专题三 主题二 单元教学案例7 以基因工程手段实现干扰素的大量生产-高中生物单元教学设计

>> 212 高中生物单元教学设计　 （八）作业与拓展学习设计 【概念检测】 总结初生演替和次生演替的演替过程，判断湖泊的演替类型。 【素养提升】 从群落演替的角度提出建设美丽家乡的具体措施。 （九）特色学习资源分析、技术手段应用说明 文本资源：我国退耕还林、还草、还湖的政策等。 图片资源：裸岩上的演替图、弃耕农田上的演替图、校园草坪的照片等。 视频资源：延安退耕还林的视频、洪水冲塌房屋的新闻视频。 （十）教学反思与改进 本节课通过多个视频和图片，让学生在真实的情境中，体会群落演替的概念和 人类活动对群落演替的影响。学生通过自主阅读教材和模型构建的方法，理解演替 的过程和实质。同时，教师通过层层递进的问题串和表格设计，引导学生开展有效 的自主学习和小组合作学习，训练学生的科学思维和培养学生的科学探究能力；通 过联系学生的生活实际，引导学生关爱自然、敬畏生命。本节课也存在不足之处， 课前若能指导学生开展当地群落调查活动，就能更加丰富教学资源和学生的科学探 究体验。 单元教学案例 7  以基因工程手段实现干扰素的大量生产 设计者：靳海静 付晓星 臧岳铭 姜 丹 张秋月 田盼晴 刘文青 【单元内容分析】 人类的许多疾病都是由病毒引起的，再好的抗生素也无法将其完全杀死，直到 1957 年，科学家找到了对付病毒的“克星”。经过大量的实验，科学家发现在病毒的 刺激下，细胞会产生一种蛋白质抑制病毒的侵染，这种特殊的蛋白质能对病毒侵染起 到干扰作用，因此将其命名为“干扰素”。但是，要使干扰素成为药品进入临床应用， 必须解决大量制备的问题。那么，如何获得大量的干扰素呢？本单元将学习利用基因 工程的手段实现干扰素的大量生产。“基因工程”单元属于人教版高中生物学选择性必 修 3“生物技术与工程”的大概念 5“基因工程赋予生物新的遗传特性”，其中包含 2 　专题三 探索大单元教学　 213 << 个重要概念“基因工程是一种重组 DNA 技术”和“蛋白质工程是基因工程的延伸”。 第一个重要概念下分为 4 个次位概念，第二个重要概念下分为 2 个次位概念。次位概 念的确定依托于生物科学（包括理论基础与生物技术）的发展以及人类需求，是科技 发展后的必然产物，是理论发现与技术发展走向生产生活实践的必然结果。本单元的 设计注重“工程技术”的整体性与连贯性，在落实知识的同时，更加重视各个技术环 节间的联系，能在学生的认知中形成完整的技术路线，使学生理解各种技术手段的用 途，从而能够根据自身需求选择合适的方法调整技术路线，解决现实问题。 本单元的知识框架如下： DNA 【单元学情分析】 基因工程本质上是将一种生物的基因（或外源基因）转移到另一种生物体内进 行表达。关于 DNA 的结构与复制、基因的表达、DNA 的转移等相关内容，学生在 必修 2 中已经学习过，而微生物的大量培养在“发酵工程”中已经实现，因此基因 工程重点解决外源基因在微生物细胞中实现大量表达的工具与技术手段。本单元的 实验大部分在高中无法实现，相关知识显得抽象、复杂，涉及的技术和术语较多， 如 PCR 技术、抗原—抗体杂交、电泳等，对于学生来说，本单元知识属于学习的 难点。 >> 214 高中生物单元教学设计　 【单元学习目标】 1. 通过回忆 DNA 的结构与复制、基因表达、中心法则等相关内容，依据结构与 功能相适应的观念，认识到不同生物的 DNA 结构相同，DNA 复制与基因表达过程 基本相同，从而达到认同异种生物基因能够在其他生物细胞中表达的生命观念。（生 命观念） 2. 通过学习“重组 DNA 技术的基本工具”及“基因工程的基本操作程序”，熟 悉基因工程的技术路线，并对其形成整体的认识；能够举一反三，利用基因工程解 决类似课题，同时发现并认同基因工程还存在无法解决的问题，在不断完善技术路 线的过程中，形成探究蛋白质工程的基本操作及用途的科学思维。（科学思维） 3. 借助“DNA 的粗提取与鉴定”和“DNA 片段的扩增及电泳检测”，体会实验 室中的技术与实验规范。通过探究实验更好地理解提取 DNA 的原理及 PCR 扩增与 电泳的原理，并建立“获取 PCR 扩增的模板（提取 DNA）→ PCR 扩增（设计扩增 目的基因的引物）→电泳鉴定扩增产物（是否成功扩增出目的基因）”的技术路线。 （科学探究） 4. 通过分析科学史资料，理解科学的本质、科学研究思路及发展过程，体会科 技发展的曲折，认同造福人类、满足人类需求是科技发展的驱动力，认识到科学、 技术、工程和社会的互动不断调整着人类与自然界的关系，推动着文明的进步。（社 会责任） 　专题三 探索大单元教学　 215 << 【单元评价方案】 “基因工程”单元教学基于核心素养的课堂学习成果评价量表 核心 素养 教学目标 驱动性任务及 问题 学生课堂表现及相应分值 水平四 （4 ～ 5 分） 水平三 （3 分） 水平二 （2 分） 水平一 （1 分） 生命 观念 理解 PCR 的过程 和原理，认识到不 同基因可以进行剪 切和拼接，落实生 物具有统一性的生 命观念。通过目的 基因的检测原理与 鉴定，落实基因表 达 过 程 基 本 相 同， 从而认同异种生物 基因能够在其他生 物细胞中表达 PCR 技术和 体 内 DNA 复 制的异同，以 及进行不同生 物拼接的工具 若某已实施 转基因操作的 生物未获得相 应性状，根据 体内基因表达 的过程鉴定基 因工程哪一步 出现问题 能 准 确 阐 述 PCR 技 术 和 体 内 DNA 复制的异同， 全 面 描 述 基 因 工 程 操 作 的 工 具， 准 确 阐 述 目 的 基 因 的 检 测 与 鉴 定 的 过 程和原理 能 简 单 说 明 PCR 技 术 和 体 内 DNA 复制的异同， 描 述 基 因 工 程 的 工 具， 但 不 完 整。 能 简 单 说 出 检 测 的 方 法 和 原 理， 但 不完全 能简单说明 PCR 技 术 和 体 内 DNA 复 制的异同，描 述 基 因 工 程 的 工 具， 但 有 错 误。 能 说 出 检 测 的 方法和原理， 但有错误 仅 能 部 分 说 出 相 关 理 论， 并 且 存 在错误表述 科学 思维 从引物与模板的 特异性结合角度分 析，得出利用 PCR 和电泳技术对未知 DNA 分子鉴定的机 理，培养科学思维 提 取 DNA 选择的实验材 料，DNA 与蛋 白质分离的方 法，引物设计 的原理和注意 事项 准 确 阐 释 实 验 原 理 和 注意事项 简 单 说 出 实 验 原 理 和 注意事项 简 单 说 出 实 验 原 理 和 注 意 事 项， 但不完全 不 能 说 出 实 验 原 理 或 注意事项 科学 探究 探 究 不 同 材 料 DNA 粗提取的方法 略有不同 利用不同的 材料进行 DNA 粗 提 取 的 探 究，分小组合 作探究 在 探 究 活 动 过 程 中， 提 出 合 理 建 设 性 意 见， 并 积 极 动 手 操作 在探究活动 过程中，注意 聆听，积极动 手操作 在 探 究 活 动 过 程 中， 被 动 地 做 一 些辅助工作 参 与 探 究 活 动， 但 基 本 动 手 能 力 很差 社会 责任 积极关注社会热点 问题，对相关消息做 出理性解释和判断， 培养社会责任 分析谈论转 基 因 技 术 给 人的生活、生 产 和 社 会 刑 侦 等 方 面 带 来的影响 积 极 探 讨 转 基 因 技 术 