模型教具在高中教学中的应用

曾平 石秀菊

摘要 以大肠杆菌合成人的胰岛素为主题情景，通过构建限制酶切割出基因和质粒的模型教具、构建DNA连接酶连接基因和质粒的模型教具、构建重组质粒导入大肠杆菌的模型教具，引导学生体验“基因工程的过程”。培养学生学习兴趣，训练学生的动手能力，利用形象思维促进抽象思维能力提升，

突破教学难点，培养学生的理性思维，促进学生科学思维的发展。

关键词 模型教具 基因工程 课堂教学         中图分类号 G633.91

文献标志码 B

“基因工程”是沪教版教材高中生物科学第二册第六章第三节的重要内容。其中，基因工程的概念、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等是学业水平考试的重点之一。因为基因工程过程非常抽象，学生无法完成实验体验基因工程的过程，容易出现模棱两可，难以理解的情况。在教学过程中，常发现，学生困惑于基因工程中限制酶如何识别DNA序列，如何切割出基因和切割质粒等问题;不明白质粒与目的基因重组的过程，即DNA连接酶的作用原理;想知道导入后为什么需要进行筛选，不理解基因工程的原理内涵......教师利用构建物理模型教具，在课堂教学中引导学生模拟基因工程的过程，基于认识、构建、应用的过程，从而将抽象复杂的知识转化为具体形象的知识。学生基于活動体验基因工程的过程，更好地理解基因工程的原理，训练理性思维，促进科学思维的发展。

1课前准备

1.1材料用具准备

软磁贴（有磁性，可裁剪），彩纸，双面胶，剪刀，订书机，铅笔等。

1.1.1构建模型准备

1用AdobePhotoshop绘制出含人胰岛素基因（目的基因）的DNA片段模型（图1，纸质，长度为A4纸长），质粒模型（图2，纸质，长度为A4纸长），大肠杆菌模型（图3，纸质，A4纸大小）。前两个模型上的阴影部分表示限制酶识别序列，切割位点以↓表示（G↓AATTC）。

2打印模板并贴在软磁贴上，将质粒序列粘成环形，完成模型制作。由于用量较大，教师可在课前先指导学科兴趣小组的学生裁剪好模型。

2教学活动

在课堂教学实践中，发现不少学生对“基因工程”的过程很感兴趣，经常提出以下问题：限制酶是如何切割出人胰岛素基因（目的基因）的？限制酶切割质粒和切割出基因是一个原理吗，DNA连接酶是怎么将人胰岛素基因（目的基因）与质粒连接上的？进行筛选的原因是什么呀？基因工程成功的标志是什么？为什么微生物能合成人的蛋白质？这合成的蛋白质直接拿来能用吗？......。教师通过精心设计适切的模拟探究活动，引导学生思考问题，分析、讨论、交流，从而揭示基因工程的原理，复习巩固所学知识，促进科学思维的发展。

2.1构建限制酶切割出基因和质粒的模型教具

教师给每位学生发放一份工具包（剪刀一把，双面胶一卷，含人胰岛素基因的DNA片段模型3份，质粒模型3份，大肠杆菌模型3份）。

学生活动1：首先引导学生结合教材的例子，分析限制酶EcoR I是先特异性识别GAATTC，让后在G和A之间将DNA切开。学生角色扮演，体验EcoRI切割出目的基因的过程（图4）。

学生活动2：学生扮演EcoRI，尝试去切割质粒（图5）。

教师设问，引导学生思考：为什么限制酶EcoRI除了可以切割出目的基因，还能切割质粒？从而引导学生思考分析质粒的本质（闭环状DNA分子），归纳出基因工程的原理之一：都是DNA分子。

设计意图：学生进行角色扮演，体验限制酶作用过程：分别完成含人胰岛素基因（目的基因）的DNA片段的识别和切割，获取人胰岛素基因（目的基因）和完成质粒的识别和切割过程。这样使学生真正理解限制酶的作用原理，自发内化生成基因工程的原理，训练了学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。

实践感悟：学生能够记住限制酶作用原理是特异性识别并切割DNA分子，但未必能理解其内涵。例如给出具体DNA序列片段时，不少学生会遇到的问题：该限制酶是否能切割该DNA序列？如果可以，又该如何切割？教师利用限制酶切割出基因和质粒的模型教具，给学生展示正确的模型教具，概述构建的步骤：识别GAATTC序列，切割GA之间的键，铅笔画出切割路径后用剪刀剪切。由此使学生真正理解限制酶的作用原理。

2.2构建DNA连接酶连接基因和质粒的模型教具学生活动3：实验室中，大量地被限制酶切割出的目的基因与切割的质粒片段混合在一起，让其随机重组。4个学生为一个小组，将切割出的目的基因和切割的质粒放在一起，混匀。自己的双手扮演DNA连接酶，随机去取，合作完成重组过程。学生探究在3min内最多可以形成多少种组合（图6）。做得最快、种类最多的小组进行展示，着重介绍重组的类型及连接方式，尤其是人胰岛素基因（目的基因）与质粒重组的情况。教师进而引导思考：氢键是如何连接的？连接过程遵循什么原则？思考归纳出基因工程的原理之二：遵循碱基互补配对原则。

设计意图：板书或幻灯片不能形象地将抽象的知识生动形象地表达，更难让学生参与体验。而构建模型教具不仅仅让学生体验DNA连接酶将人胰岛素基因（目的基因）与质粒连接进行重组的过程，理解基因工程的原理;教师进一步引导学生思考重组的过程是随机性的，使学生得出重组的类型会有多种情况，并成功构建出模型，利用形象思维促进抽象思维能力提升，突破教学难点。同时也为筛选过程埋下伏笔。

