“基因表达载体的构建”
章节名称
人教版 普通高中 选修3 现代生物科技专题 专题1
1.2“基因工程的基本操作程序”
教材分析
（一）教材简析
人教版高中《生物(选修3)现代生物科技专题》专题1中的“基因表达载体的构建”，是基因工程的基本操作程序中的第二步，也是基因工程的核心，与《普通高中生物课程标准》中关于基因工程方面的具体内容标准之“简述基因工程的原理及技术”相一致。在福建省高考的《考试说明》中属于理解层次，要求学生能在较复杂的情境中综合运用其进行分析、判断和推理。
（二）教材的地位和作用
基因工程的基本操作程序专题1基因工程的重中之重，是本专题的核心，是高考和省市质检的重点和难点。而本节课“基因表达载体的构建”是基因工程的核心。该节内容上承DNA重组技术的基本工具，下接基因工程操作程序第3、4步以及基因工程的应用， 统览全册，与本节内容有关的章节很多，所以学会、学好本节内容直接关系后面的学习。
（三）教学总体目标分析
基因表达载体的构建过程，由于是DNA分子水平的操作，学生难以获得感性认识。而该内容涉及的限制酶的选择和筛选以及标记基因的作用等成为了考试的热点内容，但学生在解答过程中普遍反映难。导致学生困惑的主要原因是教师在教学过程中往往停留在基因工程的理想化的简要步骤的层面上，而重组质粒的形成、特点、表达、筛选等核心问题阐述不足。高中阶段的生物教学不是培养学科专家，而要着力于提高学生的科学素养。所以在本节课的设计中，通过一个具体的理论探究情境，基于微课的先学后教，利用纸质模型体验目的基因与运载体结合构建表达载体的过程。这样，学生的学习就不再是简单的知识记忆，而是对重要概念的构建，以期培养和发展他们的思维能力。
学情分析
课前学生已经通过微课学习了“基因表达载体的构建”的必要性。通过复习基因的表达，说明启动子与目的基因表达的方向必须一致；以抗氨苄青霉素基因为例，让学生对筛选有个感性的认识。因此，课前学生对基因表达载体的构建有了整体上的认识。通过 “DNA重组技术的基本工具”的学习和模拟了“单酶切”及“DNA连接”2种反应体系，学生对限制酶、DNA连接酶这些工具的作用有了初步的认识。基于已有的认知，学生更乐于从自己制作的模型中发现新问题，再进一步动手解决问题，完善模型，构建表达载体，化抽象为直观，真正做到知识的内化和融会贯通。
教学目标
知识与技能
1、 阐述构建基因表达载体的必要性和基本要求。
2、 根据基因表达的过程，利用恰当的工具酶，构建表达载体。
3、 运用“插入失活法”、“影印培养法”筛选含有目的基因的受体细胞。
过程与方法
1、通过动手操作、小组合作，提高自主学习及合作探究的能力。
2、运用微课相关知识铺垫，展开课堂的深入探讨，解决更深层次的问题。
情感、态度
与价值观
1、认同在基因工程的诞生和发展过程中，科学理论和技术实践密切联系。2、通过体验，学习科学家严谨的研究过程和细致的科学态度。
教学重点
阐述构建基因表达载体的必要性和基本要求。
简述解决重、难点的措施
基于微课的先学后教，有了一定的知识储备，通过课堂的师生互动、生生互动，学生运用相关知识解决更深层次的问题。
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教学难点
1、 限制酶的选择。
2、 利用标记基因筛选受体细胞。
利用纸质模型体验目的基因与运载体结合形成重组质粒的过程。
教学过程
教学
内容
教师的组织和引导
学生活动
（预设）
设计意图
导入
新课
基因长度
价格
目的基因
≦249bp
（碱基对）
￥888/个
250-750bp
￥4/bp
751bp-1500bp
￥5/bp
PET-32(a) （某种质粒）
￥800/个
基因工程已发展了40多年，现在有专门的生物技术公司出售某些目的基因和质粒等转基因所需的各种材料或工具。引导学生分析虽然方便，但价格不菲，后续导入、检测手段也在不断发展，但是基因工程的成功率比较低，常常回过头重新修饰基因表达载体来解决问题，可见基因表达载体的构建是基因工程的核心。