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的正面影响， 科 学 地 宣 传 转 基 因 技 术 相关知识 积 极 探 讨 转 基 因 技 术 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的正面影响 积 极 探 讨 转 基 因 技 术 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的正面影响， 但 是 表 现 出 认识不足 对 转 基 因 技 术 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的 正 面 影 响 认 识 不 足 或 者 认 识 有错误 >> 216 高中生物单元教学设计　 【单元整体教学设计思路】 　专题三 探索大单元教学　 217 << 本单元以干扰素的功能与传统获取为背景，以通过基因工程实现干扰素的大量 生产为情境，以实际的实验室操作过程为路线，以小课题串联成大课题来展开，不 仅让学生体会到本单元内容的“工程性”，还要建立各技术环节间的“联系性”，形 成局部与整体观，体会局部是整体中的局部。 第 1 课时  目的基因的筛选与获取 1：DNA 的粗提取与鉴定 设计者：臧岳铭 （一）教学内容分析 DNA 的粗提取与鉴定是开展分子生物学研究的基本技术之一，是人教版高中生 物学选择性必修 3 的学生实验之一，介绍了大分子提取的基本思路、DNA 粗提取与 鉴定的原理以及实验方法。提取与鉴定 DNA 是基因工程中获取目的基因的基础操 作，本实验通过让学生体验 DNA 的粗提取与鉴定的过程，帮助学生了解 DNA 的理 化性质，让他们明白如何利用物质的理化性质，借助物理、化学的方法进行分离和 提纯。学生对从细胞中提取和鉴定 DNA 有浓厚的兴趣，可以通过实验对 DNA 有更 加直观的认识。 （二）学习者分析 1. 学生已有基础：细胞的分子组成、细胞的基本结构、DNA 是主要的遗传物质。 2. 学生可能存在的问题：虽然高二的学生对以上的理论知识已经有所掌握，但 是缺乏动手实践的实验经历，要求学生将理论和实验相结合，并用理论来指导实验 是有很大难度的。 （三）学习目标确定 1. 通过对植物和动物组织中的 DNA 进行粗提取，掌握 DNA 粗提取和鉴定的实 验原理和操作步骤，通过各种试剂在实验过程中的使用和实验的操作过程了解 DNA 的理化性质，掌握 DNA 提取和鉴定的方法。（科学思维） 2. 通过探究实验，具备发现问题、分析问题、解决问题的科学探究思维，能够 通过组内合作和组间交流，找到哪种实验方案更加适合该实验，培养严谨细致、实 事求是的科学态度。（科学探究） 3. 培养环保意识，减少废液对环境的污染，培养学生的社会责任。（社会责任） >> 218 高中生物单元教学设计　 （四）学习重点难点 学习重点： DNA 的粗提取与鉴定方法及其相关原理，以及发现问题、分析问题、解决问题 的科学探究过程。 学习难点： 通过实验引导学生发现问题并找出原因，通过材料的选择、步骤的改进、仪器 的替换等尝试优化实验。 （五）评价设计 “目的基因的筛选与获取1：DNA的粗提取与鉴定”课堂学习成果评价量表 核心 素养 学习目标 学生完成水平及分值 水平 4 （4 ～ 5 分） 水平 3（3 分） 水平 2（2 分） 水平 1（1 分） 生命 观念 通 过 阅 读 资 料、 图文分析，理解体 液免疫的结构基础； 通过探究抗体形成 的基本过程，构建 体液免疫的基本模 型，由此形成结构 与功能观、稳态与 平衡观等生命观念 能够准确阐 述体液免疫过 程及其所需的 结构基础，准 确阐释免疫系 统的功能和结 构之间的关系 能够阐述体 液免疫应答过 程及其所需的 结构基础，阐 释免疫系统的 功能和结构之 间的关系，但 不全面 能够阐述体 液 免 疫 过 程， 但不够准确或 全面 能够在教师的提 示下阐述体液免疫 过程，但不够准确 或全面 科学 思维 通过对有关新冠 疫苗接种的问题讨 论，解释疫苗作用 的机理 能够准确解 释疫苗作用的 机理 能够解释疫 苗作用的机理， 但不全面 能够解释疫 苗作用的机理， 但不够准确或 全面 能够在教师的提 示下解释疫苗作用 的机理，但不够准 确或全面 科学 思维 基于体液免疫的 基本原理，用图示、 模型等方法，阐释 体液免疫的机制及 二次免疫的特点 能够独立分 析教材给出的 图 示、 模 型， 概括、归纳免 疫的机制及二 次免疫的特点 能够通过教 师的问题引导， 分析教材给出 的图示、模型， 概括、归纳免 疫的机制及二 次免疫的特点 能够利用教 材给出的图示、 模型，在教师 讲 解 下 概 括、 归纳免疫的机 制及二次免疫 的特点 能 够 在 教 师 讲 解、同学帮助下概 括、归纳免疫的机 制及二次免疫的特 点 　专题三 探索大单元教学　 219 << 核心 素养 学习目标 学生完成水平及分值 水平 4 （4 ～ 5 分） 水平 3（3 分） 水平 2（2 分） 水平 1（1 分） 社会 责任 关注免疫学的最 新进展，提高对免 疫诊断与免疫治疗 的应用与发展的认 识，对学生进行职 业生涯教育，帮助 学生建立正确的价 值观 能够通过查 阅资料，较全 面地总结免疫 诊断与免疫治 疗的发展现状、 发展前景，能 够理性、客观 地评价免疫学 的应用 能够查阅资 料获得免疫诊 断与免疫治疗 的发展现状及 发展前景，能 够给出自己的 评价，较客观 但不够全面 能够查阅资 料获得部分免 疫诊断与免疫 治疗的发展现 状，能够给出 自 己 的 评 价， 但不够全面和 客观 能够参与查阅资 料，能够认同他人 的评价，但欠缺独 立自主性 （六）学习活动设计 教师活动 学生活动 1 任务一 ：本单元导入。 活动 1 ： 提供资料 ：人类的许多疾病是由病毒引起的，再好的抗生素也无法 完全消灭病毒。大量的实验研究发现，在病毒的刺激下，细胞中会产 生一种蛋白质，能抑制后来病毒的侵染，因为这种特殊的蛋白质对病 毒侵染能起到干扰作用，因此将其命名为“干扰素”。但是，要使干扰 素成为药品，必须解决大量制备的问题。如何获得大量的干扰素呢？ 人们首先想到用病毒刺激小鼠，让它们产生干扰素，再提取出来供人 使用，但是这种方法失败了。原因是小鼠体内产生的干扰素对人不管 用。所以，最理想的办法是用人自身产生的干扰素。科学家猜测，人 的血液细胞里本身就存在干扰素。后来研究证明，这种猜测是有道理的， 通过精密的血液分析，在人和许多动物的细胞中都找到了干扰素。人 们最初想到的是通过血液制取干扰素，但干扰素在血液中的含量太少 了，用大量的血液才能制得微量的干扰素，这种生产方式产量低得可怜， 价格也十分昂贵。这使干扰素无法得到普及、推广。 既然干扰素的本质是蛋白质，那么把这种蛋白质的基因找出来，并 将其转入大肠杆菌体内进行大量生产也许是个不错的方法。经过科学 家的试验，干扰素的批量生产成为可能。1980 年，科学家利用 DNA 重 组技术构建了生产干扰素的基因工程。 如今，运用基因工程技术可以大量获取各种干扰素。经过试验证明， 这样制得的干扰素对多种传染病的病毒有一定疗效。干扰素能减缓癌 细胞的生长，是很有希望的防癌治癌药物，具有非常广阔的前景。 请同学们阅读教材第 67 ～ 69 页完成以下任务 ： （1）明确基因工程的概念。 （2）了解基因工程的发展史。 活动 1 ： 阅读资料和教材第 67 ～ 69 页， 回 答 相 关问题。 