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1、“基因工程的教学构思在普通高中生物课程标准的内容标准中，“基因工程”是选修3“现代生物科技专题”中的第1学习专题，该专题主要阐述基因工程诞生的理论基础和技术保证、基因工程的原理和操作程序、基因工程的应用，以及蛋白质工程等内容。该学习专题内容的科学性和专业性较强，本文主要从知识内容、学习目标、教学策略等方面，谈谈“基因工程”专题的教学构思。1 专题知识内容及其学习目标新课程必修3的“基因工程”专题的学习内容，不仅涉及基因工程的科普性知识而且涉及蛋白质工程的基本常识，实质上是概述“遗传工程”的基础知识。与原高中生物学教学大纲的“基因工程”内容比较如下(表1)：基因工程属于生物科技前沿课题高中生物学
2、新课程仍将基因工程的原理和技术、基因工程的应用作为核心内容但增加了基因工程的诞生和蛋白质工程等知识点，并建议组织学生参与DNA的粗提取和鉴定实验，观看有关基因工程的影像资料，调查基因工程产品在社会上的应用情况讨论转基因生物的安全性等活动，从而使该专题内容更加系统性和完整性。虽然知识目标的要求仍为了解水平，但更注重能力、情感态度与价值观方面的目标要求。根据本专题的具体内容标准，对单元教学目标细化如下：11 知识目标1)简述DNA是遗传物质的经典实验证据、明确DNA分子双螺旋结构和半保留复制的机理，以及遗传密码子的破译是催生基因工程的理论基础。2)明确限制酶、连接酶、克隆载体的发现为基因T程提供技
3、术保证，简述它们的来源、分类、作用机理。3)举例说出基因工程的基本步骤；简述用化学方法合成目的基因和从基因文库中获取目的基因的方法 以及用PCR技术扩增目的基因的原理和方法；说出构建表达载体的目的及构建组件的作用；简述将目的基因导入受体细胞的常用方法以及目的基因的检测与表达产物的测定方法。4)列举基因工程在转基因植物、转基因动物、转基因微生物方面的应用和发展前景 说出基因治疗的原理。5)说出蛋白质工程崛起的缘由，简述蛋白质工程的原理。12 能力目标1)学会从植物材料中进行DNA的粗提取与鉴定的实验操作方法。2)用表格、概念图或流程图等形式呈示基因工程的基本步骤和方法。3)图解限制性内切酶、连接
4、酶的作用机理，结合基因工程的流程图解说其基本操作程序。13 情感态度与价值观1)从基因工程诞生的历程中，体会科学发展的曲折性和必然性，领悟科学发展离不开理论指导和技术创新。2)从基因工程的飞速发展和在实际应用领域的发展前景，体验生物科学的重要价值。3)关注各国为保证转基因食物安全性实施的监控和预防措施运用相关知识客观公正地宣传转基因食品的安全性评价。2 教学策略和课时安排基因工程内容的科学性和专业性强，教学要注意化复杂为简约力争图文并茂 给学生以广阔的思维空间 诱导学生思考 把学习注意力从死记硬背引导到分析、批判和创新的科学探索方面。本专题的教学重点是：基因工程的原理和技术、基本步骤和方法、基
5、因工程的应用等部分。第1部分内容宜采用探究学习，教师创设问题情景，诱导学生积极参与活动，开启思想的闸门获得真知，体会科学的发展离不开理论和技术的创新；第2部分内容适用案例分析法，让学生分析转基因生物的成功案例，总结出基因工程的基本操作程序。进而启发学生依据基因工程的原理和技术设计完成每个操作步骤的方法：第3部分内容可用文献法组织学生搜集、整理和分析相关资料，通过探究基因工程的应用及其产业化前景认识科学在促进生产力方面的重要价值和不可替代性激发投身于科学研究和为人类做贡献的斗志。本专题的教学时间约需8课时，具体安排如下(表2)：3 教学建议和教学方法基因工程专题的教学设计与实施应贯彻高中生物学新
6、课程标准的理念，并力争体现以下3点：第1，确保教学的科学性；第2，斟酌教学内容的适应性；第3，体现教学内容的有序性及系统性。31 基因工程的诞生这部分内容带有科技发展史的性质教学时应先组织学生阅读教材中提供的有关文献资料，从20世纪中叶DNA是遗传物质的证明、DNA分子结构和中心法则的确立、遗传密码的破译等重大研究成果中，认识到基因工程原理的形成具有坚实的理论基础。从20世纪70年代克隆载体的发现，工具酶、DNA重组、PCR扩增等技术发明对基因工程问世和发展的推动作用，认识到技术创新是实施基因工程的有力保证。32 基因工程的原理和技术 原理是由相关概念组成的判断，原理的陈述句是一个命题。基因工
7、程的原理也是如此，DNA体外重组、基因转移载体、受体细胞、重组DNA表达等都是基因工程原理的核心概念。教学时，先结合图解向学生解说我国有知识产权的转基因抗虫棉(图1)的培育过程，进而引导学生从中找出关键的词汇或术语，然后，一方面让学生尝试用短句陈述基因工程的原理，另一方面归纳出基因操作的工具。限制性核酸内切酶、连接酶、克隆载体是基因操作的3种工具。DNA限制性内切酶的教学重点是其作用机理，教学时首先以限制性内切酶EcoR I为例，借助图解向学生说明限制酶有双重功能：一是识别DNA分子内一小段特殊核苷酸的序列和位点，二是在某个位点将DNA分子切断；然后启发学生依据图2思考限制酶切割DNA时应断裂
