基因工程的基本工具教学设计高二下学期生物人教版选择性必修3

基因工程的基本工具教学设计学情分析“基因工程的基本工具”是高中生物学选择性必修3生物技术与工程》第三章第一节的内容。学生在之前的学习中已经对基因的本质和结构有了一定的了解,具备相应的知识基础。本节课的重难点是理解三种微观“分子工具”的作用机制。设计思路主线式情境不仅可以激发学生的探究热情,还可以把知识的构建融合在情境的发展之中。因此,本节课的教学设计侧重于让学生在主线式问题情境中,通过活动自主生成次位概念,为重要概念和大概念的构建莫定基础。具体设计思路如图1所示。教学目标(1)通过分析重组大肠杆菌生产人胰岛素的流程,阐明基因工程的实现需要依赖于限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具。(2)通过构建重组质粒的物理模型,在实践活动过程中,归纳概括基因工程所需的三种基本工具的特点及作用机制。(3)通过逻辑推理发现构建重组质粒过程中存在的问题,并结合材料分析,创造性地提出改造质粒的方案以解决问题;能够在小组合作中,分析现有构建重组质粒方案的不足之处,通过对比分析选择出最佳方案。(4)通过学习胰岛素生产流程,形成健康文明的生活方式,能够向他人宣传关爱生命的观念和知识。教学过程1.基于事实,激发思考教师展示血糖测量仪检测血糖的功能,引发学生对糖尿病这一健康问题的关注。随后,教师介绍从动物胰腺提取胰岛素产量低、成本高的现状，引发学生思考大量获取胰岛素的方法。接着,教师呈现事实资料1:1978年,美国科学家使用重组大肠杆菌生产出人胰岛素,这是世界上第一个上市的基因工程药物。教师据此提出问题:怎样获得生产人胰岛素的大肠杆菌?设计意图:教师通过血糖测量仪,引导学生从实际生活出发,了解糖尿病对人类健康生活的影响,明确胰岛素在糖尿病治疗中的重要意义,进而激发学生的求知欲望,自然引入本节课的学习内容。2.问题驱动,活动探究2.1设计方案,构建概念教师阐述事实资料2(人胰岛素基因是具有遗传效应的DNA片段),并展示DNA分子的平面结构意图。在此基础上,教师创设子问题情境1:怎样获得含有人胰岛素基因的DNA片段?随后,教师展示限制性内切核酸酶(简称“限制酶”)EcoRI的作用过程动图,并补充四种限制酶的识别序列与酶切位点。基于此,教师提出以下问题:①限制酶破坏的是什么化学键?②不同限制酶的识别序列有何特点?③限制酶剪切产生的末端种类有哪些?学生通过分析资料,并以小组为单位进行讨论总结,进而得出结论:限制酶能够识别特定的DNA序列,并作用于特定部位的磷酸二酯键,利用限制酶作用于DNA片段的磷酸二酯键可获取人胰岛素基因。教师引导学生开展学生活动1:利用限制酶获取人胰岛素基因。学生根据已知的限制酶识别序列和切割位点,用剪刀模拟限制酶的作用,对模拟携带人胰岛素基因DNA分子的卡纸进行剪切(见图2),从而获取卡纸上的“人胰岛素基因”片段。两种获取人胰岛素基因的方案:①使用一种限制酶EcoRI切割DNA分子;②使用两种限制酶EcoRl和EcoRV切割DNA。设计意图:学生运用已有知识,通过分析资料理解限制酶的作用和特点。随后,学生通过模拟实验抽象的知识具象化,直观体会限制酶在基因工程中的重要作用,明确其作为基因工程基本工具的重要地位2.2完善方案,应用概念导入大肠杆菌的DNA片段通常难以复制且易降解,基于此,教师创建子问题情境2:怎样确保导入大肠杆菌的人胰岛素基因稳定存在并遗传?