模型建构在“基因工程”专题教学中的实践

陈密玉 何淑珠

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

模型建构在“基因工程”专题教学中的实践

陈密玉1 何淑珠2

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

以“基因工程”专题教学为案例，探讨通过建构概念模型、物理模型和数学模型，引导学生分析问题和解决问题，深刻理解、应用有关基因工程的知识，提高教学效果。

模型建构；基因工程

高中生物学的基本概念和基本规律很多，许多概念原型是微观的，无法用肉眼观察，也无法实际操作。如何引导学生更好地学习高中生物学知识，模型建构是一种很好的教学形式。模型，即模拟原型，是人们为了更具体地认识研究对象，而对研究对象进行的简化描述。模型的种类很多，有概念模型、物理模型、数学模型等。［1］本文以人教版《高中生物·选修3·现代科学技术》中的“基因工程”专题教学为例，阐述如何指导学生建构模型，提高学生的学习效果。

一、建构概念模型，理解科学概念

概念图是一种能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的图解，它是由概念节点和连线所组成的一系列概念的结构化表征。它能形象化地表达某一命题中各概念节点间的内在逻辑关系。［2］基因工程属于分子水平的生物技术，高中学生不大可能像大学生一样亲自进行基因工程的相关实验，而且基因工程专题的概念、专业术语比较多，指导学生自己建构概念图，将概念及其相互之间的联系以概念图这一概念模型表示，不仅可以增强学生的理解能力、记忆能力，而且可以提升学生的综合分析问题、解决问题的能力。

教学中，提供给学生“基因工程基本内容”概念图的基本框架（如图1），然后分小组进行讨论，再派代表进行汇报。让学生对各组观点进行相互质疑、评价与修改，最终合作建构出完整的“基因工程基本内容”概念图。

通过建构概念模型，学生普遍反映对概念的理解更加深刻了，体验了合作学习的乐趣。同时轻松解答“2016年全国卷第40题第（1）小题：质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有_____（答出两点即可）”。

图1 基因工程基本内容概念图

二、建构物理模型，理解基因工程的基本工具

物理模型是一种以实物或图片形式直观地表达认识对象特征的研究方法。［3］“基因工程的基本工具”教学时，为避免机械性灌输知识，可以采用建构物理模型的方法，帮助学生理解限制酶有特定的脱氧核糖核苷酸识别序列，并且还有特定的切割位点，使磷酸二酯键断开，从而产生黏性末端或平末端。

例如限制酶EcoRⅠ和限制酶SmaⅠ的识别序列和酶切位点分别是—G↓AATTC—、—CCC↓GGG—，两者的切割结果分别见图2、图3。

图2 限制酶EcoR识别序列、酶切位点及切割结果

图3 限制酶SmaⅠ识别序列、酶切位点及切割结果

但有些限制酶，如MboⅠ，它的识别序列和酶切位点是—↓GATC—，若用其切割某段DNA，得到哪种末端呢？学生一般容易想当然是平末端，其实不然。通过建构物理模型（如图4），帮助学生理解限制酶MboⅠ切割结果是黏性末端而不是平末端。从而进一步加强对“黏性末端是限制酶在它识别序列的对称轴两边进行酶切的结果，而平末端是限制酶在它识别序列的对称轴处进行酶切的结果”这一概念的理解。

图4 限制酶MboⅠ识别序列、酶切位点及切割结果

接着，学生在解答“2005年天津卷第31题第（1）小题：限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。在质粒上有一个限制酶Ⅰ的切点，在目的基因的两侧各有一个限制酶Ⅱ的切点。在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的末端能否连接？为什么？”时，有些学生还是不理解，为什么不同的限制酶切割得到的DNA片段能够连接呢？利用物理模型建构的方法来解决这个问题，就可以化抽象为具体，结果浅显易懂。（如图5、图6）

图5 双链环状质粒经限制酶Ⅰ切割后的开环位点

图6 限制酶Ⅱ切割后得到的三种片段，中间片段为目的基因

从图5和图6所示的物理模型中，学生很容易发现，目的基因的两端刚好可以和质粒的开环位点发生碱基互补配对，形成重组质粒。由此可见，用不同的限制酶切割产生的片段可能可以连接，也可能不可以连接，关键要注意观察黏性末端是否相同，相同即可连接，否则不可连接。

三、建构数学模型，理解PCR技术扩增目的基因

数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式，如公式、坐标等。［4］可以采用建构数学模型的方法学习“利用PCR技术扩增目的基因”这一概念。

PCR技术是模拟细胞内DNA半保留复制的过程，将模板DNA的脱氧核苷酸序列在PCR扩增仪中不断地进行复制，使其数量呈2n形式增加，从而大量扩增出目的基因。（如图7、图8）

图7 PCR技术反应原理示意图

图8 一个DNA分子经过PCR技术3次重复循环的结果示意图

由图8可得出，若一个DNA分子经过n次扩增循环，那么（1）形成的子DNA分子总数=2n个；（2）含有亲代DNA链的子代DNA分子总数=2个；不含亲代DNA链的子代DNA分子总数=（2n-2）个；（3）子代DNA分子中脱氧核苷酸链总数=2n+1条；亲代脱氧核苷酸链总数=2条；新合成的脱氧核苷酸链总数=（2n+1-2）条；（4）若某一DNA分子含有某种脱氧核苷酸a个，经过n次循环需要消耗该脱氧核苷酸总数=a·(2n-1)；第n次循环所需该脱氧核苷酸总数=n次循环需要消耗该脱氧核苷酸总数-（n-1）次循环需要消耗该脱氧核苷酸总数=a·(2n-1)-a·(2n-1-1)=a·2n-1。

要求学生利用形成的子DNA分子总数=2n个、经过n次循环需要消耗该脱氧核苷酸总数=a·(2n-1)、不含亲代DNA链的子代DNA分子总数=（2n-2）个的数学模型解答：下图表示PCR技术操作过程。

如果某一DNA有1000个脱氧核苷酸，都用15N标记，且一条链上A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4，游离的脱氧核苷酸不做标记，控制“94℃～55℃～72℃”温度循环7次，则产生___个DNA，需要提供胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目至少是___个，不含有15N标记的子代DNA有___个。

由此可见，利用建构数学模型的方法，可以快速高效地解决PCR技术中的一些计算问题，从而给进行PCR技术操作时应该添加多少原料带来了方便。

通过模型建构来学习有关基因工程知识，将抽象的知识具体化，不仅可以充分调动学生学习生物学的积极性，而且可以充分提高学生的探究能力、动手能力，从而主动学习生物学，提高学生的生物科学素养。

［1］江宜博.例析模型建构在高中生物教学中的应用［J］.福建基础教育研究，2010（5）.

［2］徐洪林,康长运,刘恩山.概念图的研究及其进展［J］.科学教育,2003（3）.

［3］朱正威，赵占良.生物1《分子与细胞》［M］.北京:人民教育出版社，2007.

［4］朱正威，赵占良.生物3《稳态与环境》［M］.北京:人民教育出版社，2007.

［5］卢长飞，高中生物教学中“生物学模型”的嵌入［J］.中学教学参考，2012（20）.

（责任编辑：陈欣）

本文系2015年福建省中青年教师教育科研项目基础教育研究专项计划立项课题（项目编号：JAS151468）研究成果。