实践感悟：DNA分子的断裂涉及到碱基之间的氢键断开，磷酸与脱氧核糖之间的化学键（磷酸二酯键）断裂。反之，要将DNA连接，必须将这两个化学键连接。DNA连接酶的功能就是将断裂的DNA分子连接，但该酶作用在哪里，是连接碱基之间的氢键还是连接磷酸与脱氧核糖之间的化学键，学生不是十分清楚。教师通过构建DNA连接酶连接基因和质粒的模型教具，尤其是让学生随机构建多种重组类型的模型，并让学生展示模型，说明如此构建的理由。学生不难思考得出只要黏性末端能够遵循碱基互补配对原则，DNA连接酶就能将磷酸与脱氧核糖之间的化学键（磷酸二酯键）连接，即能够成功连接（构建模型）。这样，学生不仅理解DNA连接酶的作用原理，深入理解基因工程的原理，而且能有效训练学生的理性思维，促进科学思维的发展。

2.3构建重组质粒导入大肠杆菌的模型教具

学生活动4：学生思考并展示多种组合的环形DNA“导入”大肠杆菌中的模型（图7），并思考：哪种情况是属于基因工程过程所需要的？如果需要将其与其他可能的情况进行分离，需要什么过程？

设计意图：学生体验完成重组质粒导入受体细胞的过程，理解导入过程可能出现的多种情况，只有重组质粒导入受体细胞才是基因工程所需要的结果，因此需要进一步操作。这样为筛选步骤的学习埋下伏笔。

实践感悟：人胰岛素基因（目的基因）和质粒随机的各种组合是否都能导入大肠杆菌（受体细胞）？如果可以，导入时可能出现的各种情况有哪些？学生容易忽略上述问题，更少学生能深入思考。教师通过构建重组质粒导入大肠杆菌的模型教具，生动形象地让学生参与不同类型的重组质粒导入大肠杆菌的过程，主动思考导入的各种情况，深入分析需要筛选的原因，有效地促进学生科学思维的发展。

2.4应用构建的模型教具，创设问题情境。学生通过构建模型教具的过程，已经理解基因工程的过程和原理。那么，判断基因工程成功的依据是什么？可利用教材抗虫棉的例子，设问如何判断抗虫棉的转基因技术是否成功？虫子的存活与否就可以判断。通过情境知识的迁移，学生能认识大肠杆菌合成人胰岛素即为大肠杆菌转基因技术的成功。教师进一步追问：大肠杆菌是原核生物，却能合成人（真核生物）的胰岛素蛋白，这说明了什么？此时，学生可能出现思维上的卡顿，教师需要给一定的“小台阶”，可再追问：回忆基因指导蛋白质合成的过程？引导学生思考答出转录和翻译过程，回忆转录的产物和mRNA在翻译过程的重要作用。最后，教师提问既然大肠杆菌能合成人的胰岛素蛋白，说明了什么？学生自然就能分析出因为密码子相同。教师引导学生分析归纳出基因工程的第三个原理：所有生物共用同一套密码子。

教师提出问题：大肠杆菌合成的人胰岛素蛋白能直接拿来用吗？引导学生分析出因为大肠杆菌没有内质网、高尔基体等复杂细胞器，无法完成蛋白质的加工。理解大肠杆菌合成人的胰岛素蛋白存在需要进一步加工的缺点。教师追问：如何改进？引导学生分析推理出将大肠杆菌改用为酵母菌为受体细胞即可。

设计意图：教师基于模型教具的应用，创设问题情境，引导学生推理分析出基因工程成功的标志及基因工程的原理。

实践感悟：虽然学生对于筛选步骤的具体操作方法很感興趣，但因为本课时是合格性考试的复习课，所以详细筛选的相关知识并不在此时介绍。但学生必须知道基因工程成功的依据，真正理解基因工程的第三个原理。教师利用构建的模型教具，创设问题情境，层层深入，逐步剖析，引导学生思考推理，寻找出答案。促进了学生科学思维的发展。

3教学反思

本节课以大肠杆菌合成人的胰岛素为主体情景，摒弃传统的讲授式为主的课堂教学形式，适切地利用构建模型教具，引导学生在活动操作中体验知识过程，促进科学思维的发展。小组合作、探究学习完成活动任务，学生参与活动的积极性很高。同时，在真实的教具剪切的体验过程中，增强了学生对抽象的生命过程理解。但几次教学实践后，发现几个问题，给出如下建议：

1课堂时间紧张，建议模型设计上进行优化，例如将GAATTC序列设置好阴影背景，方便学生快速找到。教师指导学生构建模型时一定要步骤明确，设问注意指向明确等，以节省时间、提高效率。

2教师指导学生构建模型的策略可以多样化，可以单独分析，可以小组合作，可以鼓励效率高能力强的学生帮助周围的同学等，丰富课堂形式。

3评价学生的形式可以多样化，除了教师对学生的点评，应该鼓励学生展示自己的成果，评价自己的成果，也可以是学生评价学生的成果等，让不同层

次的学生在课堂上得到发展。

参考文献：

[1]普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.1.

[2]戴赟，黄建书，刘键.基于模型建构的“基因工程”一节的高三复习教学设计[J].生物学教学，2017，42（3）：30-33.