续　表 >> 220 高中生物单元教学设计　 教师活动 学生活动 1 活动意图说明 ：通过阅读资料和教材，引入本章的教学内容并了解基因工程的概念。 任务二 ：新课导入。 活动 2 ： 展示干扰素在治疗疾病中的应用的图片、资料。 视频利用基因工程技术生产干扰素的视频。 引入新课 ：获取干扰素基因的第一步是在细胞中提取干扰素的 DNA。 活动 2 ： 阅读资料。 观看视频图片。 活动意图说明 ：本节课是学习基因工程的开端，学生通过观看利用基因工程技术生产干扰素 的视频，初步了解一些基因工程应用的实例，进而开展本节课的学习。 任务三 ：厘清实验思路，选取合适的实验材料。 活动 3 ： 在做实验前，我们要弄清楚这样三个问题 ： ① DNA 从哪里提取？②怎样提取 DNA ？③怎样鉴定 DNA ？ PPT 展示材料：猪肝、菜花、香蕉、鸡血、哺乳动物的红细胞、洋葱、 豌豆、菠菜。 设问 ：这些材料有哪些不能选作实验材料？为什么？ 原则上，凡是含有 DNA 的生物材料都可以考虑，选用 DNA 含量相 对较高的生物组织成功的可能性更大。请同学们从活动 1 的资料推测， 实验材料中选用什么样的比较好？ 教师介绍今天的实验材料 ：鸡血。 血液暴露在空气中会凝固，所以在取鸡血时要加入柠檬酸钠抗凝，然 后经过离心或静置，沉淀下来的就是鸡血细胞。除去上方的液体，就 得到了鸡血细胞液。 活动 3 ： 倾听思考。 学生思考提取 DNA 需要的实验材料的特 点，选取合适的实验 材料。 活动意图说明 ：通过设置问题让学生厘清本节实验课的学习思路，通过多种材料的选择比较 让学生理解选材的原则，进而让学生理解生物实验选择材料的一般方法和思路。 任务四 ：理解实验原理，掌握实验操作过程。 续　表 　专题三 探索大单元教学　 221 << 教师活动 学生活动 1 活动 4 ： （1）设置问题串讲解 DNA 的粗提取。 问题 ：获得 DNA 选用动物细胞进行实验，怎么让 DNA 释放出来？ 如果选用的是植物细胞，能不能用吸水涨破的方法？那可以怎么做 呢？ 我们得到了含 DNA 的液体，此时其中除了 DNA 还有什么？ 这时通过 3 ～ 4 层纱布过滤，可以将一些较大的杂质留在纱布上， 滤液中留有 DNA，还有蛋白质等杂质。 进一步提问 ：能不能用滤纸过滤？为什么？ （2）通过设问并借助学案讲解去除滤液中的杂质。 问题 ：怎么去除滤液中的杂质，将 DNA 提取出来？ 提取大分子的思路是选用一定的物理或化学方法分离出具有不同物 理或化学性质的大分子，所以要提取 DNA，可以利用 DNA 与蛋白质等 杂质在物理和化学性质方面的差异。学案上给出了几则资料，请同学 们阅读思考后小组内讨论可以采用什么方式将 DNA 与蛋白质等分离。 请学生展示。 （3）展示资料让学生理解如何析出 DNA。 展示资料：DNA 不溶于酒精溶液，但是细胞中的某些蛋白质溶于酒精。 可以在滤液中加入等体积的冷却的浓度为 95% 的酒精，静置 2 ～ 3  min，出现白色丝状物，就得到了粗提取的 DNA。用玻璃棒沿一个方 向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分。注意 ：搅拌要轻缓， 以便获得较完整的 DNA 分子。 （4）介绍 DNA 鉴定原理。 5 min DNA+ 教师讲述实验细节，提醒学生注意安全。 活动 4 ： 回答一系列问题串。 思考回答，阅读学 案，总结粗提取 DNA 中去除蛋白质等杂质 的方法。 学生展示去除杂质 的方案。 聆听思考。 阅读资料。 类 比、 思 考 总 结 DNA 的鉴定方法。 活动意图说明 ：通过问题串，引导学生通过独立思考、小组内交流讨论设计出具体方法，锻 炼学生分析资料、设计实验、合作学习、类比思考等能力。 任务五 ：实验操作。 活动 5 ： 给出具体操作步骤和试剂用量。 指导学生进行实际操作，及时解决学生出现的问题。 活动 5 ： 厘清思路，分组进 行实验。 活动意图说明 ：通过动手操作进一步增进对分离实验的了解，锻炼动手能力，增强合作意识。 任务 6 ：对学生的实验结果进行评价，分析失败原因，归纳总结。 续　表 >> 222 高中生物单元教学设计　 教师活动 学生活动 1 活动 6 ： 展示学生的实验结果，引导学生思考 ： （1）不同组的试管中液体颜色有差异，可能是什么原因？ （2）蒸馏水在操作中的作用是什么？ （3）实验过程中看到的和析出的 DNA 有什么不同？  DNA 的提取除了在基因工程中应用，还可应用于基因组测序、DNA 指纹技术、刑侦破案等生产生活中。但是，采用本节课的方法提取到 的 DNA 不仅有干扰素基因，还有很多其他的核基因，达不到实际应用 的标准，关于应用基因工程生产干扰素该如何得到大量的干扰素基因， 留给同学们课后了解。（为感兴趣的同学提供有关文献） 活动 6 ： 思考并回答问题。 倾听、思考。 活动意图说明 ：回忆操作过程，激发学生进一步学习有关内容的兴趣。 （七）板书设计 DNA 的粗提取与鉴定 1. 破碎细胞，释放 DNA 2. 去除滤液中的杂质 （1）溶解细胞核内的 DNA （2）DNA 的析出 3.DNA 的初步纯化 4.DNA 的鉴定 （八）作业与拓展学习设计 1. 课后查阅资料，了解基因工程的发展史。 2. 分析本节实验成败的原因，并通过自主探究、结果交流等环节从材料的选择、 步骤的简化、时间的缩短等方面优化本节课的实验方案。 3. 利用周末时间根据优化的实验方案再次进行实验。 （九）特色学习资源分析、技术手段应用说明 文本资源：PPT 展示干扰素的发现资料。 图片：干扰素在治疗疾病中的应用。 视频：利用基因工程技术生产干扰素的过程。 技术手段应用：数控、希沃白板。 （十）教学反思与改进 本节课设计的基本思路是理论结合实践，即先引导学生设计实验方案再动手实 续　表 　专题三 探索大单元教学　 223 << 施。在设计实验方案时，引导学生用已掌握的知识来解决新的问题，有利于学生知 识体系的构建，培养学生解决问题的能力。为了学生的实验能顺利进行，教师课前 查阅资料并进行多次尝试，总结出了十分具体的实验操作步骤。如果时间更充裕， 教师应指导学生按照自己的设计进行尝试，这对于发展他们的自主探究能力更为 有利。 第 2 课时  目的基因的筛选与获取 2：DNA 片段的扩增及电泳鉴定 设计者：靳海静 （一）教学内容分析 通常，根据数据库查找干扰素基因的序列，可以人工合成干扰素基因。除了人 工合成外，还可以利用PCR技术，教材以图示的方式展示了PCR需要的条件和设备、 PCR 的原理和反应过程，使人一目了然。本节课安排了实践活动，通过 DNA 片段的 扩增及电泳鉴定实验，帮助学生学习相关操作，加深对 PCR 的认识。 （二）学习者分析 学生已经学过 DNA 的体内复制过程，可以进一步理解 PCR 的原理和 PCR 反 应体系。体外扩增体系利用引物与模板特异性结合，通过设计特异性引物对特定的 DNA 片段进行扩增。生物大分子带负电，在电场中会迁移，在琼脂糖凝胶中迁移的 速度与分子量的大小有关，所以可以区分不同大小的 DNA 片段，然后通过与标准 DNA 进行比对，大致估测出待测 DNA 的片段长度。通过本节课的实验，学生进一 步理解 PCR 反应的原理，掌握 PCR 和琼脂糖凝胶电泳技术，认同现代生物技术的应 用价值，运用数学方法探究生物学问题，提高核心素养。 （三）学习目标确定 1. 结合生物体中 DNA 复制过程以及生物大分子的特性说出 PCR 技术和电泳技 术的基本原理，进一步加深结构与功能密切联系的生命观念。