基于科学史和模拟活动的基因工程教学设计

仰露

摘 要 利用基因工程科学发展史材料，以讲故事、模拟活动、设计问题等方式完成基因工程教学内容。让学生在听故事的同时，学习、理解、思考基因工程知识的整体构架和具体细节。

关键词 基因工程 科学史 模拟活动

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 设计思路

本节课的教学设计以基因工程发展历史为线索，贯穿基因工程的基本操作步骤，中间穿插工具酶、质粒载体的作用和特点。本节教学以故事的形式呈现，牢牢抓住学生注意力，随着故事的情节发展，逐步突破教学重难点——基因工程的原理及基因工程的基本操作步骤。教师在叙述故事过程中，设计了一系列问题串引导学生思考、分析、讨论，让学生体验科学发展的同时，学会面对实验中的困难，并运用所学知识攻克困难，提高学生分析问题、解决问题的能力。故事尾声时，教师要求学生总结出基因操作步骤。对于另一些重难点知识——限制性核酸内切酶的作用特点、DNA连接酶的作用和质粒在基因工程中的作用，通过设置模拟活动让学生直观地感受微观分子世界，找到思维附着点。

2 教材分析

浙科版高中生物教材《选修3·现代生物技术专题》第一章“基因工程”第一节“工具酶的发现和基因工程的诞生”和第二节“基因工程的原理和技术”的内容包括：（1） 基因工程的含义和基因工程的主要内容；（2） 限制性核酸内切酶的含义及作用特点；（3） DNA连接酶的作用；（4） 质粒的含义、特性及在基因工程中的作用；（5） 限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒对基因工程诞生的作用；（6） 基因工程的原理；（7） 基因工程基本操作的几个步骤。其中，限制性核酸内切酶的作用及作用特点、DNA连接酶的作用、质粒在基因工程中的作用、基因工程的原理及基因工程的基本操作步骤是教学重点，后四个同时也是教学难点。这两节内容的学习是在学生学习了必修2中DNA是生物遗传物质、DNA的结构和遗传信息的传递方式、基因是遗传物质的结构单位和功能单位等知识的基础上进行，是对必修2中知识的深化和运用。同时基因工程能与后续克隆技术、胚胎工程结合运用，体现了知识之间的内在联系。

3 教学目标

知识目标：（1） 说出基因工程的含义和基因工程的主要内容；（2） 说出限制性核酸内切酶的含义及作用特点；（3） 说出DNA连接酶的作用；（4） 简述质粒的含义、特性及在基因工程中的作用；（5） 解释限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒对基因工程诞生的作用；（6） 简述基因工程的原理；（7） 概述基因工程基本操作的几个步骤。

能力目标；（1） 通过对科学史进程的学习，总结出基因工程步骤；（2） 通过模拟活动和评议，将微观分子操作可视化。

情感、态度与价值观目标：从科学史的学习中体会到：科学能转化成技术，技术将服务于社会。

4 教学过程

4.1 情景导入

（1） 教师展示滥用抗生素和超级细菌漫画引入抗生素和细菌抗药性：抗生素是一类能够杀死细菌的药物，常见的有四环素、卡那霉素、氨苄青霉素等。自从20世纪40年代开始，抗生素被发现和广泛使用，人们一度以为，抗生素将结束一切由细菌引起的感染，而事实并非如此！因为细菌很快产生了抗药性。

（2） 教师引入抗生素抗性基因：科研人员发现，细菌抗药性的产生与细菌获得了抗生素抗性基因有关。抗生素抗性基因能表达出某种蛋白质，干扰相应的抗生素发挥作用。

（3） 教师提出问题：抗生素抗性基因在细菌的哪里呢？学生猜测，教师给出答案：实验表明，绝大多数抗生素抗性基因并不在拟核，这提示着细菌中除了拟核之外，还存在其他DNA，是什么呢？教师给出细菌的结构示意图（包含拟核和质粒），并说明：有科学家发现了它，并命名为“质粒（DNA）。

设计意图：以细菌抗药性作为情景导入，引起学生的兴趣，引出抗生素抗性基因，进一步通过提问抗生素抗性基因在哪，引出质粒（DNA）。

4.2 介绍质粒

教师展示细菌结构示意图（包含拟核和质粒）、电镜下的质粒图和双螺旋结构的质粒图，引导学生通过观察图片，说出质粒DNA与之前学过的DNA有何共同点和区别。学生回答后，教师点评总结：质粒是环状的、小的、独立于拟核之外的，质粒也是双链的、具有双螺旋结构。最后给出质粒的定义：质粒是能够自主复制的双链环状DNA分子，在细菌中独立于拟核之外的方式存在，是一种特殊的遗传物质。教师给出质粒随细菌的繁殖而复制的图片，并解释何为自主复制。

