基于深度学习的“基因工程的基本操作程序”教学设计
(山东省教育科学研究院山东济南250002)
“基因工程的基本操作程序”选自人教版生物学《选择性必修3·生物技术与工程》第三章第二节,包括基因工程的主要操作步骤、相关技术和方法,是对“重组DNA技术的基本工具”的综合应用,也是学习基因工程应用的基础,为本章的核心内容。基因工程主要为分子水平上的操作,学生对此缺乏直观感受,且相关技术原理比较抽象,在教学中很多教师单纯依托教材让学生机械记忆基因工程的操作步骤以及相关技术和方法,不利于学生深度学习,发展学科核心素养。
学生在必修模块已经学习了DNA的结构、DNA复制和基因指导蛋白质合成等知识,对基因的结构和功能有一定认识。同时,通过对“重组DNA技术的基本工具”的学习,学生了解基因工程的发展历程、基因工程操作所需的三种“分子工具”以及载体需要具备的条件,为本节课的学习奠定坚实的理论基础。高二学生思维活跃,有较强的逻辑思维能力和创新精神,对基因工程及转基因技术安全性等社会热点问题较为关注,但对基因工程的具体操作程序了解较少。为此,教师需要精心创设问题情境,激发学生强烈的求知欲,培养学生运用学科知识解决实际问题的能力。
依据课程标准的内容要求,制订如下指向学科核心素养的教学目标:
(1)通过多种途径搜集基因工程应用的实例,比较分析“生产重组新冠病毒蛋白疫苗”真实情境所体现的现实需求,尝试构建基因工程操作的主要步骤,形成以生命观念为指导解决实际问题的能力。
(2)通过分析DNA复制的过程和条件,演绎推理PCR反应需要的条件培养科学思维;利用实物模型模拟PCR反应以及基因表达载体的构建过程,加深对结构与功能观的理解,提升开展合作探究的能力。
(3)针对日常生活中与转基因技术相关的热点话题,能基于基因工程的实质表达自己的观点,以理性、科学的态度对待基因工程取得的成果,认同科学技术的发展对生产、生活的正面影响,培养求真务实的社会责任感。
教师图片展示“新冠疫情下的日常生活场景”,通过出门戴口罩,回家勤洗手,进门扫场所码,定期进行核酸检测等真实情境引出重组新型冠状病毒疫苗。接着,教师播放有关重组新冠病毒蛋白疫苗的视频,并提出问题:①在重组新冠病毒蛋白疫苗制备的过程中用到什么技术?②制备重组新冠病毒蛋白疫苗需要哪些步骤?
设计意图:教师课前安排学生搜集感兴趣的基因工程应用实例,汇总后选择最具代表性的重组新型冠状病毒疫苗实例作为贯穿本节课的情境。通过资料的搜集整理,学生能亲身感受基因工程的应用和巨大价值,从而激发他们产生解决现实问题的浓厚兴趣。
教师展示新冠病毒图片,提供我国生产重组新冠病毒蛋白疫苗的相关资料,如中国仓鼠卵巢细胞(ChineseHamsterOvary,CHO细胞),并提出问题:①重组新冠病毒蛋白疫苗中发挥作用的物质是什么?②通过什么方法能大量高效地获得S蛋白?学生分析资料,合作探讨高效合成S蛋白的方法,通过讨论明确应用基因工程可以获得大量S蛋白。
4.2.1目的基因的获取
新冠病毒的遗传物质是RNA,而基因工程是DNA分子水平上的操作,如何获得双链S蛋白基因?学生思考回答通过逆转录过程可以得到。教师进一步追问通过逆转录获得的基因数量较少,如何能够快速获取大量S蛋白基因,以此引出PCR技术。教师首先引导学生自主学习PCR的概念,回顾体内DNA复制的过程,为学习体外PCR技术做铺垫。其后,播放PCR过程的演示视频,令学生形象直观地认识PCR过程。接着,教师给出任务1:模拟PCR扩增S蛋白基因的过程。教师提供目的基因、引物、脱氧核糖核苷酸、热稳定的DNA聚合酶等模型材料,鼓励学生模拟PCR扩增S蛋白基因的过程。学生小组合作进行模型建构,由小组代表展示成果(图1)。
图1小组成果展示图
设计意图:结合图片和资料,引导学生回顾DNA复制的相关知识并推理PCR反应所需的条件;通过模型建构为每位学生提供参与活动的机会,激发学习主动性;通过模型构建活动将抽象的内容具体化,使深奥的理性思维显性化。
4.2.2基因表达载体的构建
教师继续提问“获取了足量的S蛋白基因后,能直接将其导入受体细胞吗?”,引出基因表达载体构建的目的,引导学生进一步思考:若目的基因在受体细胞中可以遗传给下一代并能表达和发挥作用,应当具备哪些组成元件?其作用是什么?教师展示基因表达载体的模式图,基于上述内容,布置任务2:要求以小组为单位构建S蛋白基因的表达载体。
教师提供活动材料(图2):质粒模型、红色纸条(含有目的基因的DNA片段)、剪刀(限制性核酸内切酶)、胶带(DNA连接酶)。
图2活动材料展示
学生首先进行活动一:小组内讨论选择哪种限制酶切割质粒和目的基因,讨