改进模型构建 实现教材二次开发

石燕

人教版高中生物教材选修3现代生物科技专题中“重组DNA分子的模拟操作”，比较具体直观，有助于学生理解其原理和过程。但是笔者认为该模拟操作还不够明晰和深入，有待于改进。鉴于此，笔者在高三基因工程的基本操作程序的复习教学中，对第二步核心步骤即基因表达载体的构建进行了改进，实现了对教材的二次开发，重新设计和构建了基因表达载体，在课堂教学中收到了意想不到的效果。

1 模型构建的活动背景

“重组DNA分子的模拟操作”是安排在第一节“DNA重组技术的基本工具”之后。在第一节的教学中，教师要求学生进行简单的剪切和拼接，而第二节基因工程的基本操作程序中的第二步基因表达载体的构建的教学，则对剪和拼提出了更高的要求。学生凭空想象不能深刻理解和领会，教师在高三复习教学中巧妙地改进了基因表达载体（即重组质粒）的模型构建，实现了对教材的二次开发。这样，通过改进模型构建，一方面能将复杂问题简单化，抽象问题形象化，静止事物动态化，加深学生对知识的理解和掌握；另一方面学生通过自己动手构建模型，修改模型，完善模型，不仅培养了自学能力，也极大地激发了创新意识和创新潜能。此外，教师在复习教学中，创设一些新的情景，增加一些新的活动，有助于调动学生的学习热情和兴趣，提高课堂效率。

2 模型构建的活动设置

2.1 活动目的

模拟基因表达载体（即重组质粒）的构建过程，使学生领会其原理及重要性。

2.2 活动器材

白色A4纸1张，粉色A4纸1张，剪刀（代表限制酶）2把，订书机（代表DNA连接酶）1个。

2.3 活动步骤

（1） 剪切质粒：

把1张白色A4纸纵向剪成4条长条，同桌的2位学生每人2条。每人将2条各自围成环状，代表质粒，形成2个白色质粒；用笔在白色质粒的不同位置写上启动子、标记基因、终止子、目的基因；用剪刀在写有目的基因的位置剪开，成一条状，表示质粒的长度，两则露出两个黏性末端。

（2） 剪切目的基因：

将粉色A4纸和白色A4纸一样剪成4条，同桌的2位学生每人2条，每一条代表含目的基因的外源DNA，在每一条中央写上目的基因。学生用同一把剪刀在目的基因两侧剪切，将目的基因剪下，两侧露出两个与质粒相同的黏性末端。

（3） 构建基因表达载体（即重组质粒）：

用订书机将剪开的质粒（白色）和剪下的目的基因（粉色）订在一起，形成重组质粒。

（4） 剪接不同的末端：

用另一把剪刀把之前剪好的质粒和目的基因的一侧剪切成平末端，这样在质粒和目的基因的两侧露出了不同的末端，再将两者用订书机相连。

2.4 教师引导学生分析下列问题

（1） 剪刀剪开质粒和剪取目的基因分别剪了几刀，即限制酶切割了几次？剪刀剪开的是什么键？剪切时要注意什么？

（2） 订书机即DNA连接酶连的是什么键？可能有哪些连接结果？

（3） 目的基因和质粒的连接，有正向和反向，结果一样吗？

（4） 活动步骤中“剪接不同的末端”的操作有什么意义？对你此有何启示？

（5） 用同一种限制酶和不同的限制酶切割分别有什么优缺点？

2.5 评析

通过模型构建，能将复杂的、抽象的知识变得具体、直观，既培养了学生的动手能力，也加深了学生对知识的理解，同时能培养学生的思维能力。通过分析问题（1），学生就能领会，限制酶不能切割质粒上的启动子和终止子等，也不能切割目的基因本身，因此对于剪刀即限制酶要进行选择，同时让学生进一步明晰限制酶具有特异性。

