科技探索之路基礎理論和技術的發(fā)展催生了基因工程(2)

1、專題 1 基因工程本專題教材分析一、 教學目的要求知識方面1. 簡述基礎理論研究和技術進步催生了基因工程。2. 簡述基因工程的原理及技術。3. 舉例說出基因工程的應用。4. 簡述蛋白質工程。情感態(tài)度與價值觀方面1. 關注基因工程的發(fā)展。2. 認同基因工程的應用促進生產(chǎn)力的提高。能力方面1. 運用所學 DNA 重組技術的知識，模擬制作重組 DNA 模型。2. 嘗試運用基因工程原理，提出解決某一實際問題的方案。3. 通過討論、進展追蹤等活動，提高收集資料、處理資料、撰寫專題綜述報告的能力。基因工程屬于生物科技前沿的內容， 這一專題的教學， 首先要考慮基礎性。 高中階段的 教學不是培養(yǎng)專家， 而是要

2、全面提高學生的科學素養(yǎng)， 因此， 著力點應瞄準對學生的發(fā)展起 根本作用的知識、能力、思想情感上。忽視了這一點，而一味追求知識的深和透，就會本末 倒置，影響學生的全面發(fā)展。本專題教學的另一個重要原則就是要在學生原有的知識、 經(jīng)驗基礎上提升。 違背了漸進 性，易使學生認為“基因工程難學”而產(chǎn)生“危乎高哉”的想法，望而卻步。緊密聯(lián)系學生 已有的經(jīng)驗、 生活閱歷， 盡量緊密聯(lián)系必修課中的基礎知識， 一步步引領學生登上這一科技 前沿的舞臺，學生們才會心馳神往地投入到學習中來。在學習本專題內容時， 不能忽視知識與能力、 情感態(tài)度與價值觀的有機結合。 情感態(tài)度 與價值觀是學習的動力， 要利用國際上重大科技成

3、果的素材， 開闊學生的視野， 增強他們奮 發(fā)圖強的緊迫感； 利用國內重大科技成果的素材， 培養(yǎng)他們自強不息的民族精神， 從而喚起 他們學習的積極性。二、 教學內容的結構和特點（一）教學內容的特點本專題的內容由題圖、 科技探索之路和四節(jié)內容構成。 題圖為學習者創(chuàng)設了一個意境。 沃森和克里克對 DNA 雙螺旋結構的重大發(fā)現(xiàn)和隨后的 技術創(chuàng)新孕育了基因工程。 在復制的 DNA 雙螺旋結構上展示的轉基因工程菌、 牛、羊、魚、 番茄、甜椒、牽牛等，代表了基因工程在三個重要方面的研究成果：轉基因微生物、轉基因 動物和轉基因植物。在上述畫面的基礎上，點出基因工程的主題： “基因工程是按照人們的 愿望，進行嚴

4、格的設計，通過體外 DNA 重組和轉基因技術，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng) 造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。 ”此題圖不僅寓意深刻，且十分生動?？萍继剿髦坊A理論和技術的發(fā)展催生了基因工程是正文的前奏曲。 沒有基礎理論的研究成果，沒有技術方面的創(chuàng)新發(fā)明，基因工程不可能誕生，也不可能迅速崛起。 其內容分兩部分： 一部分介紹基礎理論研究成果， 一部分介紹在技術層面上發(fā)明的各種操作 手段。 編者精選這些最重要的成果， 其目的是使學生從科技史實中， 感悟創(chuàng)新是科學技術發(fā) 展的不竭動力。專題 1基因工程本專題參考學時為 7課時， 其中第一節(jié) DNA 重組技術的基本工具 2 課時；第二節(jié)基因工

