3.1重组DNA技术的基本工具教学设计-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3章　基因工程 原理 基因工程 蛋白质工程工程 PCR技术 操作步骤 基本工具 应用 概念 限制性内切核酸酶 DNA连接酶 载体 基因表达载体的构建 目的基因的筛选与获取 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 崛起的缘由 应用 基本原理 诞生与发展 本章总览 课标解读 本章主要涉及概念5“基因工程赋予生物新的遗传特性”中的6个重要概念“概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学基础上发展而来的”“阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具”“阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤”“举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质”“概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质”“举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程”。本部分内容重要概念较多，是一个相对完整的版块，对学生学习的要求相对较高。通过对本章的学习，学生应能够阐明基因工程实施的基本原理和发展基础；阐明基因工程的工具酶及基本操作程序；能够针对人类生产和生活需求，选择基因工程恰当的技术和方法，提出初步的构想，进行简单的设计和制作；能够基于事实和证据，采用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等方法说明基因工程与社会的关系，在面对转基因食品等有争议的社会议题时，能利用基因工程的重要概念或原理，通过逻辑推理阐明个人观点和立场，尝试解决问题。在基因工程部分的学习过程中，既要重视知识的理解学习，也要注意动手操作，借助“DNA的粗提取和鉴定”“利用PCR扩增DNA片段并完成电泳鉴定”等实验，促进学生生物学学科核心素养提升；要重视训练学生的“科学思维、技术思维和工程思维”，培养学生提出问题、作出假设并设计方案的科学探究素养，训练学生基于证据、得出结论、作出决策的科学思维。 教材分析 基因工程诞生于20世纪70年代,以它为核心的生物技术和相关产业现在已经成为许多国家研究的重点以及国际科技竞争和经济竞争的热点,利用基因工程生产的产品也早就融入了我们生活的方方面面。本章在必修课基础上,引导学生深入了解基因工程的基本原理和技术流程,了解基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面的应用及发展前景,还延伸了蛋白质工程的原理和应用。本章内容对学生基于基因工程应用的事实,运用基因工程的原理,理性参与有关社会热点议题的讨论具有重要意义。 本章内容分为4节。第1节基因工程操作中需要的基本工具是微观的“分子工具”,学生在日常生活中接触不到；第2节基因工程的基本操作精细、复杂，如果处理不好，会增加学习难度，学生很难理解和掌握。因此，教材设计了“DNA的粗提取和鉴定”“DNA片段的扩增及电泳鉴定”帮助学生学习和更好地理解。科学家花费了大量的时间和精力去研究基因工程,它也带来了巨大的价值，其对生产和生活产生的变革性影响也是我们能切实感受到的。因此第3、4节全面介绍了基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面的应用，以及随着科学技术的发展，在基因工程基础上崛起的第二代基因工程——蛋白质工程。 基因工程虽然是现代生物科技的热点技术，在生产生活中应用广泛，但是也存在一定的争议。教学时可联系必修2的具体章节，如“基因的本质”和“基因指导蛋白质的合成”等相关内容，帮助学生更好地理解基因工程技术的局限性。 学情分析 基因工程实现了微生物、植物、动物之间的基因交流,人类以前不能实现的种种奇思妙想变为了现实。在日常生活中,学生通过网络、电视、广播、报刊、书籍等已对基因工程的内容有了一定的了解,转基因产品也早已来到了我们身边：超市中摆放着转基因大豆榨出的油;农田里种植着转基因抗虫棉;糖尿病患者使用着转基因微生物生产的胰岛素等等,这些都是学生学习本章知识可以联系的生活实际。 生物必修2教材中的一些知识内容可以作为学习本章知识的基础。在学习限制酶与DNA连接酶时,可与学过的有关DNA结构的知识紧密联系。有了DNA结构的基础知识,能更好地理解这两种酶的功能。在学习利用PCR获取和扩增目的基因时,可以联系学过的DNA复制的知识。在学习目的基因的检测时,可与学过的基因指导蛋白质合成的过程相联系,这样学生才能理解为什么要在以下三个层次上进行检测:检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因;检测目的基因是否转录出mRNA;检测目的基因是否翻译出蛋白质。 同时要注意，基因工程的原理看似简单，但从理论研究到工程实践是非常复杂的过程，特别是教材呈现的内容主要是一个基本框架，对具体操作和原理的介绍相对粗略，对于学生学习和理解有较大难度，在教学中应适当延伸，但同时也要把握好边界，不能过度补充。 重点难点 教学重点 （1）重组DNA技术的基本工具。 （2）DNA的粗提取与鉴定。 （3）基因工程基本操作程序的四个步骤。 （4）利用PCR获取和扩增目的基因。 （5）基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。 （6）乳腺生物反应器。 （7）蛋白质工程的基本原理。 （8）依据需要对蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 教学难点 （1）基因工程载体的基本条件。 （2）DNA的粗提取与鉴定。 （3）基因表达载体的构建与目的基因的检测。 （4）PCR技术的操作步骤。 （5）DNA片段的电泳鉴定 （6）乳腺生物反应器。 （7）依据需要对蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 课时安排 第1节　重组DNA技术的基本工具 1课时 第2节　基因工程的基本操作程序 1课时 第3节　基因工程的应用 1课时 第4节　蛋白质工程的原理和应用 1课时 单元复习课（选） 1课时 第3章基因工程 第1节　重组DNA技术的基本工具 教学分析 · 教学目标 1.让学生通过对有关示意图和资料的分析,掌握重组DNA技术所需工具酶的作用、特点以及载体需要具备的条件(生命观念、科学思维)。 2.通过引导学生探究实践,学习DNA的粗提取与鉴定的方法，培养学生的实验操作能力和问题分析能力。(科学探究)。 · 教学重难点 重点:1.限制酶的作用特点、DNA连接酶与DNA聚合酶的区别。 2.质粒作为基因工程载体所具备的条件。 难点:1.限制酶切割后末端的类型判断，尤其是黏性末端的识别和对互补配对的理解。 2.DNA的粗提取与鉴定实验。 · 教学方法 采用讲授法、讨论法、演示法、模拟操作法等教学方法 · 课时安排 1课时 · 教学准备 新鲜洋葱 、研磨液、体积分数为95%的酒精、2 mol/L的NaCl溶液、二苯胺试剂、蒸馏水、玻璃棒、研钵、纱布、漏斗、试管等相关的实验器材;多媒体,白板,学案,PPT等。 教学设计 导入新课 Bt基因来源于苏云金芽孢杆菌。这种细菌能够产生一种特殊的蛋白质，称为Bt抗虫蛋白，这种蛋白质能杀死多种昆虫。能否将Bt基因转入棉花植株中，使棉花能够合成对特定害虫（如棉铃虫）有毒性的Bt抗虫蛋白？将Bt基因转入棉花植株中需要哪些工具？ 展示转基因棉花抗虫的图片，提问：“这种棉花为什么能够抗虫？”引导学生思考并引入基因工程的概念。 (设计意图:通过实际应用案例导入新课，激发学生的学习兴趣和求知欲。) 探究一、基因工程的工具酶 活动1.基因工程的理论基础 教学任务：通过阅读教材和小组讨论，理解基因工程的理论基础。 教师活动： ①提出问题：“为什么Bt基因能与不同生物的DNA分子能拼接起来？为什么Bt基因可以在另一种生物细胞内表达？” ②组织学生进行小组讨论，巡视课堂，解答学生疑问。 ③总结学生的讨论结果，讲解基因工程的理论基础。 （展示答案：1.(1)DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。(2)双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。2.(1)基因是控制生物性状的独立遗传单位。(2)遗传信息的传递都遵循中心法则。(3)生物界共用一套遗传密码。） 学生活动：小组讨论，交流各自的观点和想法。 (设计意图:通过多种评价方式，全面评估学生对基因工程理论基础的理解程度，同时鼓励学生积极参与课堂讨论，培养合作学习能力。) 活动2：阅读教材P71分析限制酶的相关问题 教学任务：通过分析限制酶的作用特点，掌握限制酶的识别序列、切割位点及产生的末端种类。 教师活动： 1． ①提出问题：“已知限制酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列和酶切位点分别为 G↓AATTC和CCC↓GGG，它们切割DNA后会产生什么末端？末端的种类有哪些？EcoRⅠ产生的黏性末端如何互补配对？小组内进行讨论并尝试画出互补配对示意图。模拟操作：练习使用EcoRⅠ剪切目的基因”。 ②提供DNA片段和EcoRⅠ的识别序列，指导学生在纸条上用剪刀模拟限制酶EcoRⅠ的作用剪切下目的基因，并指导画出EcoRⅠ切割后的所产生的片段，包括目的基因片段。 ③总结限制酶的作用特点，强调限制酶的特异性。 学生活动： ①在图中画出限制酶EcoRⅠ和SmaⅠ切割DNA后产生的末端，并讨论研究。 ②小组活动：根据提供DNA片段和EcoRⅠ的识别序列，在纸条上用剪刀模拟限制酶EcoRⅠ的作用剪切下目的基因，并画出EcoRⅠ切割后的所产生的片段，包括目的基因片段。 ③展示成果，教师点评后，总结限制酶的作用特点。 评价设计：用课堂展示和小组互评的方式，评估学生对限制酶作用特点的理解，包括识别序列、切割位点、末端种类及特异性。评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 操作规范 结果准确 能够清晰地解释操作过程 (设计意图:通过具体的限制酶实例、模拟操作，帮助学生理解限制酶的作用特点，培养学生分析问题和解决问题的能力，增强学生的动手操作能力和对限制酶切割DNA过程的理解。) 活动3：阅读教材P72分析DNA连接酶的相关问题 教学任务：通过比较两种DNA连接酶的特点，比较DNA连接酶与DNA聚合酶的区别，掌握DNA连接酶的作用机制。 教师活动： ①组织学生阅读教材P72，填写表格，比较E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶的特点。 ②提出问题：“DNA连接酶与DNA聚合酶有什么区别？”指导学生填写表格进行比较。 ③总结DNA连接酶与DNA聚合酶、限制酶、解旋酶的区别。 学生活动： ①阅读教材，填写表格，比较两种DNA连接酶的特点。 ②填写表格比较DNA连接酶与DNA聚合酶的区别，小组讨论。 ③展示答案后，总结DNA连接酶与DNA聚合酶、限制酶、解旋酶的区别。 评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 能够准确填写表格 能积极参与小组讨论 展示答案时能准确描述出来 (设计意图:通过课堂提问和表格填写，检验学生对DNA连接酶作用机制的理解和应用能力，同时通过小组讨论培养学生的合作学习能力和思维能力。） 探究二、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 教学任务：通过阅读教材和小组讨论，掌握质粒作为基因工程载体所具备的条件。 教师活动： ①展示质粒载体的结构模式图，提出问题：“质粒要与外源DNA片段（如Bt基因）连接，需要具备什么条件？要使携带的外源DNA片段（如Bt基因）在受体细胞中稳定存在,载体需要具备什么条件?为了筛选出含有重组DNA的受体细胞，载体需要具备什么条件？若用家蚕细胞作为某基因表达载体的受体细胞，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用哪种作为载体，原因是什么？请根据病毒载体的宿主特异性来分析说明。” ②组织学生阅读教材P72～73，进行小组讨论，总结质粒作为载体所具备的条件及原因。 ③总结学生的讨论结果，讲解质粒作为载体所具备的条件及原因。 学生活动： ①观察质粒载体的结构模式图，阅读教材，积极思考，参与小组讨论。 ②展示答案，教师点评后总结质粒作为载体所具备的条件及原因。 评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 能积极参与小组讨论 展示答案时能准确描述出来 能够准确填写表格 (设计意图:通过阅读教材和小组讨论，培养学生的自主学习能力和合作探究能力，帮助学生掌握质粒作为基因工程载体所具备的条件。） 探究三、DNA的粗提取与鉴定 教学任务：通过进行DNA的粗提取与鉴定实验，掌握DNA的粗提取与鉴定方法。 教师活动： ①讲解DNA的粗提取与鉴定的原理和方法。 ②展示DNA遇二苯胺试剂呈蓝色的实验现象。 学生活动： ①自主学习教材，迅速梳理实验原理、材料用具、实验步骤。 ②以小组为单位进行DNA的粗提取与鉴定实验。 ③观察实验现象，记录数据，总结实验注意事项。 (设计意图:通过自主学习，小组合作探究实验，帮助学生掌握DNA的粗提取与鉴定方法。） 评价反馈 完成当堂训练 课堂小结 布置作业 完成课时作业（30分钟） 教学反思 本节课的教学设计以小组合作探究为中心,注重学生的自主学习与合作探究。在课堂上教师采用了问题引导、实验引领的方式展开教学。在整个教学过程中,充分发挥学生学习的主动性,鼓励他们大胆去探究、主动地获取知识,打造高效课堂。反思整堂课,主要在以下几方面做得较好:(1)实际应用案例的导入方式，让学生直观感受到基因工程的强大功能，为后续学习奠定了良好的基础。(2)通过模拟操作和问题链设计，学生能主动构建知识体系，课堂参与度高。(3)采用了多种评价方式，如课堂提问、小组讨论记录、书面作业、小组互评、课堂展示等。这些多元化的评价方式能够全面评估学生的学习情况，同时激发了学生的学习积极性和主动性。本堂课也有一些不足之处:（1）在小组讨论环节，部分小组讨论时间过长，导致后续教学内容无法按时完成。（2）部分学生对“黏性末端互补配对”理解不足，需增加动态模型演示，可在教学中提供简单的纸质拼接模型，让学生通过亲自动手拼接的方式理解黏性末端的特征。 板书设计 第1节　 重组DNA技术的基本工具 一、基因工程的工具酶 （一）限制酶 1. 来源 2.作用特点 3.末端类型：黏性末端和平末端。 （二）DNA连接酶 1. 作用特点 2. 种类： E.coli DNA连接酶、T4 DNA连接酶 3. 与DNA聚合酶的区别 三、基因进入受体细胞的载体 1.种类：质粒、 噬菌体、动植物病毒 2.条件 3.作用：将目的基因导入受体细胞 四、DNA的粗提取与鉴定 1. 原理 2. DNA的粗提取步骤 3. DNA的鉴定步骤 备课资源 1．回文序列 限制酶特异性识别和切割的部位具有回文序列，即在切割部位，一条链正向读的碱基顺序，与另一条链反向读的顺序完全一致。例如：EcoRⅠ限制酶识别的DNA序列为，为回文序列。 2．同尾酶 识别DNA 分子中不同核苷酸序列，但能切割产生相同黏性末端的限制酶被称为同尾酶。同尾酶构建载体时，切割位点的选择范围扩大。例如，我们选择了用某种限制酶切割载体，如果目的基因的核苷酸序列中恰好有该限制酶的识别序列，那么用该限制酶切割含有目的基因的DNA 片段时，目的基因就很可能被切断；这时可以考虑用合适的同尾酶(目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列)来获取目的基因。 3.标记基因的筛选原理 载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了载体的受体细胞。如图所示： 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$