（生命观念） 2. 从引物与模板的特异性结合角度分析，得出利用 PCR 和电泳技术对未知 DNA 分子鉴定的机理，培养科学思维。（科学思维） 3. 积极关注社会热点问题，能利用所学知识对相关消息做出理性解释和判断， 培养社会责任。（社会责任） >> 224 高中生物单元教学设计　 （四）学习重点难点 学习重点： PCR 的原理和过程。 学习难点： 1. 利用 PCR 获取和扩增目的基因。 2.DNA 片段的扩增及电泳鉴定。 （五）学习评价设计 “目的基因的筛选与获取2：DNA片段的扩增及电泳鉴定”课堂学习成果评价量表 核心素 养 教学目标 驱动性任务 及问题 学生课堂表现及相应分值 水平四 （4 ～ 5 分） 水平三（3分）水平二（2分）水平一（1分） 生命 观念 PCR 的原理 和过程 P C R 技 术 和 体 内 DNA 复 制 的异同 能 准 确 阐 述 PCR 技 术 和 体 内 DNA 复制的异同 能简单说 明 PCR 技 术 和 体 内 DNA 复 制 的异同 能简单说 明 PCR 技 术 或 体 内 DNA 复 制 的 复 制 过 程， 但 不 完整 仅能部分 说出相关理 论，并且存 在错误表述 科学 思维 从引物与模 板的特异性结 合角度分析， 得出利用 PCR 和电泳技术对 未 知 DNA 分 子 鉴 定 的 机 理，培养科学 思维 引物设计 的 原 理 和 注意事项 能 准 确 阐 释 原 理 和 注 意事项 能简单说 出 原 理 和 注意事项 能简单说 出 原 理 和 注意事项， 但不完全 能简单说 出原理，但 基本不能说 出注意事项 科学 探究 分析电泳鉴 定的结果不止 一条的原因 分析电泳 鉴 定 的 结 果 不 止 一 条的原因 在 探 究 活 动 过 程 中， 能 提 出 合 理 建设性意见， 并 积 极 动 手 操作 在探究活 动过程中， 能 注 意 聆 听，积极动 手操作 在探究活 动过程中， 能 被 动 地 做 一 些 辅 助工作 能参与探 究活动，但 基本动手能 力很差 　专题三 探索大单元教学　 225 << 核心素 养 教学目标 驱动性任务 及问题 学生课堂表现及相应分值 水平四 （4 ～ 5 分） 水平三（3分）水平二（2分）水平一（1分） 社会 责任 积极关注社 会热点问题， 能利用所学知 识对相关消息 做出理性解释 和判断，培养 社会责任 分析谈论 PCR 技 术 对 社 会 刑 侦 遗 传 病 诊 断 等 方 面的影响 能 积 极 探 讨 PCR 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的 正 面 影 响， 科 学 宣 传 转 基 因 技 术 相 关 知识 能积极探 讨 PCR 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的 正 面 影响 能积极探 讨 PCR 给 人 的 生 活 和 生 产 带 来 的 正 面 影响，但是 认识不足 能对 PCR 对给生活生 产带来的正 面影响认识 不足或者认 识有错误 （六）学习活动设计 教师活动 学生活动 任务一 ：导入新课。 活动 1 ： 设置问题串讲解目的基因与粗提取 DNA 的区别。 （1）如果上一节课我们从小鼠的白细胞中提取核 DNA，提 取到的 DNA 就是目的基因吗？ （2）获得转干扰素基因生物时，是把粗提取的全部基因导入 受体细胞吗？如果不是，为什么不能导入全部 DNA 呢？ 提供资料 ：随着科技的发展，以及数据库序列对比工具的应 用，科学家可以从数据库中搜索并查找到干扰素基因的序列。 明确了序列后，应该怎么获取干扰素基因呢？如果干扰素基因 较短，又该怎么得到干扰素基因？ 人工合成基因费用昂贵，科研人员一般不利用人工合成法合 成大量的目的基因，请同学们思考如何从粗提取 DNA 中得到 大量的干扰素基因。 活动 1 ： 思考回答并阅读教材找出目 的基因的概念。 思考并回答不能导入全部 DNA 序列的原因。 思考并回答如何利用 PCR 获 取和扩增目的基因。 活动意图说明 ： （1）通过设问，引导学生理解目的基因的概念，进一步厘清核 DNA 与目的基因的关系。 （2）阅读资料，帮助学生理解怎样查找目的基因的序列，便于引出下面 PCR 过程中的步骤— 根据目的基因的序列设计引物。 任务二 ：利用 PCR 获取和扩增目的基因。 续　表 >> 226 高中生物单元教学设计　 教师活动 学生活动 活动 2 ： 通过设置问题串讲解利用 PCR 技术获取目的基因的过程。 让学生阅读教材第 77 ～ 79 页，结合必修 2 所学的 DNA 的 体内复制过程进一步思考与讨论 ： （1）PCR 过程包含哪几步？ （2）结合体内 DNA 复制的过程，思考 PCR 反应需要的条件。 （播放 PCR 视频，带领学生逐步分析如下问题。） （3）PCR 扩增的方向是什么？ PCR 反应每个步骤的变化如 何？ （4）复性时为什么几乎不会出现两条模板相互结合的情况？ 【拓展应用】设计引物是 PCR 技术关键步骤。某同学设计的 两组引物（只标注了部分碱基序列）都不合理（如下图），请 分别说明理由。   G A G G C T A G C C T G A A C T G C A G T T C G A C T C A T T A 教师归纳总结 ： 引物设计的要求如下 ： （1）引物自身不能环化。 （2）两种引物之间不能互补配对。 （3）引物长度不宜过短，防止引物随机结合。 提出问题 ：PCR 技术获取目的基因时至少要经过几次循环 才能从 DNA 分子中分离出目的基因？可以用 PCR 扩增 mRNA 吗？ 教师展示此过程 ： RNA RNA DNA DNA DNA DNAH （RNase H） 活动 2 ： 阅读教材回答问题。 观看视频逐步分析问题。 讨论拓展应用部分，总结出 第 1 组和第 2 组失效的原因。 思考讨论，并在纸上画出 3 次 PCR 过程，得出 3 次的答案。 活动意图说明 ：通过观看视频、阅读教材，对比必修 2 所学的体内 DNA 复制过程，理解 PCR 过程的原理，结合碱基互补配对原则总结引物设计的注意事项，最后设问 PCR 是否可以扩增 mRNA，帮助学生理解 PCR 扩增的模板是 DNA。 任务 3 ：DNA 片段的扩增和电泳鉴定实验。 续　表 　专题三 探索大单元教学　 227 << 教师活动 学生活动 活动 3 ： （1）播放视频并布置任务，注意微量移液器的使用方法和细 节。 （2）布置任务：按照 PCR 试剂盒使用说明加入 PCR 反应试剂。 （3）PPT 展示 PCR 仪的设置过程。 （4）给学生提供资料，帮助其鉴定目的基因。 资料 ：琼脂糖凝胶电泳是常用的分离、鉴定 DNA 的方法， 这种电泳方法以琼脂糖凝胶作为支持物，利用 DNA 分子在泳 动时的电荷效应和分子筛效应，达到分离混合物的目的。在 一定的电场强度下，DNA 分子的迁移速率取决于分子筛效应， 即分子本身的大小和构象。在本实验中，DNA 分子的迁移速 率与其大小成反比。 教师引导学生观看制作琼脂糖凝胶的视频。 布置任务：请同学们分组制作琼脂糖凝胶并进行点样和电泳。 由于 PCR 时间较长，教师需要提前准备已完成的 PCR 产物 和凝固的琼脂糖凝胶。 活动 3 ： 阅读学习移液器的使用。 操作 ：按照 PCR 试剂盒使用 说明加入 PCR 反应试剂。 调试 PCR 仪，开启 PCR 仪。 