5、程的基本操作程序 2 課時；第三節(jié)基因工程的應用 2課時；第 四節(jié)蛋白質工程的崛起 1 課時。對本專題的特點分析如下。1. 縱觀全章內容 折射創(chuàng)新與發(fā)展的光輝縱觀本章科技探索之路和四節(jié)內容， 鮮明揭示出理論創(chuàng)新、 技術進步是促進基因工程問 世和迅猛發(fā)展的主導因素。例如，在科技探索之路中，有關基礎理論研究，相關操作工 具的發(fā)現(xiàn)，催生了基因工程。在基因工程的基本操作程序中，PCR 基因擴增技術的發(fā)明，又將基因工程提升到一個新階段。 由于基因導入方法的不斷創(chuàng)新和完善， 使基因工程技 術在微生物、植物、動物領域碩果累累。在基因工程的應用中，不僅可以看到轉基因技 術在微生物、植物、 動物中的應用， 而且

6、看到這項技術已經(jīng)發(fā)展到基因工程藥物治療、 基因 治療等醫(yī)藥衛(wèi)生領域。在蛋白質工程的崛起中，描述基因工程雖然碩果累累，但仍滿足 不了日益發(fā)展的生活、 生產(chǎn)的更多要求，從而崛起了第二代基因工程蛋白質工程?；蚬こ虖恼Q生到現(xiàn)在， 時間雖短， 但包括的內容已折射出人類不斷開拓創(chuàng)新、 不斷尋求發(fā)展的 精神光輝。2. 透視字里行間一一體現(xiàn)“科學、技術、社會（STS）”教育思想在科技探索之路一一 基礎理論和技術的發(fā)展催生了基因工程中，以精選的史實，說 明了科學和技術的關系。在 DNA 重組技術的基本工具中， “工欲善其事，必先利其器”又一次說明科學和技術是一對孿生兄弟。 在基因工程的基本操作程序中，目的基因

7、獲取 等一系列步驟，把社會需求、基礎理論和先進技術融合在一起。在基因工程的應用中， 社會的需求推動著科學技術的迅猛發(fā)展； 基因工程的迅猛發(fā)展， 促進了社會的不斷進步。 而 蛋白質工程的崛起一節(jié)說明，社會的更高需求召喚著科學、技術的再創(chuàng)新一一第二代基 因工程的崛起。3. 感悟呈現(xiàn)方式一一體現(xiàn)“簡約、形象、誘思”原則 由于基因工程內容上的“高”與“新” ，處理不好，會提高學習難度，令學生視高科技 為畏途，致使教學流于形式，為此，教材的編寫采用簡化手法，化復雜為簡約。在科技探索 之路中，摘其基礎理論和技術創(chuàng)新中主要內容呈現(xiàn)給學生，在DNA重組技術的基本工具中摘其基本工具介紹給學生。在基因工程的基本操

8、作程序和基因工程的應用中，呈 現(xiàn)主干，割舍枝杈，將非主干內容以資料卡、拓展視野等方法呈現(xiàn)，做到有主有次。對于基因工程， 學生接觸得少， 為此，教學內容的另一種呈現(xiàn)方式是形象化。在文字描 述感到抽象時，課文中都配以插圖，力爭圖文并茂。對課文中難以理解的名詞、概念，通過 打比方，使其“形象化” 。例如，基因文庫中把基因組文庫比作國家圖書館，而把 cDNA 文 庫比作某市圖書館，這樣便于學生理解和掌握?！昂喖s”和“形象”不是為了降低學生智力參與的力度，恰恰相反，“簡約”給學生留有了思維的時間和空間。 “形象”為學生左右腦協(xié)同思考創(chuàng)設了情境。為此，在本章教學內 容中，結合圖文，都提出了一些相應的問題，

