基于深度学习的“基因工程的基本操作程序”教学设计

王海霞

(山东省教育科学研究院 山东济南 250002)

1 教材分析

“基因工程的基本操作程序”选自人教版生物学《选择性必修3·生物技术与工程》第三章第二节,包括基因工程的主要操作步骤、相关技术和方法,是对“重组DNA 技术的基本工具”的综合应用,也是学习基因工程应用的基础,为本章的核心内容。 基因工程主要为分子水平上的操作,学生对此缺乏直观感受,且相关技术原理比较抽象,在教学中很多教师单纯依托教材让学生机械记忆基因工程的操作步骤以及相关技术和方法,不利于学生深度学习,发展学科核心素养。

2 学情分析

学生在必修模块已经学习了DNA 的结构、DNA复制和基因指导蛋白质合成等知识,对基因的结构和功能有一定认识。 同时,通过对“重组DNA 技术的基本工具”的学习,学生了解基因工程的发展历程、基因工程操作所需的三种“分子工具”以及载体需要具备的条件,为本节课的学习奠定坚实的理论基础。 高二学生思维活跃,有较强的逻辑思维能力和创新精神,对基因工程及转基因技术安全性等社会热点问题较为关注,但对基因工程的具体操作程序了解较少。 为此,教师需要精心创设问题情境,激发学生强烈的求知欲,培养学生运用学科知识解决实际问题的能力。

3 教学目标

依据课程标准的内容要求,制订如下指向学科核心素养的教学目标:

(1) 通过多种途径搜集基因工程应用的实例,比较分析“生产重组新冠病毒蛋白疫苗”真实情境所体现的现实需求,尝试构建基因工程操作的主要步骤,形成以生命观念为指导解决实际问题的能力。

(2) 通过分析DNA 复制的过程和条件,演绎推理PCR 反应需要的条件培养科学思维;利用实物模型模拟PCR 反应以及基因表达载体的构建过程,加深对结构与功能观的理解,提升开展合作探究的能力。

(3) 针对日常生活中与转基因技术相关的热点话题,能基于基因工程的实质表达自己的观点,以理性、科学的态度对待基因工程取得的成果,认同科学技术的发展对生产、生活的正面影响,培养求真务实的社会责任感。

4 教学过程

4.1 创设情境,聚焦问题

教师图片展示“新冠疫情下的日常生活场景”,通过出门戴口罩,回家勤洗手,进门扫场所码,定期进行核酸检测等真实情境引出重组新型冠状病毒疫苗。接着,教师播放有关重组新冠病毒蛋白疫苗的视频,并提出问题:① 在重组新冠病毒蛋白疫苗制备的过程中用到什么技术? ② 制备重组新冠病毒蛋白疫苗需要哪些步骤?

设计意图:教师课前安排学生搜集感兴趣的基因工程应用实例,汇总后选择最具代表性的重组新型冠状病毒疫苗实例作为贯穿本节课的情境。 通过资料的搜集整理,学生能亲身感受基因工程的应用和巨大价值,从而激发他们产生解决现实问题的浓厚兴趣。

4.2 任务驱动,探究本质

教师展示新冠病毒图片,提供我国生产重组新冠病毒蛋白疫苗的相关资料,如中国仓鼠卵巢细胞(Chinese Hamster Ovary,CHO 细胞),并提出问题:① 重组新冠病毒蛋白疫苗中发挥作用的物质是什么? ② 通过什么方法能大量高效地获得S 蛋白? 学生分析资料,合作探讨高效合成S 蛋白的方法,通过讨论明确应用基因工程可以获得大量S 蛋白。

4.2.1 目的基因的获取

新冠病毒的遗传物质是RNA,而基因工程是DNA 分子水平上的操作,如何获得双链S 蛋白基因?学生思考回答通过逆转录过程可以得到。 教师进一步追问通过逆转录获得的基因数量较少,如何能够快速获取大量S 蛋白基因,以此引出PCR 技术。 教师首先引导学生自主学习PCR 的概念,回顾体内DNA复制的过程,为学习体外PCR 技术做铺垫。 其后,播放PCR 过程的演示视频,令学生形象直观地认识PCR 过程。 接着,教师给出任务1:模拟PCR 扩增S蛋白基因的过程。 教师提供目的基因、引物、脱氧核糖核苷酸、热稳定的DNA 聚合酶等模型材料,鼓励学生模拟PCR 扩增S 蛋白基因的过程。 学生小组合作进行模型建构,由小组代表展示成果(图1)。

图1 小组成果展示图

设计意图:结合图片和资料,引导学生回顾DNA复制的相关知识并推理PCR 反应所需的条件;通过模型建构为每位学生提供参与活动的机会,激发学习主动性;通过模型构建活动将抽象的内容具体化,使深奥的理性思维显性化。

