基于模型建构的“基因工程”一节的高三复习教学设计

戴 赟 黄建书 刘 键

(1上海市文来中学 2上海市七宝中学 201101)

1 教材分析和设计思路

“基因工程”是上海高中生命科学教材第2册第6章第3节的内容，拟解决的关键问题是“基因工程的步骤有哪些？”对这一问题的认识是理解转基因技术的基础，有助于加深基因工程两大理论基础——“DNA双螺旋结构”和“中心法则”的理解，有助于对生物工程形成系统和完整的认识。整节内容包括基因工程的概念、3种工具、4个步骤，转基因技术的应用和转基因生物产品的安全性等。根据课程标准，“基因工程的基本过程及其应用”和“转基因作物和动物”的学习水平分别为B级和A级。其中，基因工程的基本步骤、3种工具的名称和作用、转基因技术的应用和安全性问题等历来是学业水平测试和高考考查的重点之一。由于基因工程属于分子水平的操作，微观、复杂，仅利用教材中的文字和图，空间想象依旧有较大难度。同时，基因工程技术要求高、仪器复杂，又难以在中学实验演示。

笔者设计并实施了一系列基于模型建构的模拟活动，利用形象思维促进抽象思维能力，很好地化解了基因工程的学习难点。

2 教学目标

2.1 知识与技能目标 明确基因工程的基本步骤，形成正确的质粒选择策略、限制酶选择策略、质粒标记基因的运用策略，理解3种受体细胞的产生。

2.2 过程与方法目标 经历模拟活动，理解基因工程中的一些操作策略；参与探究活动，体验科学发现、形成结论的过程；提高自主学习和合作探究的能力。

2.3 情感态度与价值观目标 感受合作探究的乐趣，培养实事求是的精神。

3 教学过程

3.1 课前活动——基因工程中的“剪”和“粘”的练习

准备小组活动材料：DNA分子3个(图1，纸质，长度为A4纸高)，阴影部分示限制酶识别序列，切割位点以↓示意(G↓AATTC；G↓AATTC；T↓GATCA)；含有目的基因的DNA片段1个(图2，长度为A4纸高，两侧阴影部分的限制酶识别序列和切割位点为G↓AATTC)；质粒1个(图3，A4纸大小，含一个限制酶酶切位点为G↓AATTC)；剪刀；订书机；胶水；透明胶带。

活动步骤指导：①用给定的两种限制酶对DNA1、DNA2、DNA3分子完成切割。想一想用什么模拟限制酶？切割后，3个左边的DNA分子片段与3个右边的DNA分子片段能否拼成新的DNA分子？②找到目的基因两端和质粒中的限制酶的识别序列和酶切位点，用相应的限制酶完成2个DNA分子的切割，观察目的基因能否与质粒构建重组DNA分子？思考用什么工具模拟DNA连接酶，怎么使用DNA连接酶以完成重组DNA分子的建构？然后完成重组DNA分子的建构。

图1 DNA分子3个片段

图2 含有目的基因的DNA片段

图3 质粒

提示：①剪刀模拟限制酶。其中限制酶1的识别序列和切割位点(以↓示意)：G↓AATTC；限制酶2的识别序列和切割位点为T↓GATCA。切割完成后，只有黏性末端相同的DNA片段才能相互连接。②用订书机、胶水、透明胶等模拟DNA连接酶，并完成双链粘连。

设计意图：让学生体验基因工程中限制酶的作用特点，体会DNA连接酶的作用条件；体验获取目的基因、并将目的基因与运载体重组得到重组DNA分子的步骤。

3.2 课堂活动1——体验质粒的选择、限制酶的选择，分析使用DNA连接酶后环状产物的类型 准备小组活动材料：2个相同的含目的基因的DNA片段(图4，用粉色纸)；3个不同质粒(图4，长度为A4纸高，需要两端连接成环，质粒1用白色纸、质粒2用黄色纸、质粒3用蓝色纸)；剪刀，透明胶带。

活动步骤指导：①在3种质粒中选出适于建构重组质粒的2种质粒。思考质粒作为运载体所需要满足的条件有哪些；②给出4种限制酶的识别序列和切割位点(PstⅠ：CTGCA↓G；HindⅢ：A↓AGCTT；HapⅡ：C↓CGG；BamHⅠ：G↓GATCC)，仔细观察含目的基因DNA片段中的序列信息，据此选择限制酶，并记下其名称和切割产物；③完成重组质粒的建构方案；④利用所给工具制作2个重组质粒；⑤将多个目的基因与多个质粒混合于试管中，能形成多少种产物(只考虑自身环化和两两连接两种情况，结果记录于表1中)？比较两种方案，哪种获得重组质粒的概率更高？为什么？