9、誘導學生思考，從而把學習的注意力，從簡單 的死記硬背引導到分析、 批判、 創(chuàng)新等有利于學生終身發(fā)展的能力上來。例如，在模擬制作 中，通過提出問題，引導學生進一步思考特定限制酶的功能、DNA 連接酶的作用位點。又如，在學習限制酶時，提出“限制酶在原核生物中的作用”的問題，是為學生創(chuàng)設一個問題 情境，從而為深入理解限制酶在生物體中的作用打開思路。（二）教學內容的結構科技探索之路一一基礎理論和技術的發(fā)展催生了基因工程堆審匸出嚴源I®制性按族向切醉"作用【結來分英佯用DNAfS接騰常用栽休，師盡因進人受體細煦的戟體玻猿的詼件【其他載休 f圣國細父摩d)NA文暉從幫因文庠中猶恥的基囚

10、的就跟彳人工合成睜理 利用技村戒大僉過程椅建冃的 構建常拌及其作用r ,"十» f J農(nóng)桿曲轉化醫(yī) 辱人粗物細電方法!他方法導人勸物細施方?。猴@橄注射屣術 G人徽唆翎細胞方法，仆子水平的検伺F1的啊的臨強叭你牛瞬時晚定 領蟲轉菇因棟物 抜病轉JEPU#勒 抗逆 k裁良撾物品質從離訥樹生長速度改薦齋產(chǎn)品戍粧 生產(chǎn)垮物 SSSSff移植供休G岡治療孫白質1：程的8盤供白質工程的華本原理輩因表達栽諱的構理業(yè)本操作程序丿日的爆憫諭人受祥厠昶轉忒戻動物"!世白噴工程與學生經(jīng)驗的聯(lián)系報刊、雜志、廣播、電視等媒體都有基因工程技術的介紹。高中學生已經(jīng)或多或少了解一些基因工程的內容

11、， 知道人的生長激素基因可在鯉魚中表達， 使鯉魚生長迅速； 知道寒冷 水域中魚的抗寒基因可在植物中表達，從而培育出抗寒性能高的植物由于基因工程的誕生，實現(xiàn)了在微生物、動物、植物之間的基因交流，人類以前不能實現(xiàn)的種種奇思妙想將變 為現(xiàn)實。 在現(xiàn)實生活中， 轉基因生物也來到了人們的身邊： 超市中擺放著轉基因大豆榨出的 油；大田里種植了轉基因的抗蟲棉；藥品商店出售著轉基因微生物生產(chǎn)的胰島素可以說， 以上內容都是學生學習新知識可聯(lián)系的經(jīng)驗。還有一些必修課中學習過的知識可作為學習新知識的鋪墊。在學習限制酶與 DNA 連接酶時，可與必修本中有關 DNA 結構的知識緊密聯(lián)系。有了 DNA 結構的基礎知識，才

12、能較好地理解這兩種酶的功能。在學習目的基因檢測時，可與必修本中 DNA 指導蛋白質合成的過程聯(lián)系。這樣學生才 能理解， 為什么要在三個層次上檢測： 檢測轉基因生物是否插入了目的基因； 檢測目的 基因是否轉錄出 mRNA :檢測目的基因是否翻譯成蛋白質。在學習基因組文庫時， 可聯(lián)系必修本中人類基因組計劃的內容， 從而獲得一些感性認識。 而在學習 cDNA 文庫時，聯(lián)系 DNA 轉錄的有關知識：獲得 mRNA 后，以它為模板，反轉 錄則可獲一條 DNA 單鏈，再以單鏈為模板合成雙鏈 DNA。在學習 PCR 擴增技術時，可聯(lián)系必修本中的 DNA 復制的內容。 在學習基因工程的應用一節(jié)時， 應鼓勵學生

13、主動聯(lián)系當?shù)厣a(chǎn)、 生活中的具體事例， 引 導學生思考用基因工程的方法解決實際問題。四、 與其他專題的聯(lián)系本專題多數(shù)內容都與其他專題有緊密的聯(lián)系。 關于轉基因生物， 在學習技術知識的基礎 上應引導學生主動學習生物技術的安全性和倫理問題專題。胚胎工程中有關胚胎移植技術的內容，可使學生對培育轉基因動物有更加透徹的理解。細胞工程中介紹植物細胞培養(yǎng)技術，是目的基因導入植物細胞、 培育轉基因植物的重要環(huán)節(jié)。 另外，學習本專題內 容時，密切關注生態(tài)工程專題中呈現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，思考利用基因工程的方法，解決 生態(tài)環(huán)境問題中常規(guī)技術難以解決的問題。1.1 DNA 重組技術的基本工具教學目標1. 簡述DNA重組

