《DNA重组技术的基本工具》教学实录与评析

易志锋++魏述涛

《DNA重组技术的基本工具》是人教版高中生物选修三专题一中的第一节内容。课前，执教老师给各小组（4人一组）随机发放了一个大信封，大信封里有一条粉红色小纸带（其中一组无）、一把蓝色剪刀、一把粉红色剪刀（其中一组无）、小信封一个。小信封里有一条白色小纸带、一卷电工胶布。大信封和小信封的封面上分別附有相应的文字说明。

一、创设情境，铺设课题

（一）情境1：寻找话题

师：今天同学们都穿了班服，班服很漂亮，你觉得穿着舒适吗？

生：舒适。

师：班服是用什么材质做的呢？

生：100%纯棉做的。

师：其实，很多衣物都是用纯棉做成的，穿着十分舒适。今天，我们的话题就从棉花开始，先看《经济日报》的消息。2014年我国的棉花产量居世界第一位，但虫害较为严重。这就是农业生产中常见的害虫。（课件出示害虫的图片）

【评析】执教老师引导学生联系生活中常见的现象切入教学，符合新课程倡导的“注重与现实生活的联系”这一教学理念，有利于引入课题，启发学生开展研究性学习。

（二）情境2：拓展延伸情境1，引出课题

师：今天，老师给大家推荐一款农药界的良心产品，它就是由湖北省农科谷生态科技有限公司生产的天诛牌苏云金杆菌。为什么说这款产品好呢？因为它含有一种非常独特的抗虫基因，叫做Bt毒蛋白基因。这种抗虫基因能够控制合成Bt毒蛋白，对破坏玉米螟、二化螟、小叶蛾、菜青虫等害虫的消化系统，以及危害棉花生长的棉铃虫有“免疫”作用。请大家放心，老师在课堂上不推广告也不卖农药，我只想请问大家，这么好的一款产品，能否为我们在培育棉花新品种上提供借鉴呢？

生：可以培养能够合成Bt毒蛋白的棉花新品种。

师：如何能让棉花合成Bt毒蛋白？

生：将Bt毒蛋白基因进行“剪切”后“拼接”到普通棉花的基因上。

师：你的想法非常棒，这节课我们就来学习DNA重组技术的基本工具。（板书课题）

【评析】执教老师以推销员的身份，用广告的形式引发学生的学习兴趣，提出生产实践中存在的问题，引导学生思考培育棉花新品种的办法，同时围绕转基因操作的“切割”“拼接”两个步骤，引出“DNA重组技术的基本工具”这一学习内容，完成了导入教学，这样做能够帮助学生树立现代科技意识。

二、拓展情境，合作探索

（一）探究活动1：“切割”含抗虫基因的DNA片段

1.课件展示含有抗虫基因（红色区段）的DNA片段（纸条）

师：假如纸条上的红色部分代表抗虫基因，那么我们要如何把抗虫基因剪下来呢？

生：用剪刀从两端沿红色部分剪开。

师：假如纸带上的抗虫基因用碱基对形式来表示，要如何剪？请大家打开手中的大信封，依据大信封上的文字说明开展探究活动。

大信封文字说明——

探究活动1：“切割”抗虫基因

1.取出大信封里的粉色小纸带和剪刀。粉色小纸带代表含抗虫基因的部分DNA序列，粉红色剪刀代表EcoR Ⅰ，蓝色剪刀代表SmaⅠ。

2.学生小组合作学习教材内容，制定目的基因“切割”方案，对目的基因进行“切割”。

思考问题：

1.EcoRⅠ和SmaⅠ是否都能“切割”出抗虫基因？请说明理由。

2.如果可以切割，应在哪里进行切割？会切出怎样的末端？

附加说明：含抗虫基因的DNA（粉红色小纸带）两端序列如下——

…ATGAATTCA……CTGAATTCG…

…TACTTAAGT……GACTTAAGC…

生：老师，我们的大信封里没有粉红色小纸带。

师：恭喜这个幸运的小组，你们获得了唯一一个没有粉红色小纸带的大纸带，请用大纸带完成小组探究活动，然后给大家展示你们的探究成果。

师巡视并参与个别小组的讨论与交流。

生：老师，我们小组没有粉红色剪刀。

师：有其他颜色的剪刀吗？

生：有蓝色剪刀。

师：很好，用蓝色剪刀可以完成任务吗？

生：不能。

师：为什么？

生：因为蓝色剪刀代表SmaⅠ，书上说SmaⅠ只能切割CCCGGG的脱氧核苷酸序列，但我们拿到的纸带上的抗虫基因两端的核苷酸序列是GAATTC，只能用EcoRⅠ来切割，而粉红色剪刀才代表EcoRⅠ。

