选择性必修三 生物技术与工程 · 模块三 基因工程 · 教学设计：基因工程基本操作程序（高中二年级下学期）

选择性必修三生物技术与工程·模块三基因工程·教学设计：基因工程基本操作程序（高中二年级下学期）

  一、课标依据与核心素养指向分析

  本教学设计严格依据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中“模块3：生物技术与工程”的内容要求与学业要求。课程内容聚焦于“基因工程赋予生物新的遗传特性”、“基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定”等关键概念。在教学过程中，致力于发展学生的生物学学科核心素养：通过剖析基因工程操作流程的内在逻辑与关键技术，深化对“生命观念”中“信息观”与“结构与功能观”的理解；通过模拟方案设计、文献研读、批判性讨论真实案例，锤炼“科学思维”中的归纳与概括、模型与建模、批判性思维等能力；通过亲历“发现问题-提出方案-评估优化”的探究过程，体验科学家解决复杂问题的思路与方法，提升“科学探究”的实践能力；通过探讨基因技术在疾病治疗、农业生产、环境保护等领域的应用及其引发的伦理与社会议题，增强学生的社会责任感，即“社会责任”。

  二、学情诊断与教学起点定位

  教学对象为高中二年级下学期学生。经过高中必修课程的学习，学生已具备以下知识基础与认知特点：其一，掌握了DNA的结构与功能、基因的本质、中心法则、遗传的基本规律等分子生物学与遗传学核心概念，为本单元理解基因操作的理论基础提供了可能。其二，在必修模块中接触过转基因生物实例（如抗虫棉），对基因工程的应用价值有初步的感性认识，存在强烈的探究其“如何实现”的内在动机。其三，具备一定的信息提取能力、逻辑推理能力和小组合作学习经验。然而，学生可能面临的认知挑战在于：基因工程的操作流程环节多、技术细节抽象、涉及大量专业术语（如限制酶、DNA连接酶、载体、标记基因等），容易产生畏难情绪并陷入机械记忆；对各操作环节之间的内在逻辑联系及其设计原理的理解可能存在困难；对技术背后的科学思想（如“工具”思想、“组装”思想）领悟不深。因此，本教学设计的起点定位为：以真实、复杂的应用情境为锚点，以核心问题为驱动，引导学生从“为何需要此步骤”的元认知层面出发，通过构建概念模型、进行方案比较与优化等活动，将零散的技术知识点串联成逻辑清晰、意义完整的操作程序图式，从而达成深度学习。

  三、教学目标

  （一）知识与技能

  1.能够准确阐述基因工程基本操作程序的四个核心步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。

  2.能说明PCR技术、化学合成法、从基因文库中获取目的基因的原理与适用情境；解释限制性核酸内切酶、DNA连接酶的作用特点及在载体构建中的应用；概述农杆菌转化法、显微注射法、Ca²⁺处理法等常用导入方法的原理与受体细胞类型。