14、技術所需三種基本工具的作用。2. 認同基因工程的誕生和發(fā)展離不開理論研究和技術創(chuàng)新。二、教學重點和難點1. 教學重點DNA重組技術所需的三種基本工具的作用。2. 教學難點基因工程載體需要具備的條件。三、教學過程1. 設置問題情境，引導學生在思索中學習新知識。本節(jié)內容主要是介紹 DNA1組技術的三種基本工具及其作用。 如果我們采用直白、平淡 的方式介紹， 不利于調動學生學習的積極性， 也不利于學生科學素養(yǎng)的全面提高。 應當通過 創(chuàng)設情境，提出問題，誘導學生積極參與教學活動，開啟他們思想的閘門。限制酶一一“分子手術刀”，主要是介紹限制酶的作用，切割后產(chǎn)生的結果?？稍谶M入 這部分內容學習時， 設置學

15、生關心的問題 “限制酶從哪里尋找”， 誘導學生聯(lián)想從前學過的 內容一一噬菌體侵染細菌的實驗， 進而認識細菌等單細胞生物容易受到自然界外源DNA的入侵。那么這類原核生物之所以長期進化而不絕滅， 有何保護機制？進而誘導學生產(chǎn)生 “可能 是有什么酶來切割外源 DNA而使之失效，達到保護自身的目的”。這樣就將書中直白的“這 類酶主要是從原核生物中分離純化出來”的寫法，變成了一個自主探索的思想活動。DNA連接酶一一 DNA片段的“分子縫合針”，寫得比較簡潔。我們可以從原有的知識出 發(fā)，誘發(fā)學生思考，達到辨析、明理的作用。要想連接被切割開的DNA學生根據(jù)從前學過的知識，第一反應就想到“ DNA聚合酶”。學

16、生這種想法的產(chǎn)生是很自然的。但實際上并不 能用這種酶進行 DNA片段的連接。應引領學生分析 DNA聚合酶與DNA連接酶的不同作用， 從 而達到更深層次認識 DNA連接酶的目的?；蜻M入受體細胞的載體一一 “分子運輸車” 的學習內容， 提到作為載體必需的四個條 件。教學不能僅僅著眼于讓學生記住這幾個條件， 而應該通過誘導思索， 明確為什么要有這 四個條件才能充當載體。2. 讓抽象的語言在直觀的插圖中找到注釋，在實際動手中形成正確認識。語言文字具有抽象、概括的特點；插圖等信息媒體，具有形象、直觀的特點，容易被感知和理解， 但抽象、 概括功能差。要想真正理解本節(jié)語言文字中的含義，必須將抽象的語言 文

17、字與形象的插圖等非語言信息媒體有機地結合起來， 做到優(yōu)勢互補。 這樣學生一時琢磨不 透的抽象語言，就能在具體、直觀的插圖中找到注解。抽象的黏性末端、 平末端的敘述以及磷酸二酯鍵的部位， 與直觀的插圖協(xié)同運用， 可使 學生準確地理解切割或連接部位，理解“黏性”的內涵。DNA連接酶是“縫合”磷酸二酯鍵的，在重組DNA過程中到底體現(xiàn)在何處， 結合插圖會易于理解。緊密結合質粒載體結構的模 式圖教學，也將使學生對構建載體條件的有關內容變得容易理解。在模擬制作DNA重組模型時，單純動手剪紙板只能算是手工勞動，而模擬制作是富含科學內涵的動手過程。當拿來剪刀時，首先意識到這是一把 EcoRI的特異剪刀，應去尋