8、的化学键，并用图解呈示经限制酶切割的DNA分子产生的2种不同的末端。DNA连接酶的教学也应借助相关图解，启发学生认识连接酶的作用特点：一是作用对象为同一种限制酶切割的2种DNA片段，二是将末端碱基互补的2个DNA片段连接在一起，三是形成重组DNA分子。克隆载体是运载外源基因进入宿主细胞的工具，不仅与宿主细胞友好相处，而且能够在宿主细胞内进行自我复制(即克隆)。教学时，可依据图1中的Ti质粒及作用设置一系列问题，启发学生思考和探究克隆载体的特点。例如，质粒是什么，在基因操作中有什么作用?质粒DNA为什么能够负载目的基因呢?如何检测目的基因是否导入受体细胞呢?重组质粒对受体细胞是否有危害?重组质粒
9、导入受体细胞后能够扩增吗?在学生展开讨论的基础上，师生共同归纳基因转移载体应具备的条件：能够自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因位点、对受体细胞无害等。33 基因工程基本操作程序 本部分是基因工程的核心内容，教学应强调知识的系统性、科学性和通俗性，遵循从整体到部分再到整体的教学思路：首先，依据图1让学生初识基因工程的基本程序包括：目的基因的获取、表达载体的构建、目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定等基本步骤；然后，依次简述各个步骤的常用方法；最后，引导学生用概念图等形式概括基因工程的基本流程。获取目的基因常用化学合成法。或者利用PCR技术扩增从基因文库中获取目的基因，因此，PCR技
10、术的原理是获取目的基因部分内容的教学重点。PCR技术是一项在生物体外复制DNA片段的核酸合成技术，教学时首先启发学生回忆必修课习得的有关DNA复制的过程、条件和方式等基础知识，然后结合图3引导学生领会PCR反应原理，尤其是DNA聚合酶和引物的性质和作用。基因文库及其从基因文库中获取目的基因的方法都是专业性很强的知识，教学中可以将基因文库形象地比喻成一个图书馆，结合图示(图4)向学生介绍基因文库的构建过程，有助于他们理解基因文库中每个受体菌DNA分子都包含一段不同的外源DNA片段。基因表达载体的构建是基因工程的核心，这部分教学内容涉及构建基因表达载体的目的和要求，以及构建基因表达载体的方法等。学
11、生习得有关基因工程的工具酶和克隆载体等知识后，不难掌握构建基因表达载体的方法因此应将教学重点放在构建基因表达载体的目的和要求等方面。教学时，首先向学生阐明构建基因表达载体的目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在。能够复制、表达和发挥作用；进而启发学生思考和讨论：怎样使目的基因免于被受体细胞的防御系统摧毁呢?目的基因的复制和表达需要哪些控制元件。这些元件怎样获得呢?这些问题不但使学生意识到构建基因表达载体的必要性，而且对基因表达载体的结构和功能产生一个朦胧的意象；然后，结合基因表达载体的模式图(图5)，向学生解说表达载体与受体细胞“友好”相处使目的基因免除“灭顶之灾”，还需要有其他控制元件，以及基
12、因表达载体各种结构的功能。基因工程常用的受体细胞有：细菌细胞、植物细胞和动物细胞等，受体细胞和克隆载体的类型不同，导入方法不尽相同。教学时，可通过列举实例向学生介绍常用的转化方法：CaCl2法、花粉管通道法、农杆菌转化法、基因枪法和显微注射法等方法。最后，向学生质疑：怎样筛选出已经接纳基因表达载体的受体细胞？由此启发他们思考应用表达载体上抗生素基因的操作方法。有关目的基因的监测和鉴定的部分内容，教学时不宜展开。首先，列举实例说明有些目的基因的表达产物具有明显的形态特征，可以进行形态检测，如转Bt基因抗虫棉。然后，可以结合分子杂交检测示意图向学生概述从分子水平鉴定目的基因是否整合到受体生物染色体
13、DNA中的大体方法。34 基因工程的应用 基因工程的应用是基因工程基本操作程序的必然结果之一。如果将这部分内容仅作为基因工程的成果来学习，就会显得思维力度的不足。教学时，可以组织学生收集和处理有关基因工程应用方面的信息资料尤其是与解决当前世界上存在的重大问题作为主题，如以解决“粮食”、“环境污染”、“能源危机”、“攻克不治之症”等问题方面取得的重大成就，通过这样的活动不仅培养了学生处理信息的能力还会使学生感悟到肩负的社会责任，从而激发用科学技术报效祖国的志向。35 蛋白质工程 蛋白质工程是利用基因工程的手段，通过修改天然蛋白质的氨基酸序列来改造其结构和构象以获得具有理想生物学功能的蛋白质。本部
14、分内容的知识点主要有：蛋白质工程的崛起背景、基本原理、应用及发展前景等，教学重点是蛋白质工程的原理。教学时首先列举某个通过基因工程的操作手段对天然蛋白质进行改造的实例，如胰岛素、干扰素、天冬氨酸激酶、T4溶菌酶等，让学生认识到改造天然蛋白质的切入点在于改进它的氨基酸序列；进而启发学生回忆蛋白质合成过程遵循的中心法则，并以流程图(图6)形式呈现出来。然后。在此基础上向学生介绍蛋白质T程的基本流程：确定蛋白质的预期功能三维结构应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基序列。学生一旦领悟蛋白质工程的基本原理。应鼓励他们用简明而准确的短句来陈述蛋白质工程原理的基本要点。以上教学构思是个人对高中生物学新课程标准的肤浅认识，仅供同仁参考。作者单位：北京市第四中学
