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“基因工程的基本操作程序”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計 1 教材分析 《基因工程的基本操作程序》是人教版選修3專題1基因工程中第2節(jié)內(nèi)容，本節(jié)是《基因工程》專題的核心，上承《DNA重組技術(shù)的基本工具》一節(jié)，下接《基因工程的應(yīng)用》。 對于基因工程，學(xué)生接觸得很少，文字描述中會感到抽象，為此，教材中采用形象化得呈現(xiàn)方式簡述了基因工程基本操作程序的四個步驟。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(xué)生理解和掌握。此外，在教材處理中還呈現(xiàn)主干，割舍枝杈，將非主干內(nèi)容以《生物技術(shù)資料卡》、《拓展視野》等方式呈現(xiàn)，做到有主有次?！?】 2 學(xué)情分析 學(xué)生經(jīng)過上一節(jié)的學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握DNA重組技術(shù)所需三種基本工具的作用及基因工程載體所需條件等知識，具備學(xué)習(xí)基因工程的基本操作程序一節(jié)的基礎(chǔ)；而且經(jīng)過一年必修教材的學(xué)習(xí)，學(xué)生的生物基礎(chǔ)知識較扎實，思維的目的性、連續(xù)性和邏輯性已初步建立。但基因工程一節(jié)對學(xué)生來說難點較多，如果處理不好，會變成簡單的死記硬背。因此在教學(xué)過程中，應(yīng)在教師引導(dǎo)下適時加強學(xué)生解決問題和運用概念圖等生物學(xué)語言歸納結(jié)論等方面的能力。 3 教學(xué)目標(biāo) 3.1 知識目標(biāo) ⑴簡述基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)進步催化了基因工程 ⑵簡述基因工程的原理和基本步驟 3.2 能力目標(biāo) ⑴學(xué)會運用概念圖總結(jié)基因工程的基本步驟及方法 ⑵嘗試運用基因工程原理，提出解決某一實際問題的方案 3.3 情感態(tài)度與價值觀 ⑴關(guān)注基因工程的發(fā)展 ⑵認(rèn)同基因工程的應(yīng)用促進生產(chǎn)力的提高 4 教學(xué)重點與難點 4.1 教學(xué)重點 基因工程基本操作程序的四個步驟 4.2 教學(xué)難點 ⑴從基因文庫中獲取目的基因 ⑵利用PCR技術(shù)擴增目的基因 5 教學(xué)整體思路 采用從“整體-部分-整體”的教學(xué)思路，首先引用基因工程案例使學(xué)生從整體上了解基因工程的四個步驟，其次采用分步探究的形式幫助學(xué)生理解各個步驟的原理、方法和過程，最后教師引導(dǎo)學(xué)生用概念圖將所學(xué)的知識從整體上再次整合?！?】 6 教學(xué)過程 教學(xué)環(huán)節(jié) 教師行為 學(xué)生活動 導(dǎo)入新課 1） 出示我國有知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育圖解 2） 質(zhì)疑：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉培育的四個關(guān)鍵步驟 3） 根據(jù)學(xué)生回答補充還需檢測抗蟲基因是否已經(jīng)進入棉花植株，并由此引出基因工程的四部曲 看圖并回答：首先要獲得目的基因，其次將目的基因連接到Ti質(zhì)粒上，再次將重組的Ti質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞，最后要重建轉(zhuǎn)基因植物 目的基因的獲取 教學(xué)環(huán)節(jié) 目的基因的獲取 1） 提問轉(zhuǎn)基因抗蟲棉培育需要哪些工具 2） 講授目的基因的概念 3） 指導(dǎo)學(xué)生看書并質(zhì)疑：獲取目的基因總的來說有哪兩種方式 4） 根據(jù)學(xué)生回答強調(diào)如果已知抗蟲基因核苷酸序列且序列較短小，可通過DNA合成儀直接進行人工合成 5） 質(zhì)疑：如果對抗蟲基因的堿基序列完全不知，怎樣才能得到蘇云金芽孢桿菌體內(nèi)的抗蟲基因 6） 針對學(xué)生回答引出基因文庫概念 7） 指導(dǎo)學(xué)生看圖并歸納構(gòu)建基因文庫時的操作條件、應(yīng)用工具和過程 8） 對學(xué)生回答給與肯定并強調(diào)構(gòu)建基因組文庫時應(yīng)注意兩點：1 每個受體菌DNA分子都包含一段不同的外源DNA片段；2 本方法適用于獲取原核細(xì)胞的基因 9） 指導(dǎo)學(xué)生看書，說出部分基因文庫（cDNA）概念 10） 