图4 含目的基因的DNA片段、质粒1、质粒2、质粒3示意图

提示：①选出质粒2(黄色)和质粒3(蓝色)用于构建重组质粒，因为质粒1(白色)没有标记基因无法用于筛选(质粒作为运载体通常要满足具有复制原点、酶切位点、标记基因3点)；②选择限制酶时，要注意不能破坏目的基因，所以不能使用限制酶PstⅠ；③重组质粒的构建方案是: 黄色质粒2和目的基因都用HindⅢ切割(单酶切)后组成重组质粒1，蓝色质粒3和目的基因用HapⅡ和BamHⅠ双酶切后组成重组质粒2(图5)；④单酶切的环状产物有5种：质粒自身环化、目的基因自身环化、质粒-质粒、目的基因-质粒、目的基因-目的基因；双酶切的环状产物有3种：质粒-质粒、目的基因-质粒、目的基因-目的基因(图6)；⑤与单酶切相比，双酶切可以通过防止自身环化而提高重组质粒的获得率。

设计意图：利用给定材料完成两个重组质粒的建构，体会质粒选择、限制酶选择等策略在重组质粒建构中的意义，并完成产物类型分析。

3.3 课堂活动2——将重组质粒导入受体细胞过程的体验和受体细胞的类型分析 准备小组活动材料：单酶切的5种环状产物或双酶切的3种环状产物，大肠杆菌若干(图7，长度为A4纸高打印，无质粒，作受体细胞)。

活动步骤指导：①根据酶切产物分析导入受体细胞后存在两种情况;②选择能导入受体细胞并存在的环状产物，集中后在1米高处投向受体细胞以模拟“导入”过程，1～2分钟内可多次“投”，发现另外1种类型的导入情况。

图5 重组质粒

图6 试管中环状产物类型分析结果

图7 大肠杆菌

提示：①单酶切的5种环状产物中，“目的基因自身环化”和“目的基因-目的基因”2种环状产物导入受体细胞后会被核酸酶分解，“质粒自身环化”“质粒-质粒”“目的基因-质粒”3种产物导入受体细胞后可以存在；从遗传物质的组成看，导入后的受体细胞可以分为含普通质粒的受体细胞和含重组质粒的受体细胞2类；双酶切的3种产物导入受体细胞后情况类似；②模拟导入过程可发现第3种情况——未导入外源产物的受体细胞。

设计意图：根据前一活动中的产物类型，从遗传组成的角度分析受体细胞有含普通质粒的和含重组质粒的2类，利用重组质粒导入受体细胞的模拟活动，发现试管中的第3种情况(图略)。

3.4 课堂活动3——标记基因在“筛选含目的基因的受体细胞”步骤中作用的分析 活动材料：前面活动所得的3种受体细胞。

活动步骤指导：①用含氨苄青霉素的平板培养基来筛选前面所得的3种受体细胞，筛选结果填入表2；②仔细分析双标记基因的基因工程操作流程(图略)，利用上述A、B两种平板进行筛选的结果填入表3。

表2 单标记基因质粒的基因工程筛选结果

(“+”表示受体细胞能存活，“-”表示受体细胞不能存活)

提示：①单标记基因质粒的基因工程的筛选中，未导入的受体细胞不能存活，含普通质粒的受体细胞和含重组质粒的受体细胞都能在含氨苄青霉素的平板上生长，故无法用该方法直接筛选出含目的基因的受体细胞；②双标记基因质粒的基因工程的筛选中，未导入的受体细胞在两种培养基上都不能存活，含普通质粒的受体细胞则在两种培养基上都能存活。只有含重组质粒的受体细胞才能出现在一种抗生素平板中能出现菌落，在另一种抗生素平板中不能形成菌落的结果，从而区别于其他两种受体细胞。

表3 双标记基因质粒的基因工程筛选结果

(“+”表示受体细胞能存活，“-”表示受体细胞不能存活)

设计意图：帮助学生理解标记基因在筛选中的作用，体会质粒中标记基因不同可以导致筛选的不同结果，形成相应的质粒选择或改造策略。

4 教学反思

本节课的设计突破了基因工程的教学以讲授为主的教学形式，借助巧妙设计的活动素材和层层递进的问题串，引导学生在动手操作中体验、内化操作策略，化解学习难点，提升思维能力。在实际教学中，学生们参与热情高，在积极地思维碰撞中找到问题解决的方案，形成操作策略。同时，学生在剪贴过程中对DNA分子长度改变的感性认识，将有助于之后的DNA长度定量分析。但教学中有个别组由于对限制酶的作用特点的了解和运用能力不足，致使在完成课堂活动1时遇到了困难，因此教学中需要注意对课前模拟活动进行质量把控，为学生顺利进行本节课内容的学习打下扎实基础。