体会基因表达载体的构建是基因工程的核心。
学生通过直观的价格感受，体会到材料来源相对容易，但价格不菲，而基因工程成功率低，明确构建基因表达载体的重要性。
一、目的基因和运载体的连接
目的基因片段本身不能稳定的独立遗传，要选择合适的载体将其导入受体细胞，而最常用的运载体是质粒，质粒是不是直接拿来用？
在构建基因表达载体的过程中，首先要选择合适的限制酶来切割含目的基因的外源DNA和质粒，使目的基因和运载体能够连接上 。
上节课学习了DNA重组的基本工具，我们模拟了酶切和连接两种反应体系，只使用Sal Ⅰ一种限制酶切割含目的基因的外源DNA和质粒，然后在DNA连接酶作用下形成重组质粒。（见附件1）同学们用模型的方法推测实际可能产生的连接产物有哪几种？（限于两个及两个以下片段的连接）
教师点评并及时归纳板书
不行，因为自然界中质粒一般不能同时具备所需的各项条件，通常要进行人工改造，加入启动子、终止子、标记基因等。
学生汇报。
①目的基因和目的基因连接
②质粒和质粒连接
③目的基因和质粒连接
④目的基因的自身环化
⑤质粒的自身环化
检测微课的学习效果。
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为什么会出现这么多种连接产物呢？
各小组挑出本组制作的载体与目的基因连接后的重组质粒，互相观察并比较是否有不同。
实物投影2种不同的连接方式，设问：它们最终表达出的蛋白质一样吗？
教师提出目的基因的“正向连接”和“反向连接”。
方向正确了，目的基因是不是就能正确表达呢？
一种限制性核酸内切酶切割后产生的黏性末端只有一种，相同的黏性末端之间可以任意连接。
学生通过比较，能够发现有的小组目的基因插入方向与别组有不同。
启动子位于目的基因的上游，目的基因的反向连接，使得整个基因的碱基序列发生改变，导致转录出来的mRNA上的密码子顺序改变，使得翻译不能正常进行，无法得到正常的表达产物。
还要依赖于终止子，使RNA聚合酶从DNA上脱落，防止产生不必要的转录产物。
从而发现目的基因不同的插入方向将导致出现不同的基因产物。
模拟科学家在实际动手操作的过程中发现问题，激发学生学生的学习热情。
二．利用标记基因筛选含目的基因的受体细胞
基因工程的第三步是把目的基因导入受体细胞，但我们动手模拟实际产生了这么多种连接产物，都有可能进入受体细胞（大肠杆菌），但只需要哪一种？
怎么筛选？
具体怎么操作？
引导学生，通过逐一分析连接产物上的抗性基因进行判断存活还是死亡。
进一步分析，有没有更好的筛选方案？
教师PPT展示该种鉴定法为“插入失活法”并介绍影印培养法。
但是筛选结果还存在什么问题。
目的基因-质粒正向连接。
利用标记基因。
学生可能的回答：
①用含氨苄青霉素的培养基培养，存活下来的就是导入目的基因-质粒的大肠杆菌。
②用含氨苄青霉素和四环素的培养基培养，存活下来的就是导入目的基因-质粒的大肠杆菌。
学生一一分析后发现均不可行。
先用氨苄青霉素培养基培养，后放入四环素培养。
学生质疑：先用氨苄青霉素培养基培养，存活下来的可能是导入目的基因-质粒，质粒-质粒，质粒自身环化，再加入四环素，死亡的是目的基因-质粒的，都死了怎么筛选出来？
学生恍然大悟。
通过逐步深入的问题，渐进地突出重点，突破难点，学生们发现科学实践的过程远非理论记忆那么简单。
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目的基因-质粒有正向连接和反向连接无法筛选，各有50%的几率。
三、目的基因和启动子的相对位置关系
看来一种限制酶切割（单酶切）不能解决这个问题，随着科学发展，越来越多的限制酶被发现，展示质粒上其他的酶切位点，（见附件2）同学们想想如何解决目的基因定向插入这个问题呢？