教師補充如想知道一種生物在個體發(fā)育不同階段表達基因不同，應(yīng)構(gòu)建cDNA文庫 11） 指導(dǎo)學(xué)生看書，質(zhì)疑：如何構(gòu)建部分基因文庫 12） 引出如果已知抗蟲基因的一部分，則可通過PCR技術(shù)擴增目的基因 教師行為 13） 指導(dǎo)學(xué)生看書質(zhì)疑：PCR技術(shù)擴增目的基因需要的條件 14） 觀看PCR過程插圖，質(zhì)疑：PCR擴增的過程 15） 列表比較利用PCR技術(shù)擴增目的基因與細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制的異同 回憶舊知識并回答 看書并回答：從自然界已有的物種中分離和人工合成 思考并回答：先獲取蘇云金芽孢桿菌的全部基因，再從中提取抗蟲基因 思考并回答：操作條件：對目的基因序列未知 應(yīng)用工具：限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶、載體 過程：從基因組中提取DNA→酶切、純化→與載體連接→侵染大腸桿菌→建立基因組文庫 看書并回答：只包含一種生物部分基因的文庫 看書并回答：提取某種生物發(fā)育某個時期的mRNA→反轉(zhuǎn)錄成互補DNA→與載體連接→侵染大腸桿菌→建立部分基因文庫 學(xué)生活動 看書并回答：模板、原料、引物、TaqDNA聚合酶 討論并回答：變性：90℃—95℃高溫下雙鏈DNA解鏈成單鏈；退火：55℃—60℃引物結(jié)合到互補DNA鏈；延伸：72℃Taq酶從引物起始進行互補鏈的合成；第2輪循環(huán) 學(xué)生獨立完成，教師給予指導(dǎo) 基因表達載體的構(gòu)建 1） 引出基因表達載體的構(gòu)建是基因工程的核心及構(gòu)建基因表達載體的意義 2） 質(zhì)疑：將生物的所有DNA直接導(dǎo)入受體細(xì)胞是否可行，如果這樣做，結(jié)果怎樣 3） 提問：回憶載體需要具備的條件 4） 根據(jù)學(xué)生回答引出基因表達載體也應(yīng)具備復(fù)制原點、標(biāo)記基因等條件，進一步明確基因表達載體最終要表達出人類所需的蛋白質(zhì)產(chǎn)物 5） 質(zhì)疑：從cDNA文庫中獲取的目的基因沒有啟動子，如果要實現(xiàn)將編碼序列導(dǎo)入受體生物中并成功表達，基因表達載體還需哪些元件 6）提問：總結(jié)基因表達載體構(gòu)成，并說明各個元件的作用 思考并回答：1 該方法針對性差，完全靠運氣 2 不方便檢測，無法確定目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞 討論并回答：啟動子和終止子，它們分別位于目的基因的兩側(cè) 思考并回答：復(fù)制原點：控制復(fù)制起始的位點； 抗性基因：檢測目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞； 多個限制酶切點：目的基因插入； 啟動子：位于基因首端；是RNA聚合酶識別和結(jié)合位點，驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得蛋白質(zhì)； 終止子：轉(zhuǎn)錄在所需地方停下來 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 教學(xué)環(huán)節(jié) 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 1） 引出轉(zhuǎn)化的概念，并強調(diào)轉(zhuǎn)化的最終目的是目的基因在受體細(xì)胞維持穩(wěn)定和表達 2） 講授：將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞有三種方法，其中最常用的是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法 3） 引導(dǎo)學(xué)生看書，質(zhì)疑：農(nóng)桿菌有何特點 教師行為 4） 引導(dǎo)學(xué)生看插圖，概述農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的過程 5） 質(zhì)疑：將目的基因?qū)雱游锛?xì)胞中的常用方法及常用的受體細(xì)胞 6） 質(zhì)疑：培育轉(zhuǎn)基因動物時，受體細(xì)胞能否采用動物體細(xì)胞，為何采用受精卵 7） 引出原核生物的特點，早期基因工程都用原核生物作受體細(xì)胞，質(zhì)疑：目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞采用的方法 8） 講授：怎樣篩選含外源基因的受體細(xì)胞，主要是應(yīng)用標(biāo)記基因的插入失活特性，向?qū)W生展示圖，并配以習(xí)題 看書并回答：1 農(nóng)桿菌生活在土壤中，自然條件下能感染雙子葉植物和裸子植物 2 農(nóng)桿菌中Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞，并且整合到受體細(xì)胞染色體DNA上 學(xué)生活動 討論并回答：將目的基因?qū)隩i質(zhì)?！