“蛋白质工程的崛起”教学设计

苏近娣

1 教材分析和设计思路

“蛋白质工程的崛起”是人教版选修三《现代生物科技专题》第一专题“基因工程”第四节的内容。本专题的前三节内容围绕基因工程，分别介绍了基因工程所需的基本工具、基本操作程序和应用。本节内容中蛋白质工程是基因工程的延伸，属于第二代基因工程。其崛起是因为原有的基因工程不能完全满足人们生产或生活的需求，人们呼唤新技术的产生去解决一系列遇到的难题。同时，科技的发展离不开理论的创新和技术的突破。因此，本节课中教学情景的设计主线按“问题—探究—新问题—新探究”的线索进行，同时在探究解决新问题的过程中建构蛋白质工程的概念。

根据《普通高中生物课程标准（实验）》对选修三《现代生物科技专题》这一模块的教学要求，本节课在设计情感目标时，通过介绍现代生物科学和技术中一些重要领域的研究热点、发展趋势和应用前景，以开拓学生视野，增强科技意识，激发学生探索生命奥秘和热爱生物科学的情感，同时培养学生的社会责任感和发展学生的探究能力，让学生体会到科学技术的发展离不开基础理论的研究和技术的支持。

2 教学目标

2.1 知识目标

① 举例说明蛋白质工程崛起的缘由；

② 描述蛋白质工程的定义以及原理、意义。

2.2 能力目标

① 通过联系生活中熟悉的事物来类比蛋白质工程的设计原理，提高思维的迁移能力；

② 通过对干扰素在生活中的应用所遇到的问题的探究，学会运用生物学原理和逆向思维解决问题。

2.3 情感、态度与价值观目标

① 关注生物科学技术的发展，积极主动探究生命奥秘；

② 养成关注生物技术安全性的习惯；

③认同科学技术的发展离不开技术和理论的支持。

3 教学过程

3.1 用工厂产品生产的案例搭建支架，让学生顺利跨上思维的台阶

教师通过展示橡皮泥中熟悉的模具和工厂中的模具，引入生命的模具，进行类比导入新课。教师首先展示学生所熟悉的橡皮泥和其中的模具等图片，既唤起了学生对儿童时代的回忆，激发其兴趣，又让学生明白模具和相应产品的对应关系。再展示工厂生产产品的一些模具，简单介绍生活中很多橡胶、塑料的，甚至是金属的产品都是利用模具通过一定的方式生产出来的。继而提出问题：如果某工厂利用原有模具生产一批标准螺丝。现由于客户的需求，需要对标准螺丝增加半圈螺纹。你会有什么建议？学生提出了三种方案：直接对生产的标准螺丝（产品）进行改造、重新制一新的模具、对原模具作一改动后再生产。最后学生对所提出的方案进行讨论，发现生产中除了保证产品的质量外，还要考虑生产成本。一致认为对原模具作一微小改动，再利用改动的模具继续进行生产是最佳方案。

教师提出：在生物体内，也存在着生命的模具和产品。并展示图片：生命的模具—“DNA分子”和产品—“蛋白质”分子。教师运用学生所熟悉的事物，类比蛋白质工程的设计原理，为后面学生对蛋白质进行改造的思考作铺垫。

3.2 以干扰素的改造和生产历程的实例，让学生体会蛋白质工程崛起的缘由

师：干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒的感染。在细胞内的干扰素基因是如何指导干扰素的合成的？

教师引导学生回顾基因和蛋白质之间的联系，为蛋白质工程的实施提供理论基础。

师：干扰素因为是抗病毒的特效药，可用于医学治疗。传统的方法是从人血液的白细胞中提取的。每300 L血液中提取1 mg。用传统的方法获取人的干扰素有何缺陷？（产量低，纯度低）如何能大量生产纯度较高的人的干扰素？（学生提出了两种方案：① 直接合成干扰素；② 通过基因工程来大量生产人的干扰素。）

经过讨论，学生认识到由于目前的技术还不能直接合成干扰素，而基因工程技术相对成熟，因此方案二较合适。

这时，教师呈现资料：1980～1982年，科学家用基因工程的方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素。大量生产后的干扰素在体外很难保存。如何使干扰素在体外容易保存？

（提示：经研究发现将干扰素中第17位的半胱氨酸变成丝氨酸，则可在-70℃的条件下保存半年。）

学生提出方案：

① 直接改造干扰素的第17位半胱胺酸；

② 直接合成易于保存的半胱氨酸；

③ 改造干扰素基因。

这三种方案与前面工厂中对产品的改造方案具有类似的原理。因此学生在对提出的方案的可行性及优缺点综合讨论时，一致认为对干扰素基因进行改造比较好。这种方案的优点是易改造，可遗传。同时经过小组讨论，提出：要使干扰素易于保存，根据蛋白质结构决定功能，最好进行以下操作改造蛋白质的结构→去改变蛋白质中氨基的序列→推测mRNA中的碱基序列→推知基因中的碱基序列→人工定向地去改造干扰素基因。