一位同学制作琼脂糖凝胶， 其他学生观看操作。 阅读教材学会点样并进行点 样和琼脂糖凝胶电泳。 活动意图说明 ：本实验让学生尝试进行 PCR 和琼脂糖凝胶电泳的基本操作，使他们体验这两 种常规的分子生物学实验方法，帮助他们理解技术的原理，从而为今后运用这些技术打下基础。 本节课在实验室完成。 （七）板书设计 PCR PCR DNA-PCR mRNA-DNA-PCR DNA （八）作业与拓展学习设计 1. 总结获取目的基因的方法并分析比较体内 DNA 复制过程和体外 PCR 过程的 区别。 2. 怎样判断是否扩增出了 DNA 片段？ 3. 若电泳鉴定的结果不止一条，请分析产生这个结果的原因是什么。 （九）特色学习资源分析、技术手段应用说明 图片资源：PCR 反应过程示意图等。 技术手段应用：希沃白板。 场所：学校分子实验室。 续　表 >> 228 高中生物单元教学设计　 （十）教学反思与改进 本节课内容比较多，为了节约时间，教师可以课前准备一份 PCR 产物，以及凝 固的琼脂糖凝胶和已经电泳结束的实验结果供学生课上分析。课上学生通过操作直 观感受和体验实验过程，但是由于 PCR 时间和电泳时间较长，学生的电泳结果只能 课下分析。 第 3 课时  基因表达载体的构建 设计者：姜 丹 （一）教学内容分析 基因表达载体的构建是基因工程基本操作程序的第二步，也是培育干扰素工程 菌的核心工作。本节重点介绍重组 DNA 技术需要的三种工具，并在获得干扰素基因 的基础上使用这三种工具成功构建基因表达载体。通过创设整体化的、真实具体的 大情境，并基于该大情境设置层层递进的任务群，教师引导学生以小组合作讨论的 方式，根据提供的生物学事实材料进行推理、归纳，设计出合乎逻辑的可行的基因 工程操作方案，同时帮助学生在讨论和修正方案的过程中不断审视自己和他人的观 点，从而训练和提升科学思维。 （二）学习者分析 学生在必修 2 已经学习了基因的本质和结构，具备相应的知识基础，且上一节 已经了解了培育干扰素工程菌的大致过程。本节继续以此为情境来安排教学内容， 能够消减学生的陌生感。学生虽然具备一定的逻辑推理能力，但微观的“分子工 具”、基因表达载体的构建过程等知识过于抽象，需要利用图片、动画视频、活动模 拟等来提供直观感受，辅助理解。 （三）学习目标确定 1. 结合已有知识及材料，分析阐明重组 DNA 技术所需的三种基本工具的特点及 作用，以及基因表达载体的组成部分。（科学思维） 2. 重组 DNA 的模拟探究实践，引导学生体会单酶切和双酶切，以及不同连接产 物的筛选。（科学探究） 3. 认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新，进而激发学生为实 　专题三 探索大单元教学　 229 << 现科技强国而奋斗的精神。（社会责任） （四）学习重点难点 学习重点： 重组 DNA 技术的三种工具、基因表达载体的组成部分。 学习难点： 载体需要具备的条件、成功构建基因表达载体的关键。 （五）学习评价设计 “基因表达载体的构建”课堂学习成果评价量表 核心 素养 教学目标 驱动性任务 及问题 学生课堂表现及相应分值 水 平 四（4 ～ 5 分） 水平三 （3 分） 水平二 （2 分） 水平一 （1 分） 科学 思维 综合应用所 学知识和科学 思维方法来成 功构建基因表 达载体 选 择 合 适 的限制酶切 割目的基因 和载体 能快速正确地 选择合适的限制 酶，并能说出原因 能 正 确 选 出合适的限 制酶 在 选 择 限 制酶时会出 现部分错误 不能选出合 适的限制酶 科学 探究 以干扰素工 程菌为贯穿情 境，通过模拟 探究活动进行 实践 引 导 学 生 体会单酶切 和双酶切的 优缺点 能作为团队领 导者，带领团队 成 员 积 极 参 与， 独立准确地分析 单 酶 切 的 弊 端， 并提出双酶切解 决方案 能 积 极 参 与，较准确 地分析出单 酶切的弊端 积极参与， 在团队成员 的 帮 助 下， 能提出单酶 切的弊端 不能有效参 与团队活动， 在 教 师 讲 解 后 能 理 解 单 酶切的弊端 社会 责任 通过了解我 国 成 功 研 制 的 首 个 基 因 工程药物，认 同 科 技 强 国 的重要性 思 考 讨 论 如何从不同 连接产物中 正确筛选出 重组载体 能积极发表自 己的看法，并提 出合适的方法建 议，也能针对别 人的发言提出自 己的见解，并且 能有理有据 能 发 表 自 己的看法并 提出合适的 方法建议 积 极 参 与 讨论，能结 合别人的发 言提出合适 的方法建议 能 参 与 讨 论，认同讨论 过程中提出的 方法建议 >> 230 高中生物单元教学设计　 （六）学习活动设计 教师活动 学生活动 任务一 ：引入。 活动 1 ： 介绍工程菌生产干扰表的机理。 展示资料 ：干扰素是在病毒感染后机体免疫细胞产 生的一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，具有抗病 毒、抗肿瘤等作用。1982 年，“中国干扰素”之父— 侯云德成功研制出我国首个基因工程药物—重组人 干扰素 α-1b，实现了我国基因工程药物从无到有的 “零”突破。 提出问题 ：如何让大肠杆菌表达出人的干扰素？人 的干扰素基因可以在大肠杆菌中表达吗？ DNA 分子 可以被切割、改造和拼接吗？ DNA 双螺旋的直径只 有 2 nm，对如此微小的分子进行操作，需要用到哪些 专门的“分子工具”？ 活动 1 ： 结合必修 2 的相关知识回答问题 ：在 大肠杆菌的 DNA 中插入人的干扰素基 因 ；几乎所有的生物都共用一套密码 子 ；通过限制酶、DNA 连接酶、载体 对 DNA 分子进行切割、改造和拼接。 活动意图说明 ：通过了解我国成功研制首个基因工程药物，激发学生学习兴趣，提升学生文 化自信。同时，通过了解工程菌生产干扰素的机理，引导学生阐明基因工程的理论基础，并初 步认识三种工具。 任务二 ：认识并阐明限制性核酸内切酶的特征及切割部位。 活动 2 ： 提供发现限制酶的科学史料，让学生找到限制酶的 来源、种类、作用特点、作用结果。 模拟活动 ：印证限制酶的作用特点和作用结果。 材料准备：剪刀（模拟EcoRI限制酶，其识别序列为— GAATTC—，并在 G—A 之间“切割”）、打印好不同 DNA 碱基序列的纸带 2 条。 活动 2 ： 阅读教材并结合材料说出限制酶的特 征及其可能的切割部位。 开展模拟活动，结合模拟活动总结 ： 不同 DNA 分子用 EcoRI 酶切割产生的 DNA 片段的黏性末端相同。 活动意图说明 ：通过模拟活动的方式将抽象的知识具体化、形象化，实现科学思维和学习行 为的统一，不断提高学生的探究能力和科学思维品质。 任务三 ：结合已有知识，认识 DNA 连接酶及其两种类型。 　专题三 探索大单元教学　 231 << 教师活动 学生活动 活动 3 ： 继续上述模拟活动 ：酶切后的 2 条 DNA 碱基序列 纸带可用透明胶条连接。 提出问题 ：透明胶条模拟什么？ DNA 连接酶的作 用位点在哪？ 教师组织学生自主阅读教材内容，并比较 DNA 连 接酶的两种类型。 提出问题 ：DNA 连接酶和 DNA 聚合酶的作用相同 吗？尝试简要说明。 活动 3 ： 继续模拟活动，正确连接片段。 回顾 DNA 复制过程及 DNA 聚合酶的 作用特点，比较 DNA 连接酶的作用特 点，认识 DNA 连接酶的两种类型。 活动意图说明 ：引导学生结合原有知识，比较学习 DNA 连接酶。