基因工程的基本工具教學設計學情分析“基因工程的基本工具”是高中生物學選擇性必修3生物技術與工程》第三章第一節(jié)的內容。學生在之前的學習中已經(jīng)對基因的本質和結構有了一定的了解,具備相應的知識基礎。本節(jié)課的重難點是理解三種微觀“分子工具”的作用機制。設計思路主線式情境不僅可以激發(fā)學生的探究熱情,還可以把知識的構建融合在情境的發(fā)展之中。因此,本節(jié)課的教學設計側重于讓學生在主線式問題情境中,通過活動自主生成次位概念,為重要概念和大概念的構建莫定基礎。具體設計思路如圖1所示。教學目標(1)通過分析重組大腸桿菌生產人胰島素的流程,闡明基因工程的實現(xiàn)需要依賴于限制性內切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具。(2)通過構建重組質粒的物理模型,在實踐活動過程中,歸納概括基因工程所需的三種基本工具的特點及作用機制。(3)通過邏輯推理發(fā)現(xiàn)構建重組質粒過程中存在的問題,并結合材料分析,創(chuàng)造性地提出改造質粒的方案以解決問題;能夠在小組合作中,分析現(xiàn)有構建重組質粒方案的不足之處,通過對比分析選擇出最佳方案。(4)通過學習胰島素生產流程,形成健康文明的生活方式,能夠向他人宣傳關愛生命的觀念和知識。教學過程1.基于事實,激發(fā)思考教師展示血糖測量儀檢測血糖的功能,引發(fā)學生對糖尿病這一健康問題的關注。隨后,教師介紹從動物胰腺提取胰島素產量低、成本高的現(xiàn)狀，引發(fā)學生思考大量獲取胰島素的方法。接著,教師呈現(xiàn)事實資料1:1978年,美國科學家使用重組大腸桿菌生產出人胰島素,這是世界上第一個上市的基因工程藥物。教師據(jù)此提出問題:怎樣獲得生產人胰島素的大腸桿菌?設計意圖:教師通過血糖測量儀,引導學生從實際生活出發(fā),了解糖尿病對人類健康生活的影響,明確胰島素在糖尿病治療中的重要意義,進而激發(fā)學生的求知欲望,自然引入本節(jié)課的學習內容。2.問題驅動,活動探究2.1設計方案,構建概念教師闡述事實資料2(人胰島素基因是具有遺傳效應的DNA片段),并展示DNA分子的平面結構意圖。在此基礎上,教師創(chuàng)設子問題情境1:怎樣獲得含有人胰島素基因的DNA片段?隨后,教師展示限制性內切核酸酶(簡稱“限制酶”)EcoRI的作用過程動圖,并補充四種限制酶的識別序列與酶切位點?；诖?教師提出以下問題:①限制酶破壞的是什么化學鍵?②不同限制酶的識別序列有何特點?③限制酶剪切產生的末端種類有哪些?學生通過分析資料,并以小組為單位進行討論總結,進而得出結論:限制酶能夠識別特定的DNA序列,并作用于特定部位的磷酸二酯鍵,利用限制酶作用于DNA片段的磷酸二酯鍵可獲取人胰島素基因。教師引導學生開展學生活動1:利用限制酶獲取人胰島素基因。學生根據(jù)已知的限制酶識別序列和切割位點,用剪刀模擬限制酶的作用,對模擬攜帶人胰島素基因DNA分子的卡紙進行剪切(見圖2),從而獲取卡紙上的“人胰島素基因”片段。兩種獲取人胰島素基因的方案:①使用一種限制酶EcoRI切割DNA分子;②使用兩種限制酶EcoRl和EcoRV切割DNA。設計意圖:學生運用已有知識,通過分析資料理解限制酶的作用和特點。隨后,學生通過模擬實驗抽象的知識具象化,直觀體會限制酶在基因工程中的重要作用,明確其作為基因工程基本工具的重要地位2.2完善方案,應用概念導入大腸桿菌的DNA片段通常難以復制且易降解,基于此,教師創(chuàng)建子問題情境2:怎樣確保導入大腸桿菌的人胰島素基因穩(wěn)定存在并遺傳?