  3.能区分DNA水平检测（如PCR、分子杂交）与个体生物学水平鉴定（如抗性鉴定、性状观察）的方法与意义。

  （二）过程与方法

  1.通过分析“人胰岛素基因在大肠杆菌中表达”的经典案例，初步学习从复杂信息中提炼技术路径的科学方法。

  2.经历“设计简易基因操作方案”的建模过程，体验将理论知识转化为解决方案的工程学思维。

  3.在小组讨论与方案互评中，锻炼基于证据进行逻辑论证和批判性评价的能力。

  （三）情感态度与价值观

  1.认同基因工程基本操作程序中蕴含的系统性、严谨性与创造性，体会科学技术的强大力量。

  2.通过了解我国科学家在基因工程领域的重要贡献（如人工合成胰岛素、抗虫棉研发），增强民族自豪感与科技自信。

  3.初步形成对基因技术应用进行理性审视的意识，关注其发展可能带来的社会影响。

  四、教学重难点

  （一）教学重点

  1.基因工程基本操作程序四个步骤的具体内容、常用方法及其生物学原理。

  2.基因表达载体的组成元件（启动子、终止子、标记基因、原点等）及其功能。

  （二）教学难点

  1.理解各操作步骤之间的内在逻辑关联性与序列不可逆性，构建完整的程序化思维模型。

  2.理解并应用限制酶切割产生不同末端（黏性末端、平末端）以及其对后续连接效率的影响。

  3.根据不同的目的基因、受体细胞和应用目标，初步学会选择和组合不同的技术方法。

  五、教学准备

  （一）教师准备

  1.多媒体课件：包含关键知识动画（如PCR过程、载体构建过程）、经典案例图文资料、概念辨析图表等。

  2.学习任务单（导学案）：设计递进式探究问题链、案例分析与方案设计活动。

  3.教学素材：重组人胰岛素生产流程图、Ti质粒结构示意图、不同限制酶识别序列及切割结果对比表、我国科学家在基因工程领域成就的新闻报道摘要等。

  4.实物或模型：DNA双螺旋结构模型、质粒DNA环状模型（可拆分演示切割与连接）。

  （二）学生准备

  1.复习必修二《遗传与进化》中有关DNA、基因表达的内容。

  2.预习教材本节内容，初步了解四个步骤的名称，记录预习中的疑问。

  3.分组（4-6人一组），明确小组合作学习任务。

  六、教学过程设计

  本教学采用“情境-问题-探究-应用-评价”的递进式教学模式，计划用三个课时完成。

  第一课时：初识蓝图——从现实需求到技术路径的转化

  （一）创设情境，激疑引思（预计时间：10分钟）

  1.情境导入：播放简短视频，展示糖尿病患者需定期注射胰岛素的情景，并呈现一组数据：传统从动物胰腺提取胰岛素成本高昂、产量有限且可能引发过敏反应。提问：“能否让细菌这类微生物工厂，为我们廉价、大批量地生产人胰岛素？”

  2.问题链驱动：

  *核心问题：如何让一个细菌听话地生产出它原本不会合成的人胰岛素蛋白？

  *子问题1：细菌生产人胰岛素，最根本需要什么？（引导得出：需要将人胰岛素基因“送”进细菌细胞。）

  *子问题2：直接把人细胞里的胰岛素基因提取出来，放入细菌细胞，就能成功吗？可能会遇到哪些“技术障碍”？（学生基于已有知识可能提出：基因如何取出？如何进入细菌？进入后如何稳定存在并表达？）

  3.引出课题：科学家们通过一套精巧的“基因工程基本操作程序”解决了这些难题。今天我们就要像基因工程师一样，来解码和设计这套程序。首先，我们从整体上把握它的技术蓝图。

  （二）整体感知，构建框架（预计时间：20分钟）

  1.案例初探：提供关于“利用大肠杆菌生产人胰岛素”的简化版文字资料。学生以小组为单位，阅读资料，尝试找出资料中描述的、为达到目标所采取的几个关键阶段性行动。

  2.交流归纳：各小组汇报提取的关键词或短语。教师引导学生对杂乱的行动描述进行分类、排序和提炼。通过师生对话，共同归纳出四个核心步骤的命名：获取目的基因（人胰岛素基因）→构建基因表达载体（将基因“装配”到合适的“运输工具”上）→导入受体细胞（将“装配体”送入大肠杆菌）→检测与鉴定（检查大肠杆菌是否真的开始生产胰岛素）。

  3.框架呈现：教师以流程图形式板书四个步骤，强调其顺序性和循环反馈特性（检测不成功需回溯前面步骤）。明确本节课重点探究前两个步骤。

  （三）聚焦探究一：目的基因的获取——“寻的”有术（预计时间：15分钟）

  1.提出问题：什么是目的基因？获取目的基因是第一步，为什么？（明确目的基因的定义及其作为操作“靶标”的核心地位。）

  2.方法探究：呈现三种主要获取方法的名称：从基因文库中获取、利用PCR技术扩增、通过DNA合成仪用化学方法直接合成。不直接讲解原理，而是设置三个微型情境任务，供不同小组选择探究：