学生通过自主阅读，分析 DNA 连接酶不同类型的差异。 任务四 ：通过观察分析，认识载体的类型及特点。 活动 4 ： 提供发现质粒的科学史料以及大肠杆菌和质粒结构 模式图。 提出问题 ：若将质粒与经限制酶切割的目的基因连 接，需要具备什么条件？要使携带的外源基因在受体 细胞中稳定存在，质粒还需要具备什么条件？如何筛 选重组质粒呢？基因工程中使用的载体除质粒外，还 有什么？ 活动 4 ： 阅读发现质粒的科学史料和教材第 72 页的相关内容，观察大肠杆菌及质粒结 构模式图，思考并回答问题。 活动意图说明 ：引导学生阅读资料及观察模式图，联系限制酶切割后产生末端的特点，并结 合实际问题，说出载体的特点。本活动旨在培养学生分析推理、归纳和总结能力。 任务五 ：继续模拟活动，分析单酶切的弊端并提出解决方案。 活动 5 ： 继续上述模拟活动 ：2 条不同 DNA 碱基序列纸带分 别代表什么？使用 DNA 连接酶进行连接时，会出现 几种不同产物？ 得出结论 ：质粒、人干扰素基因连接过程中有可能 会出现自身环化、反向连接等问题。 教师追问 ：可以使用什么方法解决这个问题，以保 证质粒和人干扰素基因的正确连接？随后，教师使用 课件展示双酶切。 活动 5 ： 回答 2 条不同 DNA 碱基序列纸带分 别代表人干扰素基因和质粒。 以小组合作学习形式，设计拼接思路， 动手操作，完成小组间的展示和相互评 价。 活动意图说明 ：通过让学生亲手操作模拟构建重组 DNA，体会单酶切和双酶切对连接产物的 影响，通过实际操作，呈现不同连接产物，引导学生分析原因，并提供解决方案。 续　表 >> 232 高中生物单元教学设计　 教师活动 学生活动 任务六 ：尝试构建基因表达载体并检测基因表达载体是否构建成功。 活动 6 ： 回忆基因的结构和基因表达过程，并阅读课本相关 内容，引导学生尝试画出基因表达载体的组成成分， 并讨论基因表达载体与载体的区别。 PPT 展示相关情境，提出问题 ：观察人干扰素基因 和质粒上的酶切位点，看看应该选择哪种限制酶酶 切？ 提示学生选择限制酶的原则 ：不能破坏基因或载体 的结构和功能 ；保证目的基因的正确连接。 问题 ：连接混合物能直接导入大肠杆菌吗？如何筛 选正确的重组表达载体？ 鉴定完成后，提取重组表达载体 DNA 导入大肠杆 菌中。 活动 6 ： 画出基因表达载体的结构模式图，标 注各组成部分的名称和功能 ；得出基因 表达载体还增加了启动子、目的基因和 终止子，加深对基因表达载体的理解。 运用“分子工具”，设计构建人干扰 素工程菌的基因表达载体流程。 应用所学提出一些方法，如“PCR 法”“酶切法”“电泳法”等。 活动意图说明 ：通过让学生联系前一节的知识内容以及必修 2 的相关知识，合理推测基因表 达载体的组成，自主设计构建基因表达载体的流程，训练学生科学思维，使知识融会贯通，使 学生能够学以致用。 （七）板书设计 DNA （八）作业与拓展学习设计 1. 说出重组 DNA 技术所需的三种基本工具的特点及作用，以及基因表达载体的 组成部分。 2. 根据目的基因和质粒的酶切位点，选择适合的酶切方法（选单酶切或者双酶 切），写出不同连接产物的筛选方法和结果。 （九）特色学习资源分析、技术手段应用说明 文本资源：发现质粒的科学史。 图片资源：酶切图、质粒模式图、大肠杆菌模式图。 技术手段应用：希沃白板。 （十）教学反思与改进 续　表 　专题三 探索大单元教学　 233 << 本节课以培育干扰素工程菌作为贯穿情境，不仅可以激发学生的爱国热情，培 养学生为国争光的社会责任，还可以作为探究实践的案例，组织学生模拟人干扰素 基因重组到质粒上的过程。本节课分析单酶切的弊端并提出双酶切的解决方案，旨 在带领学生体会真实的实验过程及可能出现的问题，引导学生针对真实问题积极思 考并提出解决方案，培养学生的科学思维和科学探究的能力。 第 4 课时  将目的基因导入受体细胞以及目的基因的检测与鉴定 设计者：张秋月 （一）教学内容分析 本节是本章的核心，具有承上启下的作用。本节内容体现了前一节介绍的“分 子工具”的综合运用，承接了目的基因的筛选与获取和基因表达载体的构建，涉及 的技术和操作又是基因工程应用的基础。本节课以干扰素的制备为情境素材，将基 因工程的基本操作程序贯穿于该情境中。 （二）学习者分析 学生在必修模块已经学习了 DNA 的结构、DNA 的复制和基因指导蛋白质的合 成等知识，对基因的结构和功能有一定认识。生活中有很多转基因产品，所以学生 对“转基因”并不陌生，在前两节的基础上，学生已经了解了重组 DNA 技术的基本 工具和怎样将干扰素基因重组到表达载体上，为本节课的学习奠定了坚实的理论基 础。以此为情境引入本节课的学习，借助熟悉的事物来安排教学内容，能够引起学 生的好奇心。 （三）学习目标确定 1. 通过学习基因工程的基本原理和操作程序，发展结构与功能相适应的生命观 念。（生命观念） 2. 列举将目的基因导入植物细胞、动物细胞和微生物细胞的方法。（科学思维） 3. 列举检测与鉴定目的基因在受体细胞中维持和表达其遗传特性的方法，以流 程图的形式，概括基因工程的基本操作程序。（科学探究） 4. 针对人类生产或生活中的某一需求，能运用基因工程技术尝试设计获得某一 转基因产品的方案。（社会责任） >> 234 高中生物单元教学设计　 （四）学习重点难点 学习重点： 将目的基因导入受体细胞以及目的基因的检测与鉴定。 学习难点： 将目的基因导入受体细胞以及目的基因的检测与鉴定。 （五）学习评价设计 “将目的基因导入受体细胞以及目的基因的检测与鉴定”课堂学习成果评价量表 核心 素养 教学目标 驱动性任务及 问题 学生课堂表现及相应分值 水平四 （4～5分） 水平三 （3 分） 水平二 （2 分） 水平一 （1 分） 生命 观念 学习基因工程 的基本原理和操 作程序，利用碱 基互补配对原则 解决相关问题 用 D N A 探针的方法 检测目的基 因是否插入 受体细胞的 DNA 上， 是 否转录出了 mRNA，明确 其基本原理 能阐释使 用 DNA 探 针 的 机 理 和过程 能说明使 用 DNA 探 针 的 机 理 和过程 在 描 述 DNA 探 针 法检测时， 忽 略 了 模 板 DNA 需 要 解 开 双 螺 旋 再 进 行检测 只知道检 测 的 大 致 原 理 是 利 用 碱 基 互 补 配 对 原 则，但无法 深入体会 科学 思维 能根据基因表 达的过程，推测 目的基因检测与 鉴 定 的 几 种 方 式，运用流程图 概括出目的基因 导入受体细胞和 检测鉴定的过程 运 用 流 程 图阐释基因 导入受体细 胞和检测鉴 定的过程，并 解释目的基 因检测鉴定 的几种方式 能熟练运 用 科 学 思 维 进 行 探 讨， 并 最 终 能 阐 释 小 组 讨 论 结 果 及 流 程图 能 利 用 科 学 思 维 进行探讨， 提 出 流 程 图 的 框 架 结构 能利用科 学 思 维 探 讨，但提出 的 一 些 判 断有错误 不能有效 参与探讨， 对 基 因 工 程 的 操 作 程 序 不 能 彻底理解 科学 探究 针对人类生产 生 活 的 某 一 需 求，能选取适当 的基因工程技术 和方法，设计获 得某一转基因产 品的方案 针 对 发 病 率很高的糖 尿 病， 制 订 基因工程路 线去生产胰 岛素 能作为团 队领导者带 领团队成员 讨论，并最 终能阐释小 组讨论结果 及技术路线 能利用教 材 基 础 知 识 和 教 师 提 供 的 文 献 进 行 讨 