“基因工程”單元教學設計-高二下學期生物人教版選擇性必修3

“基因工程”單元教學設計1.單元教學內(nèi)容分析及設計思路本單元設計內(nèi)容是大概念“基因工程賦予生物新的遺傳特性”下的一個重要概念，是“蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸”這一重要概念的基礎。本單元的內(nèi)容與數(shù)學、技術等學科知識相聯(lián)系，涵蓋實驗、數(shù)學分析、生物技術工程和模型制作等內(nèi)容，與STEM教育相契合，其適用于STEM教育的內(nèi)容分析概括為表1。本單元的學習主題是以轉(zhuǎn)基因擬南芥的培育為研究項目，開展項目式教學(project-basedlearning，簡稱PBL)，滲透STEM教育理念。需要安排5課時的教學，通過真實情境確定可研究的項目，通過項目的分析、設計與實施、評價等過程，解決單元學習的核心問題———基因工程的技術原理、工具、流程和應用，具體思路框架如圖1所示。2.單元教學目標(1)通過分析DNA的科學研究史，說出基因工程誕生的理論依據(jù);通過分析真實情境中的科研需求，認識基因工程操作過程中的物質(zhì)變化規(guī)律，并以此解釋基因工程的應用是怎樣實現(xiàn)的，形成以生命觀念為指導，分析生命現(xiàn)象，解決簡單問題的能力，最終建構(gòu)基因工程能夠賦予生物新的遺傳特性的概念。(2)通過材料分析，歸納、總結(jié)三種基因工程工具的概念、作用和特點;聯(lián)系DNA分子結(jié)構(gòu)、DNA復制以及基因的表達等相關知識，說明基因工程基本原理，歸納、概括基因工程的基本操作程序，嘗試以流程圖的形式表達并闡述其內(nèi)涵;歸納、整理基因工程應用實例，說明基因工程的應用類型;通過構(gòu)建討論模型和基因工程與其他生物技術結(jié)合獲取基因工程產(chǎn)品的流程圖，闡述基因工程應用價值。(3)通過開展模擬實驗，明確工具酶的作用、構(gòu)建基因表達載體;利用線上工具，掌握篩選目的基因的方法;利用實物模型設計并實施模擬實驗，明確PCR的程序;開展“調(diào)查基因工程在生產(chǎn)生活中的應用”活動，掌握根據(jù)需要設計調(diào)查表，通過不同途徑搜集、整理資料的能力，提升制訂簡單的實驗方案并實施，如實記錄分析實驗數(shù)據(jù)，與他人合作開展探究活動的能力。(4)通過了解不同情境中基因工程的多種操作技術，認同科研工作者在基因工程領域取得的成就，以理性的態(tài)度對待基因工程的研發(fā)和應用;通過構(gòu)建、整合討論模型，探討基因工程的應用價值，設計工程學實踐方案，感受、認同、闡述基因工程的應用價值。3.單元教學過程3.1在情境中確定可研究項目本單元的大情境設計是通過介紹模式生物擬南芥的特點以及乙烯持續(xù)合成對植物體生長發(fā)育的影響，引導學生思考如何運用基因工程技術探究乙烯持續(xù)合成對擬南芥生長發(fā)育的影響，確定可研究項目“培育持續(xù)激活表達ACS6蛋白的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株”。通過設計子情境“ACS6蛋白的基因表達載體的構(gòu)建”“培育轉(zhuǎn)基因擬南芥的操作方案”和“轉(zhuǎn)基因擬南芥的應用價值”將研究項目拆解成相互關聯(lián)的獨立問題。設計意圖:旨在創(chuàng)設一個可供師生共同完成的項目作為主軸，激發(fā)學生的學習興趣，使學生能積極主動地參與到項目中，最終能通過完成項目掌握基因工程的操作流程和方法。子情境的設計使學生更容易融入到學習情境中，合作完成項目的分析、設計和實施、評價，加深對科學、技術、工程和數(shù)學等多元化的知識的理解，具體內(nèi)容概括為圖2。3.2在活動中完成項目研究學生在本單元中，基于項目開展學習，在項目的分析、設計與實施、評價的過程中，設置了材料分析、模擬實驗、流程設計、探究實驗、調(diào)查活動、建模討論、工程設計等活動，進行小組合作，解決基于真實情境的問題，精心設計、完成項目。在經(jīng)驗和操作中，實現(xiàn)知識的整合;在設計和分析中，實現(xiàn)思維的提升;在合作和實驗中，感受探究的樂趣;在調(diào)查和討論中，升華價值的體驗，最終實現(xiàn)生物學、數(shù)學、工程學等跨學科知識的獲取，掌握基因工程的理論知識、技術流程和應用價值，落實重要概念。3.2.1項目的分析【活動1】資料分析:通過分析DNA的科學研究史和DNA實物模型，小組討論、歸納和計算，了解基因工程誕生的理論基礎，明確磷酸二酯鍵的概念和雙鏈DNA中脫氧核苷酸的連接方式。通過分析大腸桿菌中質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)示意圖，歸納出質(zhì)粒的本質(zhì)和特點?！