设计意图：通过展示质粒图片，给学生以直观的认识；学生通过观察质粒，自己总结质粒的部分特征。最后教师对质粒做出总结。

4.3 利用科学史料，教师预设问题引导学生进行学习

（1） 介紹抗生素抗性基因的位置和作用。

教师展示不含四环素抗性基因质粒和含四环素抗性基因质粒的示意图，进一步展示分别含这两种质粒的细菌示意图，并提出问题：在培养这两种细菌时，向培养基中加入四环素，两种细菌的命运如何？学生回答，教师点评：质粒上没有四环素抗性基因的细菌死亡，另一种细菌存活。教师引出研究质粒上抗生素抗性基因的科学家——斯坦利·科恩。

设计意图：通过展示图片，让学生形成直观认识——抗生素抗性基因在质粒上。通过提问，说明抗生素抗性基因的作用，为后面的“筛选含重组DNA的受体细胞”做铺垫。

（2） 介绍质粒导入大肠杆菌的方法和抗生素筛选的方法。

教师展示斯坦利·科恩猜想：将具有四环素抗性的大肠杆菌中的质粒提取出来，导入普通的大肠杆菌，后者或许就具有了四环素抗性。教师提出问题：① 要将质粒提取出来，需破坏大肠杆菌细胞的什么结构？② 导入过程中，质粒要穿过大肠杆菌细胞的什么结构？③ 能不能保证每一个大肠杆菌都会被成功导入质粒？学生回答，教师总结：破坏大肠杆菌的细胞壁和细胞膜，即对大肠杆菌进行破碎处理；穿过细胞壁和细胞膜，这并不容易，特别是穿过大肠杆菌细胞壁，非常困难，并进一步追问：怎样将成功导入的大肠杆菌筛选出来呢？学生回答，教师点评。最后教师指出：在实际实验中，质粒导入的过程失败了，而失败的原因也不难分析，因为大肠杆菌有细胞膜和细胞壁（特别是细胞壁），阻止外来DNA的进入。endprint

教师提出：这时，有两位研究噬菌体的科学家在实验过程中发现，如果用氯化钙处理大肠杆菌，噬菌体的DNA很容易就进入了大肠杆菌。原来氯化钙能够增加大肠杆菌细胞壁的通透性，从而使外部的DNA容易进入细胞。斯坦利·科恩也借鉴了他们的方法，用氯化钙处理了大肠杆菌，结果有少数的大肠杆菌成功地导入了质粒，并用四环素将这些大肠杆菌筛选出来了，说明成功导入质粒的大肠杆菌获得了四环素抗性。

设计意图：通过介绍科学家的猜想和科学发展史，阐明质粒导入大肠杆菌的方法，针对科学家的猜想提出问题，引出抗生素筛选方法。让学生感受科学家实验中遇到问题、解决问题的过程。

（3） 介绍限制性核酸内切酶和DNA連接酶。

教师展示资料：斯坦利·科恩参加了一场生物学会议，会议上一个叫赫伯特·博耶的科学家作了报告，报告中称自己分离纯化出一种限制性核酸内切酶，命名为EcoRⅠ。所谓限制性核酸内切酶，是指能够识别、结合和切割特定核苷酸序列的酶，例如EcoRⅠ识别、结合和切割的位点是 。教师展示切割动画，动画末显示切割之后产生的两个DNA片段，引出并介绍粘性末端。听完赫伯特·博耶的报告，斯坦利·科恩联想到自己曾看过的两篇文章，文章作者发现了另一种酶，名为DNA连接酶，教师展示DNA连接酶作用图片，介绍DNA连接酶。教师总结：这两种酶的作用正好相反，前者像是剪刀，将DNA“剪断”，后者像针线，将两段DNA“缝补”起来。教师提出问题：限制性核酸内切酶和DNA连接酶作用的化学键分别是什么？学生回答。斯坦利·科恩和赫伯特·博耶在会后进行了交流，达成合作意向，逐渐形成了新的实验思路。

设计意图：沿着科学史的线路，引出限制性核酸内切酶和DNA连接酶，过渡自然，吸引学生注意力。教师结合图片和动画，让学生对两种酶的作用形成初步认识。

（4） 初步了解基因工程的基本操作步骤。

斯坦利·科恩和赫伯特·博耶有了什么新的实验思路了？他们猜想如果把“某个基因”连接到质粒上后导入大肠杆菌，大肠杆菌是不是就能表达这个“某个基因”呢？

教师设置问题串：

① “某个基因”存在于某DNA分子上，如何从DNA分子上把这个基因截下来？学生回答，教师总结：需用限制性核酸内切酶将“某个基因”从DNA分子上剪下来。教师追问：剪下的“某个基因”两侧形成什么末端？学生回答：黏性末端。

② 质粒是环状闭合的，要想在质粒上插上一个基因，首先要对质粒做什么？学生回答，教师总结：需用限制性核酸内切酶将质粒剪开。教师追问：剪开的质粒，切口处形成什么末端？学生回答：黏性末端。

