《工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生》名師教案

PAGE12《工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生》教學設計高芳浙江省臺州市第一中學一、大概念的明確通過概述基因工程是在遺傳學、微生物學、生物化學和分子生物學等學科基礎上發(fā)展而來的，闡明DNA重組技術的實現(xiàn)需要利用限制性內切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具，闡明基因工程的基本操作程序，舉例說明基因工程在農牧、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的廣泛應用改善了人類的生活品質，讓學生形成基因工程是通過重組DNA技術，賦予生物新的遺傳特性的這一大概念。二、核心素養(yǎng)的分解生命觀念遺傳物質是雙螺旋結構的DNA分子，可與相同結構的載體連接在一起，在相同的轉錄翻譯方式下合成同樣的蛋白質產物，這體現(xiàn)了生物進化中統(tǒng)一性；具有相同粘性末端的載體使得目的基因能夠插人其中，具有標記基因使得我們能夠鑒定和篩選重組DNA分子等，這體現(xiàn)了結構與功能觀。在本節(jié)講基因表達載體的構建時，就可以聯(lián)系這些內容來介紹基因表達載體的其他組成部分，從而加深學生對結構與功能觀的認識。理性思維能運用流程圖的形式概括出基因工程的基本操作程序?？茖W探究針對人類生產或生活中的某一需求，能選取適當?shù)幕蚬こ碳夹g和方法，設計獲得某一轉基因產品的方案并就其中的某些問題展開探究。責任義務面對日常生活或社會熱點話題中與基因工程有關的話題時，能基于基因工程的基本原理和操作流程，表達自己的觀點；認同基因工程給我們的生產、生活帶來的正面影響，能理性對待基因工程技術及其產物。三、核心素養(yǎng)的落地1、教材和學情分析浙科版高中生物教材《選修3現(xiàn)代生物技術專題》第一章第一節(jié)《工具酶的發(fā)現(xiàn)和基因工程的誕生》的內容包括：（1）基因工程的含義和基因工程的主要內容；（2）限制性核酸內切酶的含義及作用特點；（3）DNA連接酶的作用；（4）質粒的含義、特性及在基因工程中的作用；（5）限制性核酸內切酶、DNA連接酶和質粒對基因工程誕生的作用。其中，限制性核酸內切酶的作用及作用特點、DNA連接酶的作用、質粒在基因工程中的作用是教學重點，后2個同時也是教學難點。這兩節(jié)內容的學習是在學生學習了必修2中DNA是生物遺傳物質、DNA的結構和遺傳信息的傳遞方式、基因是遺傳物質的結構單位和功能單位等知識的基礎上進行，是對必修2中知識的深化和運用。2、落地的設計思路本節(jié)課的教學設計以基因工程發(fā)展歷史為線索，貫穿基因工程的基本操作步驟，中間穿插工具酶、質粒載體的作用和特點。本節(jié)教學以構建轉基因抗蟲棉的這一任務出發(fā)，牢牢抓住學生注意力，隨著任務的不斷進行，逐步突破教學重難點。通過設計了一系列問題串引導學生思考、分析、討論，讓學生體驗科學發(fā)展的同時，學會面對實驗中的困難，并運用所學知識攻克困難，提高學生分析問題、解決問題的能力。最后，針對比較抽象的DNA分子，通過設置模擬活動讓學生直觀地感受微觀分子世界，深入了解限制性核酸內切酶的作用特點、DNA連接酶的作用和質粒在基因工程中的作用，找到思維附著點?！緞?chuàng)設情境，科學探究】教師通過創(chuàng)設一個情境，引導學生，讓學生設計獲得某一基因工程產品的方案，使他們將整個基因工程的操作流程有效地串聯(lián)起來，加深對基因工程的認識和理解。在設計方案的過程中，教師還可以引伸出一些問題讓學生進行探究。例如，學生設計方案的可行性，如果可行還可以比較它們的優(yōu)缺點等。在學生獨立開展探究活動時，教師給予一定的引導和啟發(fā)?！痉治鐾评恚硇运伎肌坑捎诨蚬こ滩僮魇俏⒂^的分子水平，無法用肉眼觀察得到，這給學生的學習和理解也帶來了一定的難度。教學時，教師可以設計一些具有啟發(fā)性的問題，引導學生逐步分析基因工程每一步操作的必要性以及操作的對象、方法和原理；還可以讓學生利用已有知識來進行判斷、推理，從而促進學生理性思維能力的發(fā)展，避免“死記硬背”的學習方式?！旧A認識，擔當責任】基因工程不僅是生命科學領域研究的熱點，也受到了全社會的廣泛關注。學生在學習本節(jié)內容之前，可能已經(jīng)通過媒體、他人的介紹和評論等對基因工程有了感性的認識。、一方面，教師要讓學生認同我國在基因工程領域取得的矚目成就，培養(yǎng)他們的民族自豪感和自信心；另一方面使學生認識到基因工程可能帶來安全性問題，它的應用對人類來說既是機遇也是挑戰(zhàn)，關鍵是如何正確對待和合理利用，同時還應該思考人們可以從哪些方面來提高基因工程的安全性，這些都是對學生“社會責任”素養(yǎng)的培養(yǎng)。四、教學過程的設計環(huán)節(jié)教師活動學生互動意圖引入PPT展示圖片：棉花在收貨時會因棉鈴蟲的啃食而降低了產量，所以人們就想能不能生產出一種棉鈴蟲吃了會死的棉花——抗蟲棉。提出現(xiàn)實問題，啟迪學生思維，激發(fā)求知欲。