第（1）和第（2）步骤，由于使用的是同一种限制酶，露出了相同的黏性末端，所以目的基因和目的基因可以相互连接，剪开的质粒和质粒可以相互连接。当然目的基因和质粒也能相互连接形成重组质粒，而所需要的是重组质粒。而在基因操作中将目的基因导入受体细胞，要检测导入的是普通质粒还是重组质粒，所以在重组质粒上必须要有标记基因，便于鉴定和筛选。

目的基因和质粒的连接有正向和反向。如果经检测导入的是重组质粒，但部分含有重组质粒中目的基因不能正确表达，那最可能的原因就是同种限制酶切割形成的末端相同，部分目的基因与质粒反向连接。

因此，用同一种限制酶切割的缺点是不能定向连接，那么如何避免呢？教师设计了第（4）步骤，用2把不同的剪刀即不同的限制酶分别切割质粒和目的基因的两侧，结果它们的一侧是黏性末端，另一侧是平末端，这样它们的两侧就露出了不同的末端，从而完成定向连接。

3 模型构建的活动应用

模型构建能透过现象揭示本质，能将一些重点、疑点、难点化繁为简，使学生对知识理解更透彻。学生通过构建模型，能在遇到问题时将所学知识灵活运用，快速寻找解决方法，提高了思维的敏捷性，提升了解题能力。下面以两个典例来说明。

【例1】 用限制酶EcoRⅠ、KpnⅠ和二者的混合物分别降解一个1 000 bp的DNA分子，降解产物分别进行凝胶电泳，在电场的作用下，降解产物分开，凝胶电泳结果如图示。该DNA分子的酶切图谱（单位：bp）正确的是（ ）

解析：学生在课堂上模拟了基因表达载体的构建，就很容易进行知识迁移和灵活运用。若在环状质粒上剪一刀，则剪出一段DNA片断（图1中间条带）。若在环状质粒上剪两刀，则剪出两段DNA片断（如图1左侧条带），说明该DNA呈环状，其上有一个KpnⅠ酶的酶切位点，有2个EcoRⅠ酶的酶切位点。2种限制酶同时切割，则切出了一段200 bp DNA片断和两段400 bp的DNA片断（如图1右侧条带），答案C符合。

答案：C。

【例2】 表1是几种限制酶识别序列及其切割位点，图2、图3中标注了相关限制酶的酶切位点，其中切割位点相同的酶不重复标注。请回答下列问题：

（1） 用图中质粒和目的基因构建重组质粒，应选用 两种限制酶切割。

（2） 若用Sau3A I切图2质粒最多可能获得

种大小不同的DNA片段。

解析：在构建基因表达载体时，注意不能将目的基因剪坏，也不能将启动子、终止子等剪坏，学生在模拟操作过程中，如果对该过程真正领会了，就能将知识运用到具体的解题中。如第一小问，图3中目的基因的左侧有两种限制酶BamH I酶和Bcl I酶，若用BamH I酶切割图2中的质粒，会将两个抗性基因都切坏，这样不利于后续的筛选，故用Bcl I酶。目的基因的右侧也有两种限制酶Hind Ⅲ和Sau3A I。若用Sau3A I切割，根据表格中限制酶的识别序列，Sau3A I也可以切割BamH I酶和Bcl I酶的识别序列，故不可用。

几种不同的限制酶同时切割，有完全切割和不完全切割，这就需要学生在模拟基因表达载体的构建过程中不断地探索和尝试，才能得出相应的结果。如第二小问，根据BamH I、Bcl I和Sau3A I的识别序列，Sau3A I在质粒上有三个酶切位点，完全酶切可得到记为A、B、C三种片段。若部分位点被切开，可得到AB、AC、BC、ABC四种片段，所以用Sau3A I切图1质粒最多可能获得7种大小不同的DNA片段。

答案：（1） Bcl I 和Hind Ⅲ （2） 7

参考文献：

刘成权.浅析美国生物教科书中的几个模型构建[J].中學生物学，2008（3）：13～15.endprint