论和分析， 制 订 出 技 术路线 能积极讨 论， 但 提 出 的 一 些 路 线 步 骤 有缺失 不能有效 参与探讨， 对 基 因 工 程 的 操 作 程 序 不 能 彻底理解 　专题三 探索大单元教学　 235 << 核心 素养 教学目标 驱动性任务及 问题 学生课堂表现及相应分值 水平四 （4～5分） 水平三 （3 分） 水平二 （2 分） 水平一 （1 分） 社会 责任 面对社会热点 话题中与基因工 程 有 关 的 内 容 时， 能 用 所 学 的基因工程的基 本原理和操作流 程表达自己的观 点，理性对待基 因工程技术及其 产物 查阅资料， 分析为获取 基因工程药 物 干 扰 素， 还可以选用 哪些受体细 胞进行生产 积极查阅 相关资料， 在 讨 论 中 踊跃发言， 有 自 己 的 理论基础， 能 提 出 合 理 化 的 工 程路线 积极参与 制 订 工 程 路线，在一 些 问 题 中 能 提 出 有 效的建议 积极参与 讨 论， 但 对 基 因 工 程 的 基 本 操 作 程 序 认识不足 认同用基 因工程去生 产干扰素 （六）学习活动设计 教师活动 学生活动 任务一 ：创设情境，新课引入。 活动 1 ： 干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临 床上广泛用于治疗病毒感染性疾病。冬季得病毒性感冒 的同学很多，有时候就需要使用干扰素喷剂。传统方法 从人血液白细胞中提取干扰素，每 300 L 血液只能提取 出 1 mg 干扰素，成本较高。所以，可以用基因工程的 方法来获得干扰素，前两节已经学习了干扰素基因的获 取和重组载体的构建，大家还记得具体步骤吗？ 活动 1 ： 回顾上节课所学的知识内容。 活动意图说明 ：联系生产、生活实际，激发学生的学习兴趣。 任务二 ：将干扰素基因导入大肠杆菌细胞。 活动 2 ： 设置问题串引导学生思考问题。 问题 ：构建了含有干扰素基因的表达载体后，需要一 定的方式才能导入受体细胞，才有可能生产干扰素，那 么受体细胞该如何选择呢？ 提供资料 ：目的基因整合到受体细胞的几种技术。 活动 2 ： 分组展开讨论，讨论大肠杆菌和真核 细胞作为受体细胞的优缺点。 活动意图说明 ：让学生学习如何筛选合适的受体细胞，通过阅读科研论文，体会科学家研究的 思路。 续　表 >> 236 高中生物单元教学设计　 教师活动 学生活动 任务三 ：目的基因导入植物细胞和动物细胞。 活动 3 ： 引导学生阅读教材，了解我国科学家独创的花粉管通 道法的操作过程 ；结合农杆菌转化法的示意图，说出农 杆菌转化法的转化流程 ；归纳总结将目的基因导入植物 细胞、动物细胞和微生物细胞的常用方法。 引导学生阅读资料：家蚕在干扰素基因工程中的贡献。 活动 3 ： 了解花粉管通道法和显微注射法的操 作过程，讨论该方法所要实现的目的。 活动意图说明 ：通过对社会热点问题的探究，培养学生沟通、交流能力，同时联系实际，发展 学生分析、推理的思维能力。 任务四 ：干扰素基因的检测与鉴定。 活动 4 ： 干扰素基因在大肠杆菌细胞中属于“异地插足”表达， 虽然通过表达载体上的标记基因筛选出来了导入目的 基因的受体细胞，但能否稳定维持和表达其遗传性状需 要进行检测与鉴定。根据中心法则，干扰素基因怎样表 达？成功表达的标志是什么？ 活动 4 ： 通过回顾知识，思考并回答问题，认 识到可以分别从 DNA、RNA 和蛋白质 水平进行检测，用到 PCR 技术、反转 录技术、基因探针杂交技术、抗原— 抗体杂交技术。检测干扰素基因成功表 达的最好办法是从大肠杆菌培养液中收 集到干扰素。 活动意图说明 ：引导学生结合基因表达相关知识推测检测与鉴定目的基因的几个水平，发展学 生的科学思维能力。 任务五 ：归纳整合与课堂延伸。 活动 5 ： 运用概念图的形式以板书的方式对零散的知识进行比 较、归纳。 启发学生思考：干扰素作为一种糖蛋白，需要内质网、 高尔基体的加工，大肠杆菌细胞易培养、分裂快，但是 收集到的分泌物干扰素是否具有生物学活性呢？  提供文献 ：《人 γ- 干扰素生产工艺的研究》 活动 5 ： 构建知识框架，查阅资料，得出实践 中从大肠杆菌培养液中收集滤液后，需 要进一步加工，纯度和效应比选用酵母 菌和家蚕等受体细胞好。 活动意图说明 ：查阅资料，了解相关研究进展，帮助学生理性看待转基因技术，感受科研工作 者在研究过程中承担的社会责任。 续　表 　专题三 探索大单元教学　 237 << （七）板书设计 DNA mRNA （八）作业与拓展学习设计 1. 列举将目的基因导入植物细胞、动物细胞和微生物细胞的方法。 2. 以流程图的形式，概括基因工程的基本操作程序。 3. 运用基因工程技术尝试设计获得抗旱水稻转基因产品的方案。 （九）特色学习资源分析、技术手段应用说明 文本资源：目的基因整合到受体细胞的几种技术等。 图片资源：DNA 探针技术操作流程图。 视频资源：目的基因导入植物细胞、动物细胞、微生物细胞的过程。 论文资源《人 γ- 干扰素生产工艺的研究》。 技术手段应用：数控、希沃白板。 （十）教学反思与改进 本节教学难点颇多，学生学习起来有一定的困难，教师应抓住重点，削枝强 干能降低学生学习的负担，具体来说，教师提高学习的效果。在阐明培育转干扰素 基因工程菌的四个基本步骤后，概括基因工程的基本操作流程，并简单补充介绍基 因工程涉及的其他技术和方法，最后通过板书设计，帮助学生厘清知识层次。同时 本教学设计升华了学生的情感，引导他们以科学、理性的态度对待基因工程取得的 成果。 >> 238 高中生物单元教学设计　 第 5 课时  蛋白质工程的原理和应用：人干扰素生产改造与优化 设计者：田盼晴 （一）教学内容分析 教材开头展示了细菌在培养基上作画的例子，讲述科学家通过对绿色荧光蛋白 的改造，获得了黄色荧光蛋白，对蛋白质工程的概念进行阐述。以基因工程存在的 缺陷引出进行蛋白质工程的必要性，并论述蛋白质工程的基本原理以及其在不同领 域的应用。教材中提供了丰富的案例，但是并没有对某一个案例进行深入的探讨和 具体过程的分析，不利于学生掌握蛋白质工程的基本原理和过程。 本节课回顾基因工程生产干扰素的基本程序，复习基因工程的原理和过程，指 出其保存时间短的局限性，引导学生讨论解决途径，引出蛋白质工程的学习。 （二）学习者分析 本节课建立在学生学习了重组 DNA 技术的基本工具、基因工程的基本操作程序 的基础之上，学生已经懂得如何利用重组 DNA 技术的基本工具，通过基因工程的基 本操作程序大量生产人干扰素。本节课调整单元教学顺序，安排在学生了解了基因 工程的基本操作程序后，在基因工程的应用学习之前。本节课延续本单元的主题情 境：从干扰素的生产和改造设计方案出发，根据学生的问题解决逻辑进行设计，依 次从现象到方案再到依据，最后形成人干扰素的改造设计方案，对蛋白质工程的基 本原理和应用进行归纳。 学生已经学习过酶的基本知识，也知道很多酶产品已经进入人们的生活。本节 联系学生已有的知识，引导学生结合查阅的资料和教师讲授的内容分析蛋白质工程 的应用，进一步帮助学生感受到科学技术推动了社会进步，从而改善了人们的生活。 （三）学习目标确定 1. 运用结构与功能观等观点，结合中心法则有关知识，说明蛋白质工程的基本 原理。（生命观念） 2. 基于蛋白质工程的实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，用文字图示 或模型的形式表示蛋白质工程的基本思路。