  *任务A（对应基因文库）：已知某植物的抗盐碱性状由一个未知基因控制，如何找到这个基因？

  *任务B（对应PCR）：已知人胰岛素基因的DNA序列，且已有少量该基因的DNA片段，如何在体外快速获得大量拷贝？

  *任务C（对应化学合成）：已知某种多肽的氨基酸序列，且该基因较短，如何快速获得其编码基因？

  3.小组探究与汇报：各组结合教材与教师提供的补充资料（如图文库筛选示意图、PCR原理动画截图、DNA合成仪简介），讨论其方法的原理、关键“工具”和适用条件。随后进行全班汇报交流。

  4.教师精讲与总结：在学生汇报基础上，教师利用动画深入讲解PCR技术的原理（变性、退火、延伸三步骤循环）及其核心要素（引物、Taq酶、模板DNA、脱氧核苷酸）；对比说明基因文库如同“基因仓库”，而PCR和化学合成则是“按需定制”或“精准”。总结选择方法时需考虑的因素：已知信息（序列已知否）、基因大小、时间与成本等。

  （四）课堂小结与布置任务（预计时间：5分钟）

  1.小结：回顾基因工程操作程序的整体框架和第一步“获取目的基因”的三种主要方法及其选择策略。

  2.布置课后探究任务：思考——即使我们成功获取了目的基因，为什么不能将其“裸”直接导入受体细胞？请查阅资料，了解“基因表达载体”通常包含哪些部分，各自有何作用？

  第二课时：精工巧艺——载体的构建与导入

  （一）复习旧知，承上启下（预计时间：8分钟）

  1.快速回顾：通过提问方式回顾上节课内容：基因工程的基本步骤有哪些？获取目的基因有哪些方法？PCR技术的关键是什么？

  2.引出新问题：展示课前学生关于“裸基因”导入疑问的统计。提问：直接导入的“裸基因”可能在受体细胞中面临哪些命运？（引导学生推测：被降解、无法、无法转录翻译等。）从而自然引出“载体”的必要性——它不仅是“运输工具”，更是目的基因在受体细胞中“安家落户”并“发挥作用”的保障。

  （二）深度探究二：基因表达载体的构建——“舟车”之智（预计时间：25分钟）

  1.载体初识：展示典型的质粒载体图谱，让学生观察其结构特点（环状DNA、有多个功能区域）。提问：一个合格的载体，需要具备哪些“功能模块”才能完成它的使命？

  2.元件功能探究：采用“结构-功能”分析法，逐一探究载体各核心元件：

  *原点（Ori）：类比“启动开关”。没有它，载体无法在受体细胞中，目的基因会随着细胞分裂而丢失。

  *目的基因插入位点（多克隆位点）：展示该区域含有多种限制酶的单一识别序列。提出问题：为什么需要多种不同的限制酶识别位点？（为后续选择不同的限制酶切割提供灵活性，是“分子手术刀”的“手术台”。）

  *启动子与终止子：回顾必修二中转录起始与终止的知识。强调启动子如同“开关”，决定了基因在何时、何地、以何种强度“开启”转录。提问：让细菌生产人胰岛素，应该选择什么样的启动子？（细菌能识别的启动子。）这是体现“表达”调控的关键。

  *标记基因：通常为抗生素抗性基因。设置思考：如何在成千上万个受体细胞中，找出那些成功导入了载体的极少数细胞？标记基因起到了“筛选标签”的作用。

  3.关键难点突破：限制酶与DNA连接酶的作用：

  *模拟活动：分发印有特定限制酶（如EcoRI）识别序列的DNA纸条和“质粒”纸环。让学生模拟切割，观察产生的“黏性末端”。对比另一种产生平末端的限制酶（如SmaI）。

