基因工程的教学设计

一、教材分析

根据教学大纲要求，关于基因工程主要学习三方面内容，包括基因工程的概念，基因操作的工具和基本步骤，基因工程所取得的成果以及发展前景。它是在学习基因之后，在生物学上重要的应用，应予以重视。

基因工程又称为重组DNA技术，是利用重组技术，在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对各种生物的核酸（基因）进行改造和重新组合，然后导入微生物或真核细胞内进行无性繁殖，使重组基因在细胞内表达，产生出人类需要的基因产物，或者改造、创造新的生物类型。

基因操作的工具：                                         

（1）基因的剪刀——限制性内切酶。

（2）基因的针线——DNA连接酶。

（3）基因的运输工具——运载体。

基因操作的基本步骤如下:

(1) 提取目的基因

 获取目的基因是实施基因工程的第一步。如植物的抗病（抗病毒 抗细菌）基因， 种子的贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因干扰素基因等，都是目的基因。

 要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因，是十分不易的。科学家们经过不懈地探索，想出了许多办法，其中主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因。

 直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的DNA（即外源DNA）的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（在遗传学中叫做扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。

 用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，一般使用人工合成的方法。

 目前人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA为模版，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。另一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对的原则，推测出它的基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。

(2)目的基因与运载体结合

基因表达载体的构建（即目的基因与运载体结合）是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。

将目的基因与运载体结合的过程，实际上是不同来源的DNA重新组合的过程。如果以质粒作为运载体,首先要用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个缺口，露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端（部分限制性内切酶可切割出平末端，拥有相同效果）。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处，首先碱基互补配对结合，两个黏性末端吻合在一起，碱基之间形成氢键，再加入适量DNA连接酶，催化两条DNA链之间形成磷酸二酯键，从而将相邻的脱氧核糖核酸连接起来，形成一个重组DNA分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒DNA分子结合，形成重组DNA分子（也叫重组质粒）的。

(3)将目的基因导入受体细胞

将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后，下一步是将重组DNA分子引入受体细胞中进行扩增。基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌，枯草杆菌，土壤农杆菌，酵母菌和动植物细胞等。

 用人工方法使体外重组的DNA分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后，就可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌的繁殖速度非常快，在很短的时间内就能够获得大量的目的基因。

(4)目的基因的检测和表达

目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。这是基因工程的第四步工作。

以上步骤完成后，在全部的受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。检测的方法有很多种，例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。

基因工程所取得的成果以及发展前景：在农牧业生产方面，在食品工程方面，在环境保护方面，在医药卫生方面等，取得的一系列成果，以及将来更广阔的发展前景。

二、学生分析                                                    

1、 如果学生基础薄弱，知识的运用能力较差，分析能力较弱，解题思路不清晰，我会主要偏重于基础知识，基本概念的讲解。在帮助学生理解记忆的基础之上，我会适当的选择一些关于基本概念，基本知识方面的题来让学生完成，在巩固的前提下，使他增强信心，能过更好，更深刻地了解基因工程的知识，以利于他之后更深层次的学习。在确定他确实已经掌握的情况下，再交给他一些思路，让他做一些难题，逐渐深入领悟基因工程的知识。学生虽然已经学习过基因的相关知识，但基因工程中出现许多新概念，如目的基因，限制性内切酶，运载体等概念，都较难理解，学生可能出现理解障碍。

2、 如果是一些基础很好，或处于复习冲刺阶段的学生，我会首先带着学生，概要的复习，总结一下，基因工程的基本知识，使他能够很快建立一种框架。之后，我会针对性地选择一些题，让学生加强理解和对知识深层次的把握。其中，我会多指出一些好的做题方法，思路，帮助学生进步。

3、 此外，我还会根据学生的性格特点，学习习惯，针对性地指导鼓励。例如，如果学生性格内向，但认真努力，我会积极按时他能行，他很棒，鼓励他不断进步。如果学生性格开朗大方，但粗心大意，我会指出他的毛病，时时提醒，帮助他克服改正。

