“基因工程”單元教學(xué)設(shè)計-高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

“基因工程”單元教學(xué)設(shè)計1.單元教學(xué)內(nèi)容分析及設(shè)計思路本單元設(shè)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(chǔ)。本單元的內(nèi)容與數(shù)學(xué)、技術(shù)等學(xué)科知識相聯(lián)系，涵蓋實驗、數(shù)學(xué)分析、生物技術(shù)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(xué)習(xí)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(xué)(project-basedlearning，簡稱PBL)，滲透STEM教育理念。需要安排5課時的教學(xué)，通過真實情境確定可研究的項目，通過項目的分析、設(shè)計與實施、評價等過程，解決單元學(xué)習(xí)的核心問題———基因工程的技術(shù)原理、工具、流程和應(yīng)用，具體思路框架如圖1所示。2.單元教學(xué)目標(biāo)(1)通過分析DNA的科學(xué)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(rèn)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(yīng)用是怎樣實現(xiàn)的，形成以生命觀念為指導(dǎo)，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(fù)制以及基因的表達(dá)等相關(guān)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(dá)并闡述其內(nèi)涵;歸納、整理基因工程應(yīng)用實例，說明基因工程的應(yīng)用類型;通過構(gòu)建討論模型和基因工程與其他生物技術(shù)結(jié)合獲取基因工程產(chǎn)品的流程圖，闡述基因工程應(yīng)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(dá)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(shè)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(yīng)用”活動，掌握根據(jù)需要設(shè)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(shù)，認(rèn)同科研工作者在基因工程領(lǐng)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(yīng)用;通過構(gòu)建、整合討論模型，探討基因工程的應(yīng)用價值，設(shè)計工程學(xué)實踐方案，感受、認(rèn)同、闡述基因工程的應(yīng)用價值。3.單元教學(xué)過程3.1在情境中確定可研究項目本單元的大情境設(shè)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(dǎo)學(xué)生思考如何運用基因工程技術(shù)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(dá)ACS6蛋白的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株”。通過設(shè)計子情境“ACS6蛋白的基因表達(dá)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(yīng)用價值”將研究項目拆解成相互關(guān)聯(lián)的獨立問題。設(shè)計意圖:旨在創(chuàng)設(shè)一個可供師生共同完成的項目作為主軸，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)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(shè)計使學(xué)生更容易融入到學(xué)習(xí)情境中，合作完成項目的分析、設(shè)計和實施、評價，加深對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)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(xué)生在本單元中，基于項目開展學(xué)習(xí)，在項目的分析、設(shè)計與實施、評價的過程中，設(shè)置了材料分析、模擬實驗、流程設(shè)計、探究實驗、調(diào)查活動、建模討論、工程設(shè)計等活動，進行小組合作，解決基于真實情境的問題，精心設(shè)計、完成項目。在經(jīng)驗和操作中，實現(xiàn)知識的整合;在設(shè)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(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等跨學(xué)科知識的獲取，掌握基因工程的理論知識、技術(shù)流程和應(yīng)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(xué)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(chǔ)，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(biāo)有堿基對序列的環(huán)狀卡紙、標(biāo)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(shè)計意圖:學(xué)生通過回顧科學(xué)史和模型，溫故知新，學(xué)習(xí)新概念的同時，感受科學(xué)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(rèn)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(shè)計與實施設(shè)計方案環(huán)節(jié)包括1個活動【活動1】流程設(shè)計:以流程圖的形式設(shè)計培育持續(xù)激活表達(dá)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(xì)胞中穩(wěn)定存在，攜帶目的基因的表達(dá)載體如何成功導(dǎo)入細(xì)胞并穩(wěn)定表達(dá)”等問題，得出基因工程的四步基本操作流程，設(shè)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(yīng)室等實物材料，模擬PCR反應(yīng)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。【活動3】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(dá)載體上有哪些必要的元件，根據(jù)表達(dá)載體的相關(guān)資料，說出啟動子、終止子、目的基因、標(biāo)記基因、限制酶切割位點、復(fù)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(dá)載體通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入擬南芥細(xì)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(xì)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(dá)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(shè)計意圖:學(xué)生合作執(zhí)行任務(wù)，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(shè)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(xué)的飛速發(fā)展;通過探究實驗，體驗分子生物學(xué)實驗的操作模式，掌握基因工程的具體技術(shù)，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(xiàn)、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(yīng)用實例，并對其進行分類?！净顒?】建模討論:根據(jù)調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建基于應(yīng)用類型、實例、技術(shù)、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(yīng)用價值(圖4)?！净顒?】工程設(shè)計:根據(jù)文字材料，結(jié)合已學(xué)習(xí)的動物細(xì)胞培養(yǎng)、胚胎移植、克隆技術(shù)、微生物篩選和培養(yǎng)技術(shù)、發(fā)酵工程等知識，設(shè)計通過基因工程技術(shù)獲得相關(guān)生物產(chǎn)品的流程圖，如用乳腺生物反應(yīng)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(shè)計意圖:學(xué)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(xué)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(yīng)用價值;針對特定情境，設(shè)計工程學(xué)實踐方案，將基因工程與多元化的生物學(xué)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(xué)反思在真實的情境中，學(xué)生更易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，進行主觀學(xué)