  *原理探究：为什么通常选用产生相同黏性末端的限制酶分别切割目的基因和载体？展示黏性末端之间碱基互补配对示意图，解释这种“互补黏合”能提高连接效率与方向准确性。而平末端连接效率较低。

  *角色扮演：请学生分别扮演“限制酶”（负责精准切割）和“DNA连接酶”（负责缝合缺口，形成磷酸二酯键），描述自己的“工作职责”。

  4.构建流程小结：师生共同用语言描述载体构建过程：用同种限制酶切割目的基因和载体→利用DNA连接酶将两者连接→形成重组DNA分子（重组质粒）。

  （三）探究三：将目的基因导入受体细胞——“跨界”输送（预计时间：12分钟）

  1.问题过渡：重组载体构建完毕，如何将其送入受体细胞？不同的“乘客”（重组载体）和不同的“目的地”（受体细胞），可能需要不同的“运送方式”。

  2.方法比较学习：呈现三种主要导入方法：Ca²⁺处理法（用于微生物如大肠杆菌）、显微注射法（用于动物受精卵）、农杆菌转化法（用于双子叶植物）。学生阅读教材相关段落，完成表格填空（方法名称、原理简述、主要受体细胞类型）。

  3.难点聚焦——农杆菌转化法：播放农杆菌侵染植物伤口过程的微观动画。重点讲解Ti质粒上的T-DNA区域能够“自动”转移并整合到植物染色体上的特性。强调基因工程师正是“借用”了自然界存在的这种机制，将目的基因插入到T-DNA区，从而利用农杆菌作为“生物注射器”。

  4.讨论：为什么动物细胞常用物理方法（显微注射），而植物常用生物方法（农杆菌）？引导学生从细胞结构（细胞壁的有无）和天然存在机制的角度思考。

  （四）本课总结与衔接（预计时间：5分钟）

  1.总结：强调载体构建是基因工程的核心环节，其设计体现了高度的精巧性与目的性；导入方法的选择则体现了对生物体固有特性的理解和利用。

  2.衔接：载体成功导入，是否就意味着大功告成？下一步我们必须进行严格的“质量验收”，即检测与鉴定。

  第三课时：明察秋毫——检测鉴定与综合应用

  （一）导入新课，明确任务（预计时间：5分钟）

  回顾前两课时内容，用流程图串联“获取→构建→导入”。提出问题：成百上千个受体细胞接受了重组载体的“访问”，我们如何知道哪些细胞真正接纳了它？即便接纳了，目的基因是否成功表达了？引出最后一步，也是验证工程成败的关键步骤——目的基因的检测与鉴定。

  （二）探究四：目的基因的检测与鉴定——“验收”之道（预计时间：25分钟）

  1.层次化学习：明确检测与鉴定是分层次、由分子到个体逐步深入的。

  2.第一层次：DNA水平检测——是否“入住”？

  *方法一：核酸分子杂交（DNA探针技术）。这是教学难点。采用类比法讲解：将转基因生物细胞的DNA提取出来，变性为单链，固定在膜上。用放射性或荧光标记的、与目的基因序列互补的单链DNA片段作为“侦探”（探针）。如果膜上有目的基因，探针就会通过碱基互补配对找到它并结合，通过检测信号即可确认。播放原理示意图动画。

  *方法二：PCR技术。引导学生利用已学知识思考：如何用PCR来检测？强调需要针对目的基因设计特异性引物。如果能扩增出特定长度的片段，则初步证明目的基因存在。

  3.第二层次：mRNA水平检测——是否“阅读”？

  *讲解原理：提取细胞总RNA，反转录后利用针对目的基因的探针进行杂交（Northernblot），或采用定量PCR，可以检测目的基因是否转录出了mRNA。这比DNA检测更进一步，说明基因“活”了，被细胞“阅读”了。

  4.第三层次：蛋白质水平检测——是否“产出”？

  *方法：抗原-抗体杂交（Westernblot）。继续用类比：如果目的基因成功表达出蛋白质，我们可以利用该蛋白质的特异性抗体（如同“特制钥匙”）去“寻找”它。如果结合并显色，则证明有目标蛋白质产生。