隨后,教師展示事實資料3:科恩(S.Cohen)和博耶(H.W.Boyer)將外源DNA插入細菌質粒,并在大腸桿菌中穩(wěn)定表達。接著,教師引導學生理解基因工程需要載體作為第二種工具,用于攜帶外源DNA分子進入受體細胞,而質粒是常見的載體。最后,教師展示兩種質粒的示意圖(見圖3),并提出以下問題:①哪種質粒更適合作為之前獲取的人胰島素基因的載體?為什么?②環(huán)狀重組質粒形成時,需要合成的化學鍵是什么?質粒導入大腸桿菌的成功率并非100%。教師據(jù)此創(chuàng)設子問題情境3:怎樣改造質粒?如何篩選出導入質粒的大腸桿菌?隨后,教師展示事實資料4:氨芐青霉素是一種抗生素,能夠殺死大腸桿菌,而轉入氨芐青霉素抗性基因的大腸桿菌可以抵抗氨芐青霉素的作用，學生通過分析資料,理解基因工程還需要載體和DNA連接酶這兩種基本工具,提出兩種獲得重組質粒的方案:①使用一種限制酶EcoRI切割質粒得重組質粒1;②使用兩種限制酶EcoRI和EcoRV切割質粒后獲得重組質粒2。通過設計和改造質粒2的方案,學生歸納出質粒作為載體的基本條件,認識到基因工程中所使用的質粒通常需要經(jīng)過人工改造。教師引導學生開展學生活動2:構建重組質粒學生依據(jù)之前獲得的“人胰島素基因”,利用剪刀模擬限制酶的作用,對環(huán)形卡紙進行剪切,獲取“被切割的載體質粒”,再用訂書機模擬DNA連接酶的作用,獲取“重組質?！?。設計意圖:學生通過改造質粒2的過程完善制備重組大腸桿菌的方案,進而自主歸納質粒作為載體的條件,理解基因工程需要對天然質粒進行改造通過模型構建,學生將兩種不同的重組質粒具象化直觀感受限制酶、載體、DNA連接酶在基因工程中的具體作用。在此過程中,學生能夠形成重要概念“5.1基因工程是一種重組DNA技術”。2.3反思方案,理解概教師展示事實資料5:在含有多個人胰島素基因和多個質粒的混合液中,DNA連接酶可隨機連接兩個具有互補黏性末端或平末端的DNA片段。教師創(chuàng)設子問題情境4:不同反應體系中,分別會出現(xiàn)哪些其他的連接結果?教師據(jù)此引導學生開展學生活動3:DNA連接酶隨機連接兩個具有互補黏性末端平末端的片段。學生在暗箱中隨機抽取兩個“DNA片段”卡紙,若黏性末端互補或同為平末端,則用訂書機模擬DNA連接酶的作用將其連接起來。之后，教師引導學生進行學生活動4:根據(jù)模型構建的結果,以小組為單位討論并選擇構建重組質粒的最佳方案,同時闡述理由。學生對構建的“重組質?！边M行仔細觀察,自主歸納得出:使用兩種限制酶EcoRl和EcoRV獲取/胰島素基因并處理質粒獲取重組質粒的方案更為理想。這一方案能夠在含有多個人胰島素基因、多個質粒及DNA連接酶的混合液中,有效防止質粒和人胰島素基因的自身環(huán)化以及目的基因與載體的反向連接。設計意圖:教師通過闡述事實,引發(fā)學生的認知沖突,促使學生思考可能產生的其他連接產物。通過模型構建和小組討論,學生能夠直觀地理解雙切法的優(yōu)點。在選擇構建生產人胰島素的大腸桿菌的最佳方案的過程中,學生能夠體會到基因工程這一現(xiàn)代生物技術在實際應用中可能面臨的問題,并嘗試提出解決方案,從而培養(yǎng)社會責任意識。教學反思教師通過“怎樣獲得生產人胰島素的大腸桿菌”這一主線問題創(chuàng)設情境,促使學生設計生產人胰島素的大腸桿菌的方案。教師通過四個不同的子問題情境,發(fā)展學生的科學思維能力,讓學生在分析材料、解決問題的過程中,逐步完善生產流程;同時結合四個學生活動,發(fā)展學生的科學探究能力;通過將抽象知識具象化幫助學生體會三種工具的作