③ 质粒与某个基因都具有黏性末端，若将两者混合，它们的黏性末端能形成什么键？学生回答，教师总结：氢键。

④ 形成的氢键并不牢固，如何将两者牢固地连接起来？学生回答，教师总结：利用DNA连接酶连接磷酸二酯键。

⑤ 连接后，得到的新的重组的质粒，如何导入大肠杆菌？学生回答，教师总结：用氯化钙处理大肠杆菌。

⑥ 导入的成功率不是100%，如何筛选出成功导入的大肠杆菌？学生回答，教师总结：用四环素筛选。教师追问：因此，这里使用的质粒一般要含有什么基因？学生回答，教师总结：这里使用的质粒都要含有供筛选的基因，一般是抗生素抗性基因。

教师展示斯坦利·科恩和赫伯特·博耶的猜想：由于质粒能随大肠杆菌的繁殖而复制，那么某个基因是否也会随质粒的复制而复制呢？由于基因是控制生物性状的，如果这里的某个基因是“氨苄青霉素抗性基因”，那么大肠杆菌是不是不仅仅具备了四环素抗性，同时还具备了氨苄青霉素抗性？如果某个基因是某个真核生物基因，那么大肠杆菌是不是就能表达真核生物基因呢？比如人的胰岛素基因。

为了让学生直观地感受质粒与目的基因是如何被“剪”，又是如何被“缝”的，教师以红色纸条代表含某个基因的DNA分子，白色纸条代表质粒，设置模拟活动：（1） 让学生用胶带将白色纸条两端相连，形成环状质粒（2） 再利用剪刀和胶带模拟限制性核酸内切酶EcoRⅠ和DNA连接酶的作用，模拟重组质粒形成过程。学生制作，教师组织学生评议，并总结。

设计意图：讲述科学家的想法，利用问题串，让学生运用前面所学知识，“帮助”科学家实现他们的想法，对基因工程的操作步骤形成初步认识。与前文的科学史衔接非常自然，水到渠成，既能引起学生的兴趣，又能让学生将知识“连点成线”。同时教师设置活动帮助学生理解微观的分子操作，让学生思维找到支撑点，通过收集典型错误、组织评议和教师总结，让学生更深刻掌握两种酶的作用。

（5） 进一步介绍基因工程操作步骤。

教师展示资料斯坦利·科恩和赫伯特·博耶当时选择蛙中某个基因为目的基因，进行基因工程实验。教师播放动画。动画中包含基因工程的操作步骤，涉及导入效率问题和质粒的自我环化问题。第一次播放之后，教师提出问题：（1） 质粒除了连接目的基因外，还有哪些连接方式？（2） 是否所有大肠杆菌都导入了质粒？（3） 如何筛选出成功导入的大肠杆菌？再进行第二次播放，请学生回答问题，教师点评。

教师让学生整理基因工程的操作步骤，组织学生评议，教师追问相关步骤的细节，最后补充完善。

教师结语：后来，博耶辞去在大学里的工作，创立了世界上公认的第一个生物公司——Genentech公司，该公司第一个瞄准的目的基因就是人的胰岛素基因，成功地让大肠杆菌生产出人的胰岛素！目前，Genentech是世界上第二大生物技术公司，由该公司开发的胰岛素已经全面取代了传统的牛（猪）胰腺中提取的胰岛素。

设计意图：沿着科学史的线索继续前行，衔接自然，抓住学生的兴趣。通过教师播放动画——提出问题——再次播放动画，让学生对基因工程的操作步骤有了直观的认识，对其中涉及的导入效率问题、质粒自我环化问题有深刻的理解。教师再让学生自己总结基因工程的操作步骤，教师组织评议，促进学生对知识的内化。最后，以科学史结束，让学生感受到：科学转化成技术，技术服务于社会。endprint

5 教學反思

本节内容学习过程中，学生表现出很大的兴趣，这主要是因为至始至终都以故事的形式贯穿。通过提问，让学生“参与”设计科学家的实验，“参与”解决科学家遇到的问题。学生对提出的问题积极思考，能够很好地解决问题，更好地掌握所学知识。并且问题指向明确，问题提出之前做好了铺垫。

模拟活动促进学生将内在知识表象化，通过对典型错误的评议，纠正思维中错误。动画展示使得学生将内在知识直观化，针对动画中相关内容提问，让学生对某些细节有更深刻的理解。最终让学生自己总结操作步骤，有促进学生将表象、直观认识内在化，教师组织评议，帮助学生完善、修正自己的知识体系。

科学史贯穿整节课，不仅突出重点、突破难点，同时也让学生体验到：科学能转化为技术，技术又将服务于社会。我们需学习科学知识，将来为社会做出贡献，实现自我价值。

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