随后,教师展示事实资料3:科恩(S.Cohen)和博耶(H.W.Boyer)将外源DNA插入细菌质粒,并在大肠杆菌中稳定表达。接着,教师引导学生理解基因工程需要载体作为第二种工具,用于携带外源DNA分子进入受体细胞,而质粒是常见的载体。最后,教师展示两种质粒的示意图(见图3),并提出以下问题:①哪种质粒更适合作为之前获取的人胰岛素基因的载体?为什么?②环状重组质粒形成时,需要合成的化学键是什么?质粒导入大肠杆菌的成功率并非100%。教师据此创设子问题情境3:怎样改造质粒?如何筛选出导入质粒的大肠杆菌?随后,教师展示事实资料4:氨苄青霉素是一种抗生素,能够杀死大肠杆菌,而转入氨苄青霉素抗性基因的大肠杆菌可以抵抗氨苄青霉素的作用，学生通过分析资料,理解基因工程还需要载体和DNA连接酶这两种基本工具,提出两种获得重组质粒的方案:①使用一种限制酶EcoRI切割质粒得重组质粒1;②使用两种限制酶EcoRI和EcoRV切割质粒后获得重组质粒2。通过设计和改造质粒2的方案,学生归纳出质粒作为载体的基本条件,认识到基因工程中所使用的质粒通常需要经过人工改造。教师引导学生开展学生活动2:构建重组质粒学生依据之前获得的“人胰岛素基因”,利用剪刀模拟限制酶的作用,对环形卡纸进行剪切,获取“被切割的载体质粒”,再用订书机模拟DNA连接酶的作用,获取“重组质粒”。设计意图:学生通过改造质粒2的过程完善制备重组大肠杆菌的方案,进而自主归纳质粒作为载体的条件,理解基因工程需要对天然质粒进行改造通过模型构建,学生将两种不同的重组质粒具象化直观感受限制酶、载体、DNA连接酶在基因工程中的具体作用。在此过程中,学生能够形成重要概念“5.1基因工程是一种重组DNA技术”。2.3反思方案,理解概教师展示事实资料5:在含有多个人胰岛素基因和多个质粒的混合液中,DNA连接酶可随机连接两个具有互补黏性末端或平末端的DNA片段。教师创设子问题情境4:不同反应体系中,分别会出现哪些其他的连接结果?教师据此引导学生开展学生活动3:DNA连接酶随机连接两个具有互补黏性末端平末端的片段。学生在暗箱中随机抽取两个“DNA片段”卡纸,若黏性末端互补或同为平末端,则用订书机模拟DNA连接酶的作用将其连接起来。之后，教师引导学生进行学生活动4:根据模型构建的结果,以小组为单位讨论并选择构建重组质粒的最佳方案,同时阐述理由。学生对构建的“重组质粒”进行仔细观察,自主归纳得出:使用两种限制酶EcoRl和EcoRV获取/胰岛素基因并处理质粒获取重组质粒的方案更为理想。这一方案能够在含有多个人胰岛素基因、多个质粒及DNA连接酶的混合液中,有效防止质粒和人胰岛素基因的自身环化以及目的基因与载体的反向连接。设计意图:教师通过阐述事实,引发学生的认知冲突,促使学生思考可能产生的其他连接产物。通过模型构建和小组讨论,学生能够直观地理解双切法的优点。在选择构建生产人胰岛素的大肠杆菌的最佳方案的过程中,学生能够体会到基因工程这一现代生物技术在实际应用中可能面临的问题,并尝试提出解决方案,从而培养社会责任意识。教学反思教师通过“怎样获得生产人胰岛素的大肠杆菌”这一主线问题创设情境,促使学生设计生产人胰岛素的大肠杆菌的方案。教师通过四个不同的子问题情境,发展学生的科学思维能力,让学生在分析材料、解决问题的过程中,逐步完善生产流程;同时结合四个学生活动,发展学生的科学探究能力;通过将抽象知识具象化帮助学生体会三种工具的作