  5.第四层次：个体生物学水平鉴定——是否“有用”？

  *强调这是最终、最直接的证据。举例：抗虫棉植株是否真的能抵抗棉铃虫的取食？转入抗除草剂基因的作物是否能在喷洒除草剂后存活？需要在大田或模拟环境中进行实际性状观察和功能测试。

  6.小结关系：强调这四个层次是从“有无”到“功能”的递进验证，共同构成严密的证据链，确保基因工程产品的可靠性。

  （三）综合应用与能力提升（预计时间：12分钟）

  1.案例综合分析：回到第一课时的“人胰岛素生产”案例，提供更详细的技术资料片段。要求学生以小组为单位，根据资料片段，识别并标注出其中应用了哪些本节课所学的具体技术方法（如：用PCR获取基因、用某种限制酶切割、用Ca²⁺法导入、用抗原抗体杂交鉴定产品等），并说明每一步骤的目的。

  2.方案设计挑战：呈现一个新情境：“某热带水果风味独特，但极易腐烂。科学家发现一种北极鱼的抗冻蛋白基因可能有助于提高其耐寒贮藏性。请你为将该抗冻蛋白基因转入此水果植株，设计一个简要的技术路线提纲。”要求各小组讨论，运用四步程序框架，合理选择或推断每个步骤可能采用的技术方法（如：从鱼基因组文库中钓取或根据已知序列化学合成；构建植物表达载体，可能用到农杆菌Ti质粒改造；用农杆菌转化法导入；如何从分子到个体水平进行鉴定？）。

  3.小组展示与互评：选取1-2个小组展示设计方案，其他小组从步骤完整性、方法选择的合理性、逻辑严密性等方面进行点评和补充。

  （四）课堂总结、情感升华与作业布置（预计时间：8分钟）

  1.知识体系建构：师生共同完成一幅完整的、包含方法分支和逻辑箭头的关系图（思维导图），将基因工程基本操作程序立体化、网络化。

  2.情感态度升华：

  *展示我国在基因工程领域从人工合成结晶胰岛素到自主研发抗虫棉、到CRISPR基因编辑技术应用的系列成就图片与简短介绍，激发学生的民族自豪感和投身科学事业的志向。

  *提出开放性问题：基因技术如此强大，我们该如何负责任地发展和应用它？引导学生思考科技伦理、生物安全、知识产权等问题，播下理性、负责任地看待科技的种子。

  3.分层作业布置：

  *基础性作业：完成教材课后练习题，梳理本节知识提纲。

  *拓展性作业（二选一）：

  a)撰写一篇小短文，以“一种基因工程产品的诞生记”为题，选择一种熟悉的转基因产品（如胰岛素、抗虫棉、转基因番茄等），用通俗语言介绍其生产过程。

  b)查阅资料，了解“黄金大米”研发中所涉及的基因工程操作流程，并就此产品的潜在价值与争议，形成自己的简要观点报告。

  七、板书设计（动态生成）

  左侧主板书区以流程图形式动态生成：

  基因工程基本操作程序

  【现实需求】（如：生产人胰岛素）

  ↓

  1.目的基因的获取

  （方法库：基因文库/PCR/化学合成）

  ↓

  2.构建基因表达载体（核心）

  （元件：启动子+终止子+目的基因+标记基因+原点）

  （工具酶：限制酶→精准切割；DNA连接酶→缝合）

  ↓

  3.导入受体细胞

  （方法：Ca²⁺法/农杆菌法/显微注射法）

  ↓

  4.检测与鉴定

  （层次：DNA→mRNA→蛋白质→个体性状）

  ↓

  【目标实现】（产品：人胰岛素）

  右侧副板书区用于：

  *记录学生提出的关键问题。

  *绘制关键原理示意图（如限制酶切割产生黏性末端）。

  *呈现比较表格（如不同导入方法比较）。

  八、教学评价设计

  （一）过程性评价