4.2.2 基因表达载体的构建

教师继续提问“获取了足量的S 蛋白基因后,能直接将其导入受体细胞吗?”,引出基因表达载体构建的目的,引导学生进一步思考:若目的基因在受体细胞中可以遗传给下一代并能表达和发挥作用,应当具备哪些组成元件? 其作用是什么? 教师展示基因表达载体的模式图,基于上述内容,布置任务2:要求以小组为单位构建S 蛋白基因的表达载体。

教师提供活动材料(图2):质粒模型、红色纸条(含有目的基因的DNA 片段)、剪刀(限制性核酸内切酶)、胶带(DNA 连接酶)。

图2 活动材料展示

学生首先进行活动一:小组内讨论选择哪种限制酶切割质粒和目的基因,讨论完成后构建基因表达载体。 教师利用投屏软件在大屏幕上展示各组成果,由小组代表上台讲述。 接着,教师引导学生深度思考:若只用一种限制酶切割目的基因和质粒,连接方式唯一吗? 如何解决目的基因自身环化和片段任意连接等问题呢? 接着,学生进行活动二:小组讨论可行方案,再次构建基因表达载体。 小组代表上台展示成果并讲述理由,其他小组补充、完善或评价。 最后,在该活动的基础上由学生总结构建基因表达载体的注意事项。

设计意图:设置问题串,引导学生总结基因表达载体的构建目的和基本组成元件。 通过模型建构让每个学生直观认识基因表达载体的构建过程,以及各元件的位置与功能。 在操作中,学生发现基因片段会任意连接,继而通过小组合作,讨论优化酶切方案。 相较于教师直接提问,学生在操作过程中自主发现问题更具教育价值,更能调动学生的学习兴趣,激发其主动进行深度思考,深化科学思维。 如此,学生总结基因表达载体的相关注意事项也就水到渠成。 在该过程中,学生通过构建模型实现科学思维和学习行为的统一,锻炼了动手操作、交流讨论和归纳总结的能力。

4.2.3 将目的基因导入受体细胞

构建S 蛋白基因表达载体后需将目的基因导入受体细胞,如何将S 蛋白基因导入CHO 细胞呢? 教师提供花粉管通道法、基因枪法、农杆菌转化法、显微注射法、病毒介导法等将表达载体导入受体细胞方法的资料,引导学生阅读资料并分析能将S 蛋白基因导入受体细胞的方法。

设计意图:利用相关资料让学生结合具体问题寻找合适的方法,培养学生分析资料、提炼信息、基于真实情境进行推理的逻辑思维能力。

4.2.4 目的基因的检测与鉴定

将S 蛋白基因导入受体细胞后,细胞一定能表达生成S 蛋白并发挥作用吗? 基因的表达包括哪些过程? 根据基因表达的过程,推测可以从哪些层次进行检测与鉴定? 教师布置任务3:列表比较在不同层次检测与鉴定目的基因的方法。 学生小组讨论,根据基因表达的过程推测可以从哪些层次进行检测与鉴定,分析方法并简要描述相关过程,组内讨论后以表格形式呈现结果。

设计意图:联系基因的表达过程(转录和翻译),便于学生推测在分子水平上,可从三个层次检测目的基因的存在。 学生在归纳、总结检测与鉴定方法时,可联系本节课所讲的PCR 技术和之前学习的抗原-抗体杂交技术。 学生以小组合作的方式总结目的基因鉴定方法有助于促进思维碰撞,通过同伴互助共同构建知识体系。

4.3 学以致用,迁移探索新知

教师展示日常新冠病毒核酸检测的图片,引导学生思考“检测是否感染新冠病毒的方法有哪些”,鼓励其联系本节学习内容理解核酸检测、抗原检测的作用机理。 教师布置任务4:运用类比法,构建利用基因工程培育抗虫棉的基本操作流程图。 学生利用教材内容结合教师提供的资料,探寻将目的基因导入植物细胞的方法,通过小组合作构建基因工程培育抗虫棉的流程图。

设计意图:利用类比可实现知识迁移,促进学生运用所学知识与技能解决实际生活问题,助力学生感受生物学知识在生活中的应用,增强其社会责任感。

5 教学反思

有效的教学情境能够激发学生的好奇心和求知欲,点燃学生的学习热情,从而使学生主动参与到知识的探索发现和认识历程中。 本节课将“重组新冠病毒蛋白疫苗的制备”情境贯穿于整个教学过程中,通过组织学生开展自主学习、模型建构、小组讨论等活动进行深入探究,使学生体验基因工程的方法和过程。 通过类比引导学生实现知识迁移,将抽象的概念具体化、操作实体化、思维可视化,实现真实情境与课堂教学情境的联结,将生物学核心素养真正践行于课堂教学。