师：你说得对！特定的限制酶只能切割特定的核苷酸序列，这体现了限制酶哪一方面的特性？

生：酶的专一性。

师：哪个小组可以把粉红色剪刀借给他们？

其中一组学生举手表示可以。

师：你们小组有什么问题？

生：限制酶可以识别特定的核苷酸序列并且切割特定的核苷酸之间的磷酸二酯键，但它不能切割氢键，我们缺乏切割氢键的工具。

师：哪个小组有切割氢键的工具？

其余小组表示没有。

师：这个问题要怎么解决呢？

生：我查过资料，资料上提到氢键的作用很小，不需要特定的工具切割就会断裂。

师：这位同学不但善于发现问题，还能够尝试解决问题，非常值得我们学习。课后，同学们也可以尝试设计更为合理的模型，现在请幸运小组代表展示探究活动的成果。（借助动画直观展示限制酶的作用和特点，明确黏性末端、平末端以及磷酸二酯键和氢键的位置、断裂原因等重难点知识，完成概念的生成）

2.现学现用，归纳提升

学生完成练习题：每种限制酶只能识别双链DNA分子的某种 ；并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的 断开，产生的末端类型有 和______。

【评析】该探究活动环节是本课教学的亮点，也是实现课程设计意图的主要体现。首先，执教老师让学生自主探究切割目的基因，引导学生理解限制酶的专一性特性。其次，执教老师设计了一个小组没有剪刀，让学生自主发现问题，揭示工具的重要性，符合新课程倡导的“探究性学习”理念。从学生发现问题到自主解决问题，执教老师因势利导，促进学生思考并改进设计方案，使学生形成了严谨的治学态度。最后，从学生探究活动到利用动画展示知识结构，归纳总结，加深了学生对重难点知识的理解，体现了概念教学模型化的特色。

（二）探究活动2：拼接两个DNA分子

师：现在每个小组都获得了“抗虫基因”。那么，抗虫基因如何与棉花自身的DNA进行“拼接”呢？请同学们打开小信封，按照小信封上的文字说明，完成两个DNA分子的“拼接”。

小信封文字说明——

探究活动2：拼接两个DNA分子

1.取出小信封里的白色小纸带和电工胶布。白色小纸带代表要与目的基因拼接的DNA部分序列，电工胶布代表DNA连接酶。

2.以小组为单位，运用正确的工具“切割”白色小纸带上的DNA分子，并与抗虫基因进行“拼接”。

思考问题：

什么样的DNA末端可以被“拼接”？为什么？怎样得到这样的末端？

附加说明：待拼接的DNA片段（白色小纸带）如下——

…CCACTCGAATTCAACTC…

…GGTGAGCTTAAGTTGAG…

学生小组合作学习并思考问题，思考“拼接”的思路，动手操作完成探究活动。幸运小组用一张白色小纸带模拟操作。

师：什么样的DNA末端可以被“拼接”，为什么？

生：相同的黏性末端才可以被“拼接”，因为需要碱基互补配对。

师：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获得相同的黏性末端。

师：回答正确！这说明大家掌握了限制酶的作用特点和“黏性末端”这一重要概念。哪个小组来展示你们的探究成果？

其中一个小组的学生代表展示学习成果，教师发现该小组展示作品均只是展示了作品的正面，从正面看，“拼接”结果基本正确。

师：接下来请幸运小组展示他们的探究成果。

幸运小组展示探究成果。

师：同学们对比展示作品和自己的作品，思考“拼接”方式一样吗？

生：基本相同。

师：请幸运小组把作品的背面展示给大家看。

小组代表展示作品的背面。

生：背面的胶布贴错了。

师：错在哪儿？

生：胶布模拟DNA连接酶，作用是形成磷酸二酯键，它们除了连接磷酸二酯键，还连接了氢键。

师：氢键要如何处理？

生：氢键之间的作用十分微弱，不需要专门的酶就会断裂，我认为形成的时候也不需要专门的酶。

师：这位同学的推理对吗？实际上，正是基于这样的原因，教材中才没有明确说明氢键断裂和形成需要相关的酶。

师：刚才给大家提供了黏性末端的“拼接”模型，接下来我们通过动画展示平末端是如何连接的。（动画展示E-colI DNA连接酶和T4 DNA连接酶的连接过程，引导学生进行比较和归纳。）

【评析】小信封里的思考题起到了承上启下的作用，既总结了限制酶作用的结果，又引出了“拼接”的前提。执教老师通过“问题驱动”促使知识的生成，而学生在运用知识解决问题的过程中也学会了归纳的方法。此外，执教老师通过学生活动和生生评价达成教学目标，引导学生经历了发现问题、思考问题、论证问题的过程，从而达成了共识，体现了合作探究学习的优势。

三、精解案例，系统归纳

例题：判断以下两组DNA能否拼接成重组DNA分子，并说明理由。

第一组：

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：第一组DNA可以拼接成重组DNA分子，因为目的基因两端和待拼接DNA均含有碱基对序列