D(zhuǎn)入農(nóng)桿菌→含重組Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌→導(dǎo)入植物細(xì)胞→植物組織培養(yǎng)→轉(zhuǎn)基因植物 看書并回答：顯微注射法，受體細(xì)胞是受精卵 思考并回答：動物體細(xì)胞沒有全能性，受精卵全能性高，并且營養(yǎng)物質(zhì)豐富 看書并回答：用Ca2+處理制備感受態(tài)細(xì)胞 聽講并根據(jù)習(xí)題理解 目的基因的檢測與鑒定 1） 質(zhì)疑：用什么方法可以知道抗蟲棉賦予了植物抗蟲特性 2） 質(zhì)疑：檢測與鑒定有何不同，基因工程成功的標(biāo)志（提示學(xué)生應(yīng)用真核生物中心法則思考） 3） 引出檢測分為DNA、mRNA和蛋白質(zhì)水平。強調(diào)檢測轉(zhuǎn)基因生物染色體的DNA上是否插入目的基因是目的基因能否在真核生物中穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵。 4） 指導(dǎo)學(xué)生看書，質(zhì)疑：DNA水平上的檢測應(yīng)用什么方法，探針是什么，如何標(biāo)記，檢測如何操作 5） 根據(jù)學(xué)生回答，補充探針還可以用地高辛和生物素標(biāo)記。質(zhì)疑：DNA分子雜交原理 6） 檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄mRNA應(yīng)用方法，依據(jù)原理 7） 質(zhì)疑：用什么方法檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì)，原理是什么 8）講授：除上述分子水平上的檢測外，還可以應(yīng)用個體生物學(xué)水平的鑒定，如給棉鈴蟲喂食抗蟲棉，看蟲子生活狀況等 思考并回答：給棉鈴蟲喂食抗蟲棉，看蟲子生活狀況；檢測抗蟲棉染色體DNA上是否插入目的基因 看書并回答：檢測是分子水平上的，而鑒定是個體水平上的。成功標(biāo)志是表達出人類所需蛋白質(zhì) 思考并回答：方法：DNA分子雜交； 探針：含有目的基因的單鏈DNA，用放射性同位素標(biāo)記； 步驟：轉(zhuǎn)基因生物→提取基因組DNA和探針雜交→有雜交帶→證明目的基因已插入染色體DNA中 思考并回答：堿基互補配對原則 思考并回答：轉(zhuǎn)基因生物mRNA與DNA探針雜交；原理：堿基互補配對原則 思考并回答：轉(zhuǎn)基因生物→提取蛋白質(zhì)（用其作抗原）與抗體反應(yīng)→有雜交帶→目的基因已形成蛋白質(zhì)產(chǎn)品； 原理：抗原—抗體特異性結(jié)合 整體水平上歸納總結(jié) 教師引導(dǎo)下，學(xué)生討論總結(jié)出基因工程的基本操作程序概念圖，在整體上把握知識脈絡(luò) 見圖3 7 教學(xué)反思 1） 巧妙布置預(yù)習(xí)作業(yè)，化“復(fù)雜”為“簡約”。由于基因工程內(nèi)容上的“高”與“新”，處理不好，會提高學(xué)習(xí)難度，令學(xué)生視高科技為畏途，致使教學(xué)流于形式。所以在課前以學(xué)生較為熟悉的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育過程案例為預(yù)習(xí)作業(yè)，使學(xué)生首先從整體上了解基因工程的四個步驟，起到了突破難點及培養(yǎng)自學(xué)能力的目的。 2）巧妙運用插圖及多媒體技術(shù)，化“抽象”為“形象”。對于基因工程，學(xué)生接觸得少，只運用文字來教學(xué)會感到很抽象。如在講授如何構(gòu)建基因文庫時，教師會提供一幅非常形象的插圖，結(jié)合圖文提出相應(yīng)問題，誘導(dǎo)學(xué)生思考，從而把學(xué)習(xí)的注意力從簡單的死記硬背引導(dǎo)到分析、批判、創(chuàng)新等有利于學(xué)生終身發(fā)展的能力上來?！?】 3）巧妙利用概念圖串聯(lián)知識，化“部分”為“整體”。概念不可能單獨存在，每個概念都必須根據(jù)與之有關(guān)的其他概念間的關(guān)系才能確定其準(zhǔn)確的含義。通過分步探討，學(xué)生已經(jīng)對基因工程每一步操作的原理、方法和過程做到了理解，但并未從整體上把握到基因工程的全過程，教師可以指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念圖，將零散的知識進行歸納，把已掌握的知識顯性化、可視化，實現(xiàn)新課程有效教與學(xué)的策略。