基于问题驱动的“基因工程

詹琪芳

摘要：通过设置层层问题，帮助学生理解基因工程中限制酶的作用特点，其与电泳技术在目的基因及质粒获取中的具体应用，培养学生的逻辑思维的习惯和科学探究的能力。

关键词：基因工程限制酶问题驱动

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

1教材分析和设计思路

《基因工程》是沪教版高中《生命科学》第二册第六章第三节的内容，本节是复习课的第1课时，主题是“限制酶”。经过高一的学习，高二学生对限制酶已有初步认识，但对教材中“用与切取目的基因相同的限制酶将质粒切开”这句话的理解存在偏差：为什么要用“相同的”限制酶切取目的基因和质粒？是否一定要用“相同的”限制酶？如何获得成功重组的质粒？电泳技术、酶切片段的计算怎么辅助基因工程顺利完成？……为解决这一系列问题，本节设计为基于问题驱动的遇到问题——解决问题的方式递进教学，辅以自制软磁教具，让学生重新认识限制酶及重组质粒的制备。期间，学生尝试实验设计，熟悉科学探究的基本思路和方法，使抽象的DNA片段连接与酶切形象化，培养了逻辑思维能力。限制酶的作用特点和“相同的”限制酶是教学重点，“如何精确制备重组质粒”是教学难点。通过观察不同限制酶的作用位点，教师引导学生尝试归纳其特点，书写、比较、连接不同限制酶形成的黏性末端，加深对限制酶作用特点的理解;让学生基于问题辨析重新连接的基因片段的特征，理解环形的重组质粒被切后的片段计算及电泳图谱作为一种技术手段在基因片段分离中所起的作用，突破难点。

2教学目标

①掌握限制酶的特点;理解用“相同的”限制酶切割目的基因和质粒的实质;理解酶切片段的计算和电泳图谱在制备重组质粒中的运用。

②通过比较限制酶酶切位点、书写、切割、拼接基因片段，关注归纳与概括方法的运用;通过计算酶切片段，分析电泳图谱，经历重组质粒的制备过程，认识科学探究的基本思路和方法，提高实践能力。

③通过限制酶、电泳技术和酶切片段的计算之间的关系，懂得基因工程是一种基于理论的基因重组技术。

3教学过程

3.1复习旧知，导入新课

教师提出3个问题：基因工程的基本过程是什么？用到哪两种工具酶？它们的作用是什么？学生回忆、复习旧知，为新课的学习做好准备。

设计意图：复习课的开场简单直接，教师利用3个问题让学生迅速进入状态，简要回顾基因工程的4个基本步骤和2个工具酶，构建基因工程的总体知识框架，引出限制酶的专题复习。

3.2限制酶的作用特点

教師展示3种不同的限制酶的作用位点（表1），引导学生观察、比较，并提出问题：3种限制酶的识别序列相同吗？切割位点相同吗？限制酶的作用特点是什么？在教师的启发提问下，学生概括限制酶的特点，即识别特定序列、切割专一位点。

设计意图：通过比较识别序列的差异性，学生认识到限制酶作用的特异性，并尝试用概括性的语言进行描述，培养观察、比较和归纳的能力。

3.2.1正确认识黏性末端

以EcoRI为例，请学生按照碱基互补配对原则写出DNA的另外1条链，再标出另1条链上的酶切位点，最后写出酶切后的黏性末端（图1）。

接着，学生仔细观察、比较2个黏性末端，教师提问：切出的2个黏性末端一样吗？它们能重新连起来吗？为什么能再连起来？还需要什么酶的帮助？连起来后能再次被EcoR I切开吗？学生思考作答。再请学生利用软磁教具模拟酶切过程，剪切出BamH I和BclI酶切后的黏性末端（图2和图3）。

设计意图：学生通过书写、剪切、观察，熟悉限制酶的作用方式、黏性末端再次连接的特点及碱基互补配对在此过程中的应用，强化教学重点。

3.2.2透彻理解“相同的”限制酶的概念

教师引导学生仔细观察BamH I和BclI作用后的黏性末端，思考问题：它们的黏性末端相同吗？可以相连吗？学生尝试用软磁教具拼接，教师提问：如何理解教材中“用与切取目的基因相同的限制酶将质粒切开”这句话？基因工程中必须用“相同的”限制酶作用目的基因和质粒吗？可以用不同的限制酶吗？如果选择不同的限制酶，它们需要具有什么特点？

设计意图：通过2种限制酶切黏性末端的剪切、连接，学生明白限制酶虽然不同，但能切出相同的黏性末端，DNA片段就能相互连接。目的基因与质粒相连的本质是具有相同的黏性末端，因此要选择能切出“相同黏性末端”的限制酶。