18、找G A A T T C的堿基序列，然后從 G和A之間剪開。當拿來不干膠時，意識到只能黏連磷 酸二酯鍵處，而不能去黏連堿基對處。當出現(xiàn)模擬制作失誤時，也要想想，這在真實情況下可能是什么原因所致。3. 引導學生從基因工程的整體思考問題，解決本節(jié)教學難點。本節(jié)的難點是對載體必須具備條件的分析。 要想解決這個問題， 就事論事的做法不能奏 效。只有將這局部的內容整合到整個基因工程的設計過程中才能理解。例如， 我們選用從霍亂弧菌中的質粒來做載體， 結合基因工程的實際目的來想： 誰敢用它來做受體細胞的載體？ 顯然人們對分離出的基因產(chǎn)物運用后果有顧慮， 從而認清載體必須對細胞無害。 當然這里主 要考慮載體不

19、能有害于受體細胞，影響其生命活動的正常進行。又如， 載體上沒有標記基因， 我們用肉眼又看不到載體是否真正進入， 那么如何鑒定？ 因此只有真正想到實際工作中這方面的困難， 才會明白預先為什么要選具備標記基因的載體。再如，沒有一個和多個切割位點，就不能進行DNA的重組。重組DNA不能復制，就可能丟失。 所以要引導學生， 將一個個的問題置于整體過程中考慮， 這樣才能理解局部的做法是 為了實現(xiàn)整體的目標。1.2 基因工程的基本操作程序教學目標1.簡述基因工程原理及基本操作程序。2.嘗試設計某一轉基因生物的研制過程。二、 教學重點和難點1.教學重點基因工程基本操作程序的四個步驟。2.教學難點（ 1）從基

20、因文庫中獲取目的基因。（ 2）利用 PCR 技術擴增目的基因。三、 教學過程本節(jié)是基因工程專題的核心，上承 DNA 重組技術的基本工具一節(jié)，下接基 因工程的應用 。本節(jié)教學難點多，學生學習有一定的困難，因此采取化整為零、各個擊破 的教學過程。1.加強預習環(huán)節(jié)，先解決為什么要分四個步驟的問題，然后解決每一步驟的技術方法問 題。為了突破難點及培養(yǎng)自學能力， 在上節(jié)課結束時， 可布置學生預習本節(jié)內容。 在上新課 時，首先解決基因工程的基本操作程序為什么要分四個步驟，即分析每一步驟的必要性。為什么要有 “目的基因的獲取” 這一步？引導學生看本專題題圖中基因工程的概念： “基 因工程是指按照人們的愿望，

21、進行嚴格的設計，通過體外 DNA 重組和轉基因等技術，賦予 生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。 ”可以說這既是 概念，也是原理。這里所說的“更符合人們需要” ，就是目的，那么更符合人們需要的那個 基因就是目的基因了。有了目的基因，我們才能賦予一種生物以另一種生物的遺傳特性。為什么要有“表達載體的構建”這一步？單獨的DNA片段目的基因是不能穩(wěn)定遺傳的。課文中談到構建表達載體的目的是為了使目的基因在受體細胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能表達和發(fā)揮作用。為什么要有“目的基因導入受體細胞” 這一步？教材指出含有目的基因的表達載體只有 進入受體細胞，并

22、且維持穩(wěn)定和表達，才能實現(xiàn)一種生物的基因在另一種生物中的轉化。為什么要有“目的基因的檢測與鑒定” 這一步？這是因為目的基因是否真正插入受體細 胞的 DNA 中，是否能夠在受體細胞中穩(wěn)定遺傳和正確表達， 只有通過檢測、 鑒定才能得知。進入每一程序的有關技術和在解決上述為什么基因工程操作程序分四個步驟的基礎上，方法的學習。2.加強教學媒體的運用，解決每一程序中的技術難點。在各個操作程序中都有一些技術和方法層面上的難點不好理解， 成為學生學習過程的攔 路虎。 形象化是解決這一難題的好辦法。 例如，在目的基因獲取的常用方法中有“從基因文 庫中獲得目的基因” 的說法。盡管課文中運用了比喻的方法， 但語言