…CCCGGG…

…GGGCCC…

用限制酶SmaⅠ切割目的基因两端和待拼接DNA可以形成相同的平末端，用T4DNA连接酶拼接平末端可以形成重组DNA分子。

生：第二组不可以，因为目的基因两端要用两种限制酶切割，形成一个黏性末端和一个平末端，待拼接DNA只能被EcoRⅠ切割，形成一种黏性末端，平末端和黏性末端不能拼接。

师：能否总结一下，什么样的DNA可以进行“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进行“拼接”。

师：一般情况下，如何能够得到具有相同黏性末端的两个DNA分子？

生：通常需要对两个DNA分子用同种限制酶进行切割。

师：不同的限制酶也能够切割出相同的黏性末端吗？

生沉默表示不知道。

师：这样吧，我们先留个悬念，一会儿通过解题来加深理解。

【评析】执教老师通过分析例题，将限制酶与DNA连接酶的作用特点及作用进行有效串联，解决了从理论知识到实际应用的问题；让各小组表达自己的观点，则体现了教学要“面向全体学生”的课程理念。

四、当堂巩固，拓展提升

完成下列练习题

1.下列关于限制酶和DNA连接酶的说法中，错误的是（ ）

A.二者的化学本质都是蛋白质。

B.二者作用部位都是磷酸二酯键和氢键。

C. T4DNA连接酶可以连接平末端和黏性末端。

D.限制酶作用的结果是产生平末端或黏性末端。

2.（2012.课标·改编）某DNA分子用EcoRⅠ切割后产生的DNA片段如下：

AATTC……G

G……CTTAA

为使该DNA能够与目的基因相连，含有目的基因的DNA除了用EcoRⅠ切割，还可以用另一种限制性核酸内切酶进行切割，该酶必须具有的特点是 。

3.原核生物很容易受到外源DNA入侵，但在长期的进化过程中，原核生物却没有因为外源DNA的入侵而灭绝。根据我们所掌握的知识，你能够推测这其中的原因吗？

学生针对习题1中的每一个选项做出解析。

对于习题2，教师引导学生回忆课堂上总结的能够拼接的两个DNA需要具备的条件，由此引导学生推导得出，使不同限制酶切割的DNA相连，必备条件是不同的限制酶切割产生的DNA片段末端相同。

习题3作为对限制酶作用的拓展，在学生思考讨论的基础上，教师进行提示，比如：外源DNA入侵→抵抗DNA入侵→破坏外源DNA→限制酶的作用→限制酶的特点→自身DNA如何避免被“切割”。

【评析】当堂训练是测评学生是否掌握所学知识的有效手段。执教老师设计的题目层次分明，难度层层递进，满足了学生多元化的学习需求。习题2是对高考题的改编，既聚焦了高考热点题型“文字表述题”，又体现了高考理综选做题的考查形式。习题3则让学生从进化论角度理解限制酶在原核生物中的作用，丰富了学生对限制酶的理解，是对学习内容的补充，体现了知识的完整性。

五、归纳总结，承上启下

师：今天，同学们受苏云金杆菌的启发，尝试利用限制性核酸内切酶和DNA连接酶，通过建模完成了将抗虫基因和棉花DNA进行“切割”和“拼接”的模拟操作。我们希望将重组DNA分子直接导入棉花细胞，完成定向改造棉花的设想，从而解决棉花生长过程中面临的虫害问题。探索科学发展的道路是曲折的，重组DNA分子能否在棉株体内细胞中稳定存在呢？是否还需要别的工具？下节课我们继续探讨。

【总评】

这节课主线清晰，学习方式多样，主要通过探究性学习突破学习难点，以“问题驱动”引导学生自主建构知识，具体體现在以下几个方面。

第一，抓住中心点。执教老师牢牢抓住限制酶和连接酶这两个工具酶进行探究性学习，利用建模的形式引导学生合作学习，自主建构知识体系，实现了知识教学的目标。

第二，突破重难点。执教老师利用“模型建构法”，让学生分组合作探究，由使用限制酶EcoRI入手，再通过与限制酶SmaI进行比较，得出限制酶和DNA连接酶的特点，突破了学习难点。

第三，找准切入点。课前，执教老师精心制作教具，设计活动环节，通过引导学生对已知含有抗虫基因的DNA片段如何切割、用什么切割、在哪里切割、切割后会出现什么情况等进行探究，以“切割”作为知识学习的切入点，准确而恰当。

第四，理清知识点。教学中，学生探究活动的难点是如何正确处理动手操作与知识梳理的关系。执教老师采用“模型构建”的策略，完成了知识梳理这一学习目标，通过动画演示、及时归纳等方法，促使学生深入理解知识，达到了知识内化的目的。

此外，通过讨论问题和课后练习，学生知道了如何运用知识分析问题、解决问题，提高了知识的迁移运用能力。

[本课例在中南六省（区）生物教学研讨会上荣获课例评比一等奖]

（责编 欧孔群）