（科学思维） 3. 尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质功能，运用逆向思维设计 　专题三 探索大单元教学　 239 << 或改造某一蛋白质（人干扰素）的结构的流程。（科学探究） （四）学习重点难点 学习重点： 1. 蛋白质工程的基本原理。 2. 依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造。 学习难点： 生产目标蛋白的过程。 （五）学习评价设计 “蛋白质工程的原理和应用：人干扰素生产改造与优化”课堂学习成果评价量表 核 心 素 养 教学目标 驱动性任务 及问题 学生课堂表现及相应分值 水平四 （4 ～ 5 分） 水平三 （3 分） 水平二 （2 分） 水平一 （1 分） 生 命 观 念 蛋白质工 程的定义及 基本原理 思考基因工程 的局限和不足， 思考蛋白质工 程崛起的缘由 并得出定义 能够完整阐述 蛋白质工程崛 起的缘由和蛋 白质工程的定 义及基本原理 能够简单 阐述蛋白质 工程的定义 及基本原理 能够对蛋 白质工程下 简单定义 仅能部分 说出相关理 论，并且存 在错误表述 科 学 思 维 通过实例 分析，构建 蛋白质工程 的基本思路 模型 根据天然蛋白 质合成的过程， 构建出蛋白质 工程的基本思 路 能 够 准 确 地 阐述并构建出 蛋白质工程的 基本思路 能够较准 确地阐述并 构建出蛋白 质工程的基 本思路 不能完整 构建蛋白质 工程的基本 思路 仅能根据 实例得出蛋 白质工程的 基本思路是 改造氨基酸 科 学 探 究 根据蛋白 质工程的基 本思路，讨 论得出干扰 素的改造方 案 利用蛋白质工 程的基本思路 将干扰素中的 半胱氨酸变为 丝氨酸并且遗 传下去 在 探 究 活 动 中， 能 根 据 密 码子的简并性 得出多种方案， 并积极动手操 作 在探究活 动中注意聆 听，得出一 种方案，并 能积极动手 操作 在探究活 动中被动地 做一些辅助 工作 参与探究 活动，但基 本动手能力 较差 社 会 责 任 了解蛋白 质工程的其 他应用和研 究进展 自 主 阅 读 教 材，了解蛋白质 工程的其他应 用和研究进展 能 够 全 面 总 结出蛋白质工 程的其他应用， 对蛋白质工程 面临的问题及 前景展望有清 晰的认识  能够大体 总结出蛋白 质工程的其 他应用，对 蛋白质工程 面临的问题 及前景展望 有一定认识 能够简单 总结出蛋白 质工程的其 他应用，对 蛋白质工程 面临的问题 和前景展望 认识不足 不能全面 总结出蛋白 质工程的其 他应用 >> 240 高中生物单元教学设计　 （六）学习活动设计 教师活动 学生活动 任务一 ：了解蛋白质工程崛起的缘由。 活动 1 ： 引导学生回顾用基因工程生产干扰素的基本程序。 引导学生阅读资料，思考基因工程生产的干扰素面临什么问 题，并提出解决方案。 播放科学家将绿色荧光蛋白改造成黄色荧光蛋白的视频，提 出问题 ： （1）科学家利用什么技术让细菌能发出绿色荧光？ （2）科学家是如何对蛋白质分子进行设计和改造的？ （3）这种对现有蛋白质进行改造的技术与基因工程技术一样 吗？ 教师引导学生得出基因工程的局限和不足 ：基因工程只能将 一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不 能产生的蛋白质，进而表现出新性状。而天然的蛋白质有时不 完全符合人类生产和生活需要，这就需要对天然蛋白质进行改 造，产生更符合人类需要的蛋白质。 教师引导学生快速阅读教材，得出蛋白质工程的概念。 活动 1 ： 阅读资料，得出干扰素面临着保 存时间短的问题。 讨论，尝试回答教师提出的问题。 阅读教材，说出蛋白质工程的概 念。 活动意图说明 ：通过引导学生阅读资料，得出基因工程生产的干扰素面临着保存时间短的问题， 由此引出本节课的主题 ：如何优化生产干扰素。同时，教师播放科学家将绿色荧光蛋白改造成黄 色荧光蛋白的视频，引导学生关注科学家是如何对蛋白质分子进行设计和改造的。 任务二 ：归纳蛋白质工程的基本原理，构建干扰素改造与优化的基本思路。 活动 2 ： 展示应用蛋白质工程的实例 ：对天然酶的改造过程。 教师引导学生阅读课本，思考讨论并依次解决以下四个问题： （1）蛋白质工程的目标、实质、结果分别是什么？ （2）为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ （3）根据天然蛋白质合成的过程，构建出蛋白质工程的基本 思路。 （4）如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 教师引导学生复习中心法则的内容，尝试用卡片建模，构建 蛋白质工程的基本思路。同时，引导学生完成学案对比表格， 得出蛋白质工程与基因工程的联系与本质区别。 【学以致用】阅读资料，得出干扰素优化方案。 教师引导学生讨论，得出可以将干扰素分子的一个半胱氨酸 变成丝氨酸。 问题 ：怎样将半胱氨酸变为丝氨酸并且可以遗传下去？ 学生分小组讨论，尝试应用蛋白质工程的基本思路解决问题。 活动 2 ： 自主阅读教材第 94 页，小组合 作思考讨论完成学案问题。 用卡片建模构建蛋白质工程的基 本思路。 完成学案表格，得出结论。 小组讨论，得出干扰素优化方案， 并展示。 　专题三 探索大单元教学　 241 << 教师活动 学生活动 基本思路 ：通过查密码子表得出 mRNA 序列→脱氧核苷酸系 列→目的基因→基因表达载体→导入工程菌→目的基因的检测 与鉴定的基本步骤。 问题 ：同学们构建的目的基因相同吗 ? 密码子存在简并性，请不同小组展示构建的序列。 【知识拓展】根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改 造可分为三类。 （1）大改 ：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质。 （2）中改 ：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的 结构域。 （3）小改 ：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 活动意图说明 ：通过实例分析与问题引导，帮助学生用卡片构建出天然蛋白质合成的过程和蛋 白质工程的基本思路，并学以致用。 任务三 ：了解蛋白质工程的其他应用和研究进展。 活动 3 ： 请同学们阅读教材第 95 页，小组合作思考、讨论、总结蛋 白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。 活动 3 ： 阅读教材，表达交流。 活动意图说明 ：学生建模解决了干扰素优化问题，通过阅读教材，学生深入了解蛋白质工程的 其他应用及研究进展 ；通过完成学案表格，学生提高了归纳概括的能力，提升了社会责任。 （七）板书设计 （八）作业与拓展学习设计 1. 列表比较蛋白质工程与基因工程在实施过程、原理、结果方面的区别。 2. 完成教材第 96 页“拓展应用”栏目相关问题。 （九）特色学习资源分析、技术手段应用说明 文本资源： 学案相关资料。 视频资源： 绿色荧光蛋白改造成黄色荧光蛋白的视频，细菌作画视频。 （十）教学反思与改进 1. 学生通过本节课的学习，能够用蛋白质工程解决人干扰素保存时间短的问题， 提高将理论应用于实践的能力。 续　表