基于物理模型建构的教学设计--以DNA重组技术的基本工具”为例

基于物理模型建构的教学设计 --以 DNA重组技术的基本工具” 为例

高跃才

福建省龙海第二中学 363100

1 教材分析

《基因工程》属于前沿的生物科技知识，基因工程的基本原理是近几年全国卷选考题的高频考点。在DNA重组技术操作过程中，限制酶、DNA连接酶、载体三种基本工具起到了至关重要的作用。然而，由于学生鲜有人接触过基因工程，且磷酸二酯键的部位、黏性末端形成和连接等内容较为微观抽象，多数学生在学习过程中常常感觉理解有困难。因此，学习并掌握DNA重组技术的基本工具一节的内容是透彻理解基因工程的基本操作程序的必要基础。

2 学情分析

高二学生已经掌握DNA结构的知识等，观察动手能力和抽象思维也有一定程度发展。教师通过引导学生模拟剪切打印的DNA的平面结构模型，可以帮助学生理解限制酶的作用。

3 教学目标

3.1举例说出基因工程的工具及其作用特点。通过交流、讨论和动手操作等活动，提高学习发现问题、解决问题以及与人合作的能力。

3.2通过模型模拟的活动来体会基因工程操作过程，并总结出所用工具的主要作用及特点。

4 教学重点和难点：

4.1教学重点：DNA重组技术的三种工具的作用及原理。

4.2教学难点：基因工程中载体的基本结构及作用。

5 课前准备

打印教材中P6、P7 的甲乙两种DNA片断和丙DNA平面结构图，如图示所示。其中甲乙两种DNA片断同桌两人每人各一张，丙DNA片面结构图每人一张。

6 教学策略与手段：

以“蜘蛛羊”的培育流程为教学情境，引导学生利用打印的DNA平面结构图的纸片模型，积极参与到模拟构建重组DNA分子的活动中，让学生亲身体验基因的剪切、拼接、缝合的过程，并通过希沃摄像当堂及时把学生正确的模拟过程展示出来，使抽象的教学内容变得更加直观。同时，通过设置问题串逐步引导学生进行思维性探究，让学生在学习过程中潜移默化地发展科学思维，也加深了对三种基本工具作用的理解。

7 教学过程：

7.1课堂导入

播放小视频《蜘蛛羊的培育》，让学生对“蜘蛛羊”的培育过程有个大致了解，然后在视频末尾提出“利用基因工程培育蜘蛛羊需要哪些操作工具呢？”的问题，引发学生思考。

7.2新课授课

一、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”

教师开场：利用基因工程培育蜘蛛羊需要哪些操作工具呢？让我们一起利用这节课来探讨。

首先根据刚才的视频大概总结一下培育流程。

展示：蜘蛛和山羊的卡通图像，

边讲述边播放流程：要把蛛丝蛋白基因导入山羊细胞，得从蜘蛛细胞中提取出DNA，但是基因是有遗传效应都DNA片段，提取出来的DNA还含有别的基因。这就需要限制性核酸内切酶（简称限制酶）来把蛛丝蛋白基因剪切下来。

思考1：限制酶如何在蜘蛛DNA中找到蛛丝蛋白基因并将其剪切下来？

课堂小活动①：请认真观察P5图1-3 EcoRⅠ的作用过程，并在乙片段找到EcoRⅠ识别的相同序列，尝试剪切其中的DNA片段。

学生在乙纸片上找出EcoRI识别的序列，先用笔划线模拟剪开的过程。教师用希沃先把学生画好后的结果拍照上传到屏幕，然后把学生剪开的过程同步摄像传在大屏幕。

教师：图1-3只是简略标出切口所在位置的序列碱基，接下来请同学们拿出DNA平面结构图的纸片，找出EcoRI识别的序列，并在其下方划横线进行标识。

思考2：限制酶剪切的是DNA的哪个位置呢？

边讲解边屏幕播放DNA分子结构平面示意图，引导学生回忆碱基、脱氧核糖五个碳、脱氧核苷酸、磷酸二酯键的内容。

课堂小活动②：一个学生上台在屏幕上把DNA片面结构图限制酶剪切的位置画出来，其他学生在DNA片面结构图的纸片上先画出来，同桌两人相互检查后各自剪开纸片。

教师点评，动画演示剪断磷酸二酯键的过程

思考3：在这个过程中，限制酶起到了哪些作用？

提问，学生回答：

板书：1、限制酶的作用

（1）只能识别双链DNA分子中特定的脱氧核苷酸序列。

（2）使每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开

教师点评作用特点：特异性（专一性）很高

教师：请观察图1-3，找到两种限制酶识别的脱氧核苷酸序列有什么相同的特点。

学生观察后，教师补充“回文序列”的名称和特点。

课堂小活动③：两个学生上台补充完整P7思考与探究第1题（1）和（2）回文序列，其他同学直接写在课本上。

教师点评并强调“碱基互补配对”和“回文”。讲述限制酶作用并举例：每种限制酶能识别特定的脱氧核苷酸序列(称回文序列)，大多数限制酶识别的回文序列由6个核苷酸组成，少数的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。