（注：以下第一种学生为例进行教学设计。）

三、 教学目标                                             

 1．知识方面                                             

（1）基因工程的概念

（2）基因操作的工具和基本步骤

（3）基因工程所取得的成果以及发展前景                                 

2．态度观念方面

（1）通过学习基因操作的工具和基本步骤，形成结构与功能相统一的基本观点。                                                 （2）通过学习了解基因工程的发展前景及成果，培养理论联系实际的良好学风。                                                              3．能力方面

（1）通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方法，培养观察能力。

（2）能利用课本以外的资料和信息解决课内学习中发现的问题，从而培养学生自主学习能  力，为终身学习、后续学习打下坚实的基础。

（3）通过对基本概念、基本原理、科学方法的正确理解和掌握，逐步形成比较、判断、推理、分析、综合等思维能力，具备能运用学到的生物学知识评价和解决某些实际问题的能力。

（4）通过对基因操作基本步骤的学习，使学生在理解步骤的同时，举一反三，对于其他基因工程操作实例做到能理解、能介绍，从而培养学生对相关知识的理解能力及良好的语言表达能力。   

四、教学重点分析

（1）基因操作的工具和基本步骤。

对于基因操作的工具，需要通过教师的启发引导，使学生理解基因操作是在分子水平上进行的操作，从而使学生形象地理解操作工具的重要性及各种工具的作用；对于基因工程的基本步骤，要求学生在掌握四大基本步骤的基础上，从基因结构的角度，理解每一步骤实施的基本过程和原理。

（2）基因工程在医药卫生方面的重要作用及基因工程在农牧业方面取得的成果及前景。                                                    

对于基因工程在医药卫生和农牧业方面的成果与前景，主要是使学生掌握大量的基因工程应用方面的信息，了解诸方面的应用实例，通过对基因工程最新成果的了解，拓展学生的知识领域，开阔学生的思路。

五、教学难点及分析

（1）限制性内切酶和运载体的作用及提取目的基因的方法和目的基因导入受体细胞的途径。 

对于限制性内切酶和运载体的作用，要在看懂课本示意图的基础上，理解限制酶的特异性及特定的碱基序列，从结构上掌握运载体，尤其是质粒的有关知识，为理解基因操作的基本步骤打下基础；对于提取目的基因的方法和目的基因导入受体细胞的途径，在教学过程中要使学生将抽象静止的过程理解为动态的过程，注意区分各种方法之间的区别和优势，注意区分易混的概念，并指导学生理解有关基因操作方面的前沿技术。

（2）基因诊断和基因治疗的原理。

对于基因诊断和基因治疗的原理，要使学生在对比的基础上，理解二者的区别及各自的应用实例，也可让学生搜集大量的资料，扩展学生的知识范围，通过对资料实例的分析理解二者的区别。

六、教学方法

1、复习引入

2、讲授新课

3、总结

七、教学器材

 PPT，flash等

八、课时安排

复习：5分钟

基因工程的概念：10分钟

基因操作的工具和基本步骤:30分钟

基因工程所取得的成果以及发展前景:15分钟

共60分钟，即一个课时。其中每一部分都包括提问，解答，练习等。

九、教师活动及学生活动（学生配合老师一起完成学习任务）

（一）、复习引入：

众所周知，对于大多数生物而言， DNA是主要的遗传物质，有遗传效应的DNA片段     叫基因，生物之所以体现出各种形态是基因表达的结果。但是各种生物间的性状千差万   别这是为什么呢？

  提出问题，引导学生回答：生物体的不同性状是基因特异性表达的结果。

  1．青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素。

   2．豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。

  3．人的胰岛B细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。

  以上几种生物各自有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果，但是人  类能不能改造基因呢？能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？例如，   让禾本科植物能够固定空气中的氮气；让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物。这   样既节省了人力，又简化了生产，同时还不会对环境造成污染。这种设想能实现吗？回   答是可以的。通过科学家们的不断努力，在20世纪70年代终于创立了一种能定向改造   生物的新技术——基因工程。