布置任务：用双酶切能否保证目的基因的定向插入？用这种方法实际可能产生的连接产物有哪些？
教师归纳板书。
“双酶切”比“单酶切”有什么优势？
虽然“双酶切”具有优势，但在实际操作中，要根据载体和目的基因上酶切位点的情况选择“单酶切”或者“双酶切”。
提出用两种限制酶切割质粒，从而使切口处的黏性末端不同的思路。
让学生取出另一套材料，每组3个环状质粒，3个链状DNA，让学生再次模拟操作。
学生小组形式讨论、动手模型制作。
学生们观察发现，两种限制酶切割产生的黏性末端是不同的。
汇报：选用HindIII和SalI两种不同限制酶切能保证目的基因-质粒正向连接。
连接产物有：
①质粒-质粒连接
②目的基因-目的基因连接
③目的基因-质粒正向连接。
1、降低了分子间任意连接的概率。
2、保证目的基因的定向插入，实现目的基因的正确转录和表达。
在实际动手操作的过程中发现问题，解决问题。
课堂上的模拟可以大大降低空间想象的难度，使抽象的内容直观化。
四、巩固与检测
微课自学任务单第3题（见附件3），课前学生普遍反映困难。通过本节学习，重新审视、交流。
小组交流讨论。
学生代表利用智慧教室电子白板上台讲解。
检测学生对所学知识的理解和掌握情况。
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五、归纳总结
基因工程的诞生和发展的历程。
学生明确原理转化为技术，技术又推动科学的新发展。唯有创新才是科技发展的动力。
【板书设计】
专题1 1.2基因工程的基本操作程序之基因表达载体的构建
一、目的基因和运载体的连接
二、利用标记基因筛选含目的基因的受体细胞
三、目的基因和启动子的相对位置关系
附件1：
附件2：
【教学反思】
基因表达载体的构建是基因工程的关键步骤，空间想象难度大，科学理论和技术实践密切联系，思维跨度也大。福州屏东中学学生程度一般，正因如此，处理不好会提高学习难度，令学生视高科技为畏途，导致教学流于形式。本节课用微课和模型成功地化解了难点。
一方面基于学生课前微课的“先学”，学生对表达载体的构建有个整体的认识，然后以此为支架在课堂上填充和拓展内容，当学生在课堂上遇到相关问题时，能尽快到达 “最近发展区”，获得进一步的发展，使学生逐渐对细节有更丰富更具体的理解，这种先整体后局部的处理符合学生的认知规律。基于微课的先学后教模式实质上是利用微课为学生创设一个情境，使学生带着思考和疑惑走进课堂，节省课堂的热身时间，从而使高效率大容量的课堂教学目标得以实现。
另一方面高二学生具有抽象思维，但是仍然需要感性知识，形象知识作为支持，所以教师精心设计纸质模型，基于教材原有的学习完“DNA重组的基本工具”后的纸圈模拟活动，再设计了双酶切的活动，化微观为直观，一系列问题的发生都源自学生自己亲手构建的模型，从模型中发现问题，进而逐步由浅入深。学生像科学家一样思考问题、解决问题，获得成功的体验。由于是带着问题的探究模拟活动，使学生的课堂参与是形式之上思维的积极参与。学生获得的体验是：基因工程这么高深的原理原来我也能想得到。
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学生的纸质模型立体、科学、易操作，但不好展示，而教师利用不同颜色的磁贴，随着课程的逐步推进，简洁明了地逐步在黑板上呈现，让整个环节衔接自然，师生互动流畅。直观的教学手段——模型构建，减轻了学生掌握这些知识的阻力，激发了学习积极性，使学生在轻松愉快的氛围中突破了重难点，强化了学生交流合作意识。
总之，作为教师，应该想学生之所难，积极探索有效途径，一堂成功的课不是展示教师的才智、形象、语言，更要通过学生的成功来反映。
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