引导学生观察图1-3中EcoRI和SmaI的切割过程和结果，进而理解黏性末端和平末端的概念，动画演示两种不同的切割方式，补充“错位切”和“平切”的名称便于教师说明和学生记忆。让学生在乙和丙纸片上进行黏性末端的标识。

列表讲述并板书：2、限制酶切割方式及结果

讲述并板书：3、限制酶的来源和命名：

限制酶，主要存在于微生物细胞中，如细菌、酵母菌等。举例介绍命名规则。

引导学生观察乙纸片剪开以后所得到的结果，教师总结：DNA序列中分布很多的回文序列，以乙片段当作蜘蛛DNA为例，要剪切下来的蛛丝蛋白基因两侧分布有EcoRI所识别的回文序列。因此，要从DNA上把蛛丝蛋白基因剪切下来，需要用对应的限制酶—EcoRI，而剪切下来的基因是一个游离的DNA片段。

思考4：剪切下来的蛛丝蛋白基因，是不是就可以直接导入山羊的细胞中了呢？--请阅读P6第二段

提问，学生回答：剪切得到的基因必须先与载体连接，才能导入受体细胞。

2. 载体——运载工具

思考5：与目的基因拼接，载体能起到什么样的作用呢？

以质粒为例讲解、板书：1、质粒

1. 来源：是一类裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。

展示：图1-5大肠杆菌图片

讲解并板书：2）基本结构及作用

思考6：请认真观察P6图1-5，质粒有哪些基本结构？各有什么作用？

①一至多个限制酶切割位点作用：展示质粒PBR322示意图引导学生概括：供外源DNA片段插入其中。该质粒上有众多的限制酶切位点便是潜在的目的基因的插入位点。

②复制原点作用：使携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后，在细胞中进行自我复制，或整合到染色体 DNA上，随染色体 DNA进行同步复制。

③标记基因作用：引导学生阅读：供重组DNA的鉴定与选择。

教师通过播放小视频《质粒的作用》，进行总结。

讲解并板书：2、常用载体 ①质粒②λ噬菌体衍生物③动植物病毒等

引导学生阅读P6最后一段话，天然载体往往不能满足人类的所有需求，因此在基因工程操作中，真正被用作载体的，大都是在天然载体的基础上进行过人工改造的。

课堂小活动④：以甲片段当作质粒的一个部分，尝试把乙片段剪下来的蛛丝蛋白基因（中间片段）连接到甲片段上。

引导学生观察发现甲片段分布有一个回文序列是EcoRI的识别位点，要让蛛丝蛋白基因连接上去，必须先把EcoRI识别的回文序列剪开形成一个切口，蛛丝蛋白基因才能连接在甲片段的中间。

让同桌两人配合，把乙中间段连接到甲的中间，教师通过希沃把学生连接的过程摄像投屏到屏幕。

三、DNA连接酶——“基因针线”

思考7：用限制酶切割得到的蛛丝蛋白基因（乙片段中间段）和切开的质粒（甲片段）要怎么连接起来呢？

引导学生阅读P5最后一段话，过渡到DNA连接酶的教学

播放小视频《DNA连接酶作用》

讲解并板书：1、作用：催化磷酸二酯键形成，将两个DNA片段连接起来。

播放动画演示黏性末端的连接和平口末端的连接。

思考8：请说说在剪切和拼接不同DNA片段的过程中，有什么体会？

引导学生注意到用同种限制酶来切割两种来源不同的DNA，会产生相同的黏性末端，这样才能将不同的DNA片段连接起来。

教师总结本节内容，学生完成思维导图的学案

8 教学反思

利用打印的DNA平面结构示意图，让学生模拟体验限制酶和DNA连接酶作用的过程，这是一个物理模型建构的过程，参与度高，并借助希沃白板教学助手的优点，即时把课堂小活动的过程投屏到大屏幕上，学生可以及时地检测活动内容的正确与否，体验深刻，但是活动的时间把握有待进一步摸索。

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