基因工程流程主線確立抗蟲的性狀是由什么物質決定所以，我們從一種桿菌中提取出了一種有毒的蛋白-Bt，蟲子吃了便死亡。那我們能不能把這種Bt蛋白提取出來轉到棉花細胞內蛋白質。不可行，大分子很難導入，即使導入蛋白質在細胞內也會降解掉。讓學生利用所學知識，分析操作的可行性。能不能向棉花細胞轉入控制有毒蛋白合成的物質什么物質可以控制這種有毒蛋白的合成Bt基因稱為目的基因（板書）。接受目的基因的棉花細胞稱為受體細胞（板書）。實際目的基因很小，無法自我復制（變多），所以導入受體細胞后，很容易被水解代謝掉，所以科學家發(fā)現(xiàn)了工具——載體（板書）幫助目的基因進入宿主細胞表達。大家試想下：載體也要和DNA連接在一起，載體的化學本質是什么

Bt基因。

DNA

明確專有名詞名稱。請學生示范自己如何將Bt基因導入棉花細胞。板書總結基因工程的操作步驟。獲?。康幕颍┬纬桑ㄖ亟MDNA分子）導入（受體細胞）表達蛋白質學生口述。使學生對基因工程的步驟大致清晰。

基因工程理論基礎明確請利用我們學過的知識，分析向棉花細胞成功導入Bt基因并表達的原因?；虻幕瘜W本質是什么為什么細菌的基因能夠與載體連接為什么細菌的基因放在棉花細胞內也能表達出相同的蛋白質Bt基因和棉花基因連接在一起（非等位基因組合產物）稱為重組DNA分子（板書，順序寫）。總結：板書，基因工程誕生的理論基礎（DNA是生物遺傳物質的發(fā)現(xiàn)、DNA雙螺旋結構的確立、遺傳信息傳遞方式的認定）兩種基因作為遺傳物質化學成分都是DNA，DNA的結構都是雙螺旋結構，所以Bt基因和棉花基因可以連接在一起；又由于生物遺傳共用一套遺傳密碼，細菌的基因表達的產物與轉入棉花細胞內的一樣，可以導致棉鈴蟲死亡?；仡櫛匦薅鶎W，分析為什么基因工程能夠實現(xiàn)。

明確專有名詞名稱。

酶切和連接的知識引導酶切和連接的知識引導操作細節(jié)所需工具的引出：我們接下來看基因工程具體是如何完成的。這是Bt基因，這是棉花的基因（針對板書畫），理論上我們要剪切下來才能和棉花細胞連上，請問有沒有什么物質可以切斷和連接DNA鏈切斷和連接的化學鍵是（DNA模型orPPT展示）

DNA水解酶和DNA聚合酶磷酸二酯鍵限制性核酸內切酶介紹：展示限制酶如何切割序列：DNA模板（先做下簡要說明）這個剪切開DNA鏈的酶稱為限制性核酸內切酶。請同學們想想，這個酶與DNA水解酶有何異同思考名稱的含義切割序列特點請學生總結限制酶酶切特點。指出粘性末端的定義。請學生筆記。DNA連接酶引出：這樣切開的末端切口是平的，我們稱為平末端，在DNA連接時，切出粘性末端往往比平末端更好，你能試著分析為什么嗎提問：具有怎樣粘性末端的序列可以連接在一起此時兩段序列是否連接在一起需要DNA連接酶連接什么鍵比較DNA連接酶和DNA聚合酶。切開的都是DNA分子的磷酸二酯鍵，不同的是DNA水解酶把脫氧核苷酸一個一個切下來，而內切酶只是切斷DNA鏈。因為該酶只能從DNA內部切斷，所以稱為內切酶。對象是核酸，所以是核酸內切酶，限制性意味著酶切的專一性。先識別再切割，識別序列反向重復（回文序列）粘性末端連接的針對性比平末端強一些。堿基互補磷酸二酯鍵明確專有名詞名稱。

確專有名詞名稱。

嘗試讓學生分析平末端和粘性末端的差別?；顒油卣?：大家觀察學案中的DNA序列，給了大家4種限制酶，大家試著去切割，發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律引導學生總結。不同限制一般識別不同序列，但也可能識別相同序列。切割出的粘性末端可能相同，也可能不同（一般）。DNA分子那么多種，限制酶是否夠用早在上世界70年代，科學家就在單細胞微生物（細菌、真菌）中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種限制酶，以供大家切割不同的DNA序列用。思考：為什么限制酶發(fā)現(xiàn)在單細胞微生物中有什么作用會不會切割自己的序列微生物的免疫機制不如高等生物健全，一旦有外源序列進入則切斷，保護自己免受其他DNA影響。自身DNA不存在相應序列或被修飾。從進化的角度分析生物自身的免疫特性。載體導入目前最常用的載體DNA是質粒，它是雙鏈環(huán)狀DNA。因為幫助目的基因不丟失，所以質粒能夠自我復制。它要與目的基因相連，所以也要被限制酶切開，需要擁有還需要標記基因和控制質粒轉移的基因，請學生標記在課本圖上酶切位點總結載體的特征。活動拓展2：模擬具體的切割和連接的過程。請大家拿出材料，4位同學一組，大家先看下，紅色紙帶和白色的紙環(huán)分別代表什么剪刀和膠帶分別代表什么該限制酶在目的基因和質粒上的識別序列分別有幾個已知某