23、文字仍顯抽象。應盡可 能在教學中編制軟件、繪制投影片或利用掛圖來解決這一難點。讓學生了解有了基因文庫， 就可隨時從中提取所需要的目的基因，引入受體細胞使之表達。而有關 PCR 擴增技術，則 可結合書中插圖，明示出文字中概括出的變性、退火、延伸、多次重復等四個過程。又如，在學習基因表達載體的構建方法時，可結合插圖，說明插入必要的元件目的基因、啟動子、終止子和標記基因的位置及其作用。再如，學習目的基因導入方法時， 可借用目的基因導入植物細胞的方法農(nóng)桿菌轉化 法以及相關的圖，講清具體方法。攻破一點后，再擴展到其他導入方法。3. 通過設計某一轉基因生物，將基因工程的操作程序有機地串聯(lián)起來。本節(jié)學習的基

24、因工程的基本操作程序和方法是對轉基因植物、動物、 微生物的概括。 如果在本課將要結束時， 做個練習， 帶領學生結合設計某一轉基因生物的具體過程， 可將基因 工程操作程序有機地串起來， 從而加深對這一程序的認識。 例如，煙草是人類健康的 “殺手”。 如果讓它生產(chǎn)出人類需要的藥物蛋白， 應如何操作？通過這一實例引導學生結合目的基因從 何而來，表達載體如何構建，如何導入煙草，如何檢測藥物蛋白產(chǎn)生與否等問題加以設計。 可加深學生對基因工程原理的理解。 不同學生會有不同的方法， 讓學生通過相互比較， 相互 借鑒，達到相互學習的目的。學生在課下還可查閱科學雜志等參考讀物，了解科學家成 功的做法。1.3 基

25、因工程的應用教學目標1舉例說出基因工程應用及取得的豐碩成果。2關注基因工程的進展。3認同基因工程的應用促進生產(chǎn)力的提高。二、教學重點和難點1教學重點基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等方面的應用。2教學難點基因治療。三、教學過程1加強收集信息和處理信息環(huán)節(jié)的指導。基因工程的應用是基因工程基本操作程序的一個必然結果。如果本節(jié)只作為成果的學習，那么就顯得思維力度不足了。 為此，加強指導學生收集和處理信息這一環(huán)節(jié)。具體做法如下：無論是學習轉基因植物方面的應用，還是學習轉基因動物方面的應用，乃至轉基因工程菌生產(chǎn)藥物方面的應用， 首先必須尋找目的基因。 可利用下表，指導學生整理課本中提供的信息，填寫此表。這樣做既可以

26、調動學生學習的積極性，也增強了他們分析和處理信息的能力。表 轉基因生物與目的基因的關系轉基因生物目的基因目的基因從何來抗蟲棉Bt毒蛋白基因蘇云金芽孢桿菌抗真菌立枯絲核菌的煙早幾丁質酶基因和抗毒素合成基因抗鹽堿和干旱作物調節(jié)細胞滲透壓的基因耐寒的番茄抗凍蛋白基因魚抗除草劑大豆抗除草劑基因增強甜味的水果降低乳糖的奶牛甜味基因腸乳糖酶基因生產(chǎn)胰島素的工程菌人胰島素基因人指導學生提高處理信息的能力，還可以體現(xiàn)在對教材內容的重組上。例如，我們可以解決當前世界上存在的重大問題作為主題，如以解決“糧食”、“環(huán)境污染”、“能源危機”、“攻 克不治之癥” 等問題作為主題， 讓學生將課文中的知識或學生知道的課外的基因工程應用方 面的知識