽象的不可見的分子水平的操作可視化，通過逐步引導學生得到轉(zhuǎn)基因大腸桿菌，學生都能夠積極參與課堂、積極思考。學生在操作的過程中提出了一些有意義的問題，如限制酶是否會作用于氫鍵等，通過概念模型構(gòu)建的方式將基因工程的步驟內(nèi)化為結(jié)合實例的思維過程，突破了傳統(tǒng)的講授法枯燥抽象的弊端，通過自己親身解決問題的過程總結(jié)用到的三種工具，并通過填表格的方式與前面學過的水解酶和DNA聚合酶做比較，學生很快找到兩者的差異并且鞏固了舊知，做到了將新舊知識有效地對接。最后，通過學生自己總結(jié)基因工程的概念，鍛煉了學生的語言組織能力和對概念表述的一般方法，通過教師糾正，幫助學生形成生物學概念表述的一般規(guī)范方式。整節(jié)課學生的積極性較高，思維活躍，基本每個同學都參與了進來，但是由于我們的學生基礎(chǔ)知識薄弱，因此課程進度較慢，一課時只完成了基因工程的理論部分內(nèi)容，關(guān)于后面的應(yīng)用只能通過學生結(jié)合課本搜集資料的方式去了解我們身邊的轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因動物和轉(zhuǎn)基因在醫(yī)藥、環(huán)保方面的應(yīng)用。不過筆者驚喜地發(fā)現(xiàn)學生對課本中提到的應(yīng)用很容易理解，并且對于相關(guān)練習題的完成情況遠優(yōu)于不做模型構(gòu)建的班級，這充分地說明本節(jié)課適合模型構(gòu)建法。另外，本節(jié)課的整個過程通過探究的方式培養(yǎng)了學生的科學思維能力、動手能力和小組合作能力，為學生的生物學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有很好的促進作用。

高中生物學科核心素養(yǎng)指出，本課程對高中生獨有的育人貢獻主要表現(xiàn)為提高學生的生物學科核心素養(yǎng)，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任。本節(jié)課中對這幾方面的體現(xiàn)主要在以下幾個方面：通過對轉(zhuǎn)基因過程的模擬和演示讓學生能夠明白人之所以能夠產(chǎn)生胰島素是由于人體內(nèi)有指導產(chǎn)生胰島素的相關(guān)基因，而如果將胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，也能夠讓不能產(chǎn)生胰島素的大腸桿菌產(chǎn)生胰島素，至此使學生明白生物的性狀是由基因決定的，從而理解生命特征的物質(zhì)性，形成生命觀念的物質(zhì)觀。通過自己親手體驗實施基因工程的過程，明白模型構(gòu)建的重要過程和研究方法，進而提升學生的科學思維。另外，通過學生親自參與基因工程的過程，讓他們明白科學探究的一般過程，體驗科學探究的過程。最后，通過舉例說明基因工程可以造福于人類，但同時如果將某些致病基因轉(zhuǎn)入人體則有可能使人致病，從而引起健康問題，如果是不法國家利用基因工程制作生物武器則有可能引起全世界的恐慌和世界戰(zhàn)爭，所以對基因工程這樣的現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)該審慎使用，在使用前要全面評估該技術(shù)可能引起的社會問題，進而引導學生形成正確的生命技術(shù)態(tài)度，以服務(wù)人民、改善人民的生物技術(shù)為好技術(shù)的價值觀念。

當然高中生的生物學科核心素養(yǎng)的實現(xiàn)絕不是一兩節(jié)課就能實現(xiàn)的，只有通過一線教師持之以恒的不斷探索，針對不同課程內(nèi)容不斷地凝練大概念，不斷地細化教學過程，不斷研究課標，認真整合教材和生活中的教育資源才有可能為新一輪課改的實施奠定基礎(chǔ)。

（作者單位：舟曲縣第一中學）