那么能否对干扰素基因进行定向改造呢？教师提供资料、目前基因定点诱变技术的操作方法很多，改造基因是可行的，而改造后的干扰素基因在细胞内可以生产出具有新功能的干扰素了。

教师引导学生小结得到具有新功能蛋白质的流程（图1）。

教师适时提出：所阐述的这一流程就是蛋白质工程的流程。通过蛋白质工程，可以生产出自然界中所不具有的符合人们生产生活要求的蛋白质。

教师追问：在生产中，要大量获得易于保存的干扰素。如何实现？

学生领悟：对干扰素基因进行改造后，改造了基因仍可通过基因工程来生产，从而大量生产所需要的蛋白质。因此，蛋白质工程是第二代基因工程，是基因工程的延伸。和传统的基因工程相比，它导入的是改造了的基因，得到的是改造了的具有新功能的蛋白质。

教师以具体的实例出发，通过设置问题，层层推进，最后解决问题。

3.3 结合干扰素实施改造的历程，让学生自主构建蛋白质工程的概念

教师要求学生讨论：① 根据干扰素的实施改造的历程，你认为蛋白质工程崛起的原因是什么？你能列举哪些蛋白质在生产生活中的应用？

本问题是要引导学生思考蛋白质工程的目的，从而让学生体会到科学技术的发展是为解决生产和生活中的问题，为生产和生活所服务的。同时结合学生列举的酶在生产生活中的应用，适时介绍“酶工程”。并指出，酶工程的重点是对已存在酶的合理充分利用，其缺点是酶发挥作用易受环境因素的影响。蛋白质工程能实现对已存在的蛋白质进行改造，随着蛋白质工程的发展，将会使酶工程成为蛋白质工程的一部分。

② 你认为要实施蛋白质工程，实现对蛋白质的改造。最基础的理论条件是什么？

本问题的目的是让学生体会到技术的发展离不开理论的研究和技术的支持。蛋白质的新功能必须通过改变其结构来实现。蛋白质功能和结构关系的研究是其基础。教师适时介绍人类对蛋白质分子化学结构的研究进展、结晶牛胰岛素、核磁共振波确定溶液中蛋白质等生物大分子三维结构的方法、人类蛋白质组计划等。

③ 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？

本问题的目的是通过学生的讨论，进一步深化其热爱和关注生物技术的情感，同时培养学生的创新能力。

④ 从基因工程和蛋白质工程的基本思路和最终得到的蛋白质来看，你认为两者有何不同点？通过本节课的学习，你认为什么是蛋白质工程？请你尝试给蛋白质工程下一个定义。

学生从蛋白质工程的理论基础、目的和实施流程等方面对蛋白质工程理解进行了阐述，同学之间互相补充，共同构建蛋白质工程的概念。最后，师生共同打开课本，发现课本上的定义和学生的定义是一致的。

3.4 设计评价性问题，让学生科学看待蛋白质工程

各抒己见：蛋白质工程可以获得自然界中不存在的蛋白质。蛋白质的人工创造会不会是生命的禁忌呢？或许，它的成功意味着全新世界的到来？你是如何看待蛋白质工程这一新技术的？

学生踊跃发言，培养了学生的社会责任感，对生物技术的理性思考和正确对待。

4 教学反思

4.1 搭建支架很重要

本节课教学设计巧妙，运用学生熟悉的事物，类比蛋白质工程的设计原理。通过将模具生产产品，来类比生命的模具DNA（基因）指导蛋白质合成。为学生搭建支架，使学生顺利迁移类比，解决新情境中的问题，降低了概念建构的难度，同时激发学生的学习兴趣。

4.2 问题设计仍关键

问题是探究的起点，没有驱动性的问题，学生就没有探究的欲望和冲动。本文围线“干扰素的改造”这一真实而有现实意义的实例，设计一系列问题，层层推进，不断深入，让学生在整堂课中不断积极思考，大胆猜想，相互启发，触发灵感。把概念建构的过程分解成一个个有探究价值的问题解决过程，让学生在解决这一系列问题的过程中重组知识，发展思维，提升能力。

4.3 关注技术是亮点

本节课中把对酶工程和人类蛋白质组计划等的适时介绍，放在相关问题的思考后，作为“拓展视野”进行处理，既避免了最后知识讲座式呈现，同时还激发了学生对生物科技发展的高度关注和热爱。最后让学生谈一谈对蛋白质工程的看法，引导学生认识到技术创新的同时，更要慎重考虑技术对生态、食品、健康等领域的安全问题。

4.4 课程资源为瓶颈

由于目前蛋白质工程中成功的例子不多，而且中学老师由于自身理论水平等的限制，对于该工程所涉及的一些理论和新的技术，不能作深入介绍。