3.2.3辨析限制酶的作用特点

教师请学生再次观察图4，思考：这个新形成的DNA序列能被BamHI或BclI切开吗？为什么？

设计意图：学生再次熟悉限制酶的作用特点——识别特定序列，切割专一位点;认识到一旦识别序列改变，限制酶将无法作用。这个小环节不仅能为使学生巩固刚才吸纳的知识，还为后续的教学活动进行了铺垫。

3.3相同的限制酶的实质

3.3.1限制酶的选择

教师创设情境：请帮助某位在课外兴趣活动小组进行基因工程实验的同学，选择出合适的限制酶和质粒（图5），并说出理由。

学生甲：我选择BamHI切取目的基因，因为它可以切出整段目的基因。

学生乙：我认为只选用BamH I会使目的基因片段具有相同的黏性末端，会发生自身环化现象，我选择BamHI和EeoRI同时切取目的基因，产生不同的黏性末端，可以避免自身环化。

学生丙：我选择质粒C作为运载体，因为A没有酶切位点，B只有1个，而C可以切出和目的基因相同的黏性末端，所以作为运载体较为合适。

学生丁：我觉得质粒D也是可以的，虽然BamHI和BclI是不同的限制酶，但它们能切出相同的黏性末端，目的基因可以连接在质粒上。

学生戊：如果选择BamH I切取目的基因和质粒B，虽然会发生自身环化，但也存在不环化的概率，所以也是可以的。

设计意图：这个环节在前一部分认知的基础上，学生充分讨论并思考，在挑选限制酶时，进一步认清楚限制酶的作用本质和黏性末端的作用;在挑选运载体时，认识到要选取能产生相同黏性末端的限制酶切取质粒。

3.3.2基因片段的分离

教师接着提问：如果选用BamH I和EcoR I切取目的基因，会得到几个片段？这些片段的末端具有什么特征？如何得到只含有目的基因的片段？学生思考后回答共得到4个片段，其中有1个小片段具有和目的基因片段相同的黏性末端。教师继续启发引导：有什么方法可以将它们区分开？从而引入电泳技术，让学生简单了解：DNA在一定的电场力作用下会向正极泳动，DNA分子越大，泳动越慢，从而可以将分子量大小不同的DNA片段分离开，再通过溶解凝胶将所需片段回收纯化。

设计意图：思考通过2种酶切取目的基因，明白实际操作中获取目的基因的不易，也知道电泳技术在基因工程中的运用，帮助分离不同分子量的DNA片段，获得单一的含有目的基因的片段。

3.3.3酶切片段的计算

教师继续思维拓展，趁势发问：如果DNA片段的长度相等怎么区分？单纯依靠电泳技术可以吗？并向学生展示图6的目的基因和质粒，引导学生思考如何借助限制酶及电泳技术得到正确的重组质粒。

学生讨论后，给出了较为清晰的分析过程：①选择BamH I和BclI切取目的基因，用BamHI切取质粒;②用DNA连接酶连接获取重组质粒。教师提问：有几种重组质粒？如何区分？学生展开小组讨论，画出两种不同的重组质粒（图7）。

教师启发学生比较两种重组质粒的不同，设计实验方案进行区分。学生注意到重组质粒上均有EcoR I的酶切位点，结合刚才归纳的知识点——分别用BamH I和Bel I切出的黏性末端虽能相连，却不能被它们再次切开，但如果都是用BamH I切开的黏性末端相连，却可以再次被切开。

经过讨论思考，学生设计出实验方案：先用BamH I和EcoR I切取兩种重组质粒，再用电泳法分离。若分离出长度为1.4kb和6.8kb的DNA片段，表明这个是反向连接的重组质粒，弃之;若分离出长度为4.2kb和4.0kb的DNA片段，回收之后用DNA连接酶连接，获得正向连接的重组质粒。

设计意图：学生通过计算限制酶、电泳技术和酶切片段的关系，初步掌握科学探究的基本思路，懂得基因工程是一种既重理论又重实践的基因重组技术。

4教学反思

这节课是基于问题驱动来设计的，围绕着基因工程中的重要工具限制酶逐步展开。问题的设计注重逻辑性，每个问题的解决都是建立在旧知的熟练与巩固之上，解决旧问题，产生新问题。教师设计的问题注重层次性、逻辑性，问题可大可小，大的问题激发学生的思维活跃度，让学生从更高的视角在不同的知识点间建立联系;小的问题聚焦某个具体细节，关注过程的严谨性，加大对知识的思考深度。基于问题驱动的课堂教学能促使学生自始至终都在思考，能全面、透彻、深入地理解限制酶的作用特点，在基因工程中发挥的重要作用。这节课上，学生思维活跃，师生间的互动较强，学生的逻辑思维习惯和科学探究能力有了一定程度的提升，学生非常享受知识的获取与问题的解决过程。遗憾的是缺少一定的生活情境，如果能够让学生真正运用限制酶解决基因工程中的某个实际问题就更好了。