净顒?】模擬實驗:利用標有堿基對序列的環(huán)狀卡紙、標有堿基對序列的鏈狀卡紙、剪刀、透明膠帶等材料(分別代表環(huán)狀質(zhì)粒、含擬南芥ACC合成酶6基因的DNA片段、限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶等)模擬構(gòu)建含ACS6基因的重組DNA分子。設計意圖:學生通過回顧科學史和模型，溫故知新，學習新概念的同時，感受科學研究鍥而不舍的精神;通過模擬實驗，使抽象的概念具體化，直觀認識限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶和質(zhì)粒三種基因工程的工具，完成項目的分析。3.2.2項目的設計與實施設計方案環(huán)節(jié)包括1個活動【活動1】流程設計:以流程圖的形式設計培育持續(xù)激活表達ACS6蛋白的轉(zhuǎn)基因擬南芥的操作實施方案。在此過程中，通過思考“如何獲得目的基因ACS6基因，如何處理單獨的ACS6基因片段才能使其在受體細胞中穩(wěn)定存在，攜帶目的基因的表達載體如何成功導入細胞并穩(wěn)定表達”等問題，得出基因工程的四步基本操作流程，設計出基本培育方案。剖析方案環(huán)節(jié)包括2個活動【活動2】模擬實驗:利用線上數(shù)據(jù)庫(如Genbank、TAIR等)搜索ACS6基因的序列信息，利用線上序列比對工具BLAST嘗試進行序列比對，篩選出目的基因并獲取基因信息;通過觀看PCR過程的演示視頻，小組合作，利用DNA雙鏈模型、脫氧核苷酸組件、引物組件、耐高溫的DNA聚合酶黏土模型、反應室等實物材料，模擬PCR反應過程(圖3)，討論說出PCR擴增具體程序以及PCR擴增過程中目的基因數(shù)量變化規(guī)律?！净顒?】材料分析:比較項目的分析中已構(gòu)建的含ACS6基因的重組DNA分子卡紙模型，探討基因表達載體上有哪些必要的元件，根據(jù)表達載體的相關資料，說出啟動子、終止子、目的基因、標記基因、限制酶切割位點、復制原點等元件的作用;結(jié)合教材資料卡內(nèi)容，觀看教師演示實驗視頻“基因表達載體通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導入擬南芥細胞的操作過程”，歸納出花粉管通道法、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、顯微注射法、感受態(tài)轉(zhuǎn)化法等目的基因?qū)氩煌荏w細胞的方法;分析文字材料，分別從個體和分子水平探討目的基因的檢測和鑒定方法，知道PCR、電泳、抗原—抗體雜交等檢測手段。實施方案環(huán)節(jié)包括1個活動【活動4】探究實驗:根據(jù)已制訂的操作流程，實踐乙烯過表達的轉(zhuǎn)基因擬南芥的培育過程，獲取轉(zhuǎn)基因擬南芥幼苗，并通過電泳實驗鑒定目的基因。設計意圖:學生合作執(zhí)行任務，在問題驅(qū)動下，探討基因工程的基本操作流程，完成方案設計;通過模擬實驗，實現(xiàn)微觀分子實驗的可視化，分析材料，搭建陳述性知識與程序性知識間的聯(lián)系，在深度解剖項目方案的同時，落實操作流程的每一步驟，感受分子生物學的飛速發(fā)展;通過探究實驗，體驗分子生物學實驗的操作模式，掌握基因工程的具體技術，完成方案的實施。3.2.3項目的評價【活動1】調(diào)查活動:搜集來源教材、圖書、文獻、新聞、市場或其他合理途徑的基因工程在生活生產(chǎn)中的具體應用實例，并對其進行分類。【活動2】建模討論:根據(jù)調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建基于應用類型、實例、技術、問題和價值的五維討論模型，分析調(diào)查實例，探討基因工程的應用價值(圖4)?！净顒?】工程設計:根據(jù)文字材料，結(jié)合已學習的動物細胞培養(yǎng)、胚胎移植、克隆技術、微生物篩選和培養(yǎng)技術、發(fā)酵工程等知識，設計通過基因工程技術獲得相關生物產(chǎn)品的流程圖，如用乳腺生物反應器獲取藥用蛋白的流程圖、未來可能實現(xiàn)的獲得可移植豬器官的流程圖、獲得基因工程菌及其產(chǎn)品的流程圖等。設計意圖:學生在親身調(diào)查和建模討論的過程中，運用基因工程原理分析科學事實，用“數(shù)據(jù)說話”，真切感受到基因工程在生產(chǎn)生活中的應用價值;針對特定情境，設計工程學實踐方案，將基因工程與多元化的生物學知識進行整合，在完成項目評價的同時，實現(xiàn)知識與技能的遷移。4.教學反思在真實的情境中，學生更易激發(fā)學習興趣，進行主觀學