  根据具体实例提出假设，引导学生思考，激发学生求知、探究的欲望，同时引出本  节课题：基因工程简介

（二）、讲授新课与归纳总结

 1．基因工程的概念

  对于基因工程的概念，教师应在指导学生阅读教材的基础上，让学生理解基因工程  概念的两种不同的表述方式（标准概念和通俗概念），并通过提问的方式指导学生找出   概念中的关键词语，便于学生的记忆，最后由教师归纳列表，引导学生独立完成。

基因工程的别名

基因拼接技术或DNA重组技术

操作环境

生物体外

操作对象

基因

操作水平

DNA分子水平

基本过程

剪切→拼接→导入→表达

结果

人类需要的基因产物

2．基因操作的工具

   教师利用幻灯片或PPT课件演示基因工程培育抗虫棉的简要过程

   学生思考，总结在以上的基因工程培育抗虫棉的过程中，关键步骤或难点是什么？

关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取。

   关键步骤二：抗虫基因与运载体DNA连接。

   关键步骤三：抗虫基因进入棉细胞。

   通过对以上关键步骤的确定，教师引导学生思考，使学生理解在关键步骤的完成过   程中都要用到基因操作工具，并使学生形象地记忆“工具”的作用。

关键步骤一的工具：基因的剪刀——限制性内切酶。

   关键步骤二的工具：基因的针线——DNA连接酶。

   关键步骤三的工具：基因的运输工具——运载体。

  （1）基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）。

     ①分布：主要在微生物中。

    ②作用特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。

    ③结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。

    ④举例：大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。

  （2）基因的针线——DNA连接酶。

    ①连接的部位：

    ②结果：两个相同的黏性未端的连接。

  （3）基因的运输工具——运载体

   帮助学生形象地理解运载体的作用、种类及其所具备的条件，通过教材中的示意       图或多媒体演示使学生由浅入深逐步理解，指导学生归纳如下：       

 ①作用：将外源基因送入受体细胞。

    ②具备的条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有         某些标记基因。

    ③种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。

    ④质粒的特点：见书本

3．基因操作的基本步骤。

  由于基因操作的基本步骤比较抽象和微观，理解起来有一定的难度，需要将复杂的      问题简化，使学生直观地理解抽象事物。

（1）提取目的基因

  让学生根据具体的实例理解目的基因的概念思考如何从DNA分子中提取目的基因，   从而更清楚地了解什么是目的基因。

 （2）目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）。

  让学生思考目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况？

  在学生思考讨论的基础上，引导学生理解该问题。有三种情况：目的基因与目的    基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合。 

  （3）将目的基因导入受体细胞。

     导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径

     导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌

  （4）目的基因的检测和表达

大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。

根据示例帮助学生掌握目的基因的检测与表达。

     4．基因工程所取得的成果以及发展前景

      引导学生自主归纳，总结。

十、设计理念及反思

设计理念：以亲切的言语鼓励学生，帮助学生建立起信心，多观察，多思考，多总结，多反复，多巩固。改变以往以老师为中心的学习模式，以学生为中心，帮助学生提高提出问题，分析问题，归纳问题的能力。让学生参与到课程之中，而非完全由老师灌输。

反思：教学优点是关于基因工程的课程全面细致，运用多媒体及flash动画的形式，形象具体地让学生充分参与到学习中来，感受学习的快乐;另外注重思维过程，能够较好的帮助该基础薄弱的学生较快的提高。体现出“学思结合，学用结合，学习动机与意志品质结合”的教学理念。但教学中也存在不足，可能课程安排过于紧凑，使学生很难一下子全部接受；其次配套试题可能不够多，若能再多找一些针对性试题，会更有助于学生巩固知识，扎实记忆。