3.1重组DNA技术的基本工具教学设计-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

课题 第3章 第1节 重组DNA技术的基本工具（2-3个课时） 时间 教材分析 本章内容由题图、“科技探索之路”、两个“探究·实践”和四节内容构成。 题图为学习者串起了一个主线:以我国科学家自主培育的抗虫棉的图片为情境，提出一系列问题，这些问题紧扣本章将要学习的内容。在此基础上，点出基因工程的主题:“基因工程是按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA技术。”此题图不仅贴近生产和生活实际，且贯穿于本章内容的始终 科技探索之路-基因工程的诞生和发展"是正文的前奏曲。没有基础理论的研究成果，没有技术方面的创新发明，基因工程不可能诞生，也不可能迅速崛起。其内容以DNA双螺旋生动呈现时间轴，寓意基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的。在时间轴的设计上，体现了编者的巧思，如在提到限制酶时，在DNA双螺旋结构上增加了一个酶的设计，在出现重组DNA分子时，就在DNA双螺旋结构上设计了一个重组DNA片段。编者精选我国科学家的最重要成果，呈现在时间轴里，其目的是使学生从科技史实中，感悟创新是科学技术发展的不竭动力，同时增强民族自豪感，培养家国情怀。 学情分析 教学目标 1.阐明重组DNA技术所需的三种基本工具的作用。（生命观念、科学思维） 2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。（生命观念、科学思维） 3.进行DNA的粗提取与鉴定。（科学探究） 教学重难点 1.教学重点 (1)重组DNA技术所需的三种基本工具的作用。 (2)DNA的粗提取与鉴定。 2.教学难点 (1)基因工程载体需要具备的条件。 (2)DNA的粗提取与鉴定。 教学内容及流程 学习任务 教学过程 备注 新课导入 【教师讲述】抗虫棉的培育：苏云金杆菌的毒蛋白基因导入棉花细胞，表达出毒蛋白，杀死害虫，培育出抗虫棉。 目的基因：毒蛋白基因 受体细胞：棉花细胞 目的基因的表达产物：毒蛋白 【教师讲述】基因工程的概念 基因工程是指按照人们的愿望，通过体外转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在 DNA 分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做重组 DNA技术。 ·实例：利用大肠杆菌生产人的胰岛素 目的基因：人胰岛素基因 受体细胞：大肠杆菌细胞 目的基因的表达产物：人胰岛素 原理：基因重组（定向的变异） 引导学生分析基因工程的理论基础，有助于他们理解基因工程的概念，还能让他们感受到理论研究的价值。 DNA重组技术的基本工具——限制酶 【教师讲述】基因工程是在 DNA 上进行的分子水平的设计施工，需要专门的工具。 【教师讲述】限制酶（限制性内切核酸酶），简称限制酶，别称基因的 “剪刀”、分子手术刀 来源：主要从原核生物中分离纯化，是细胞的防御性工具，可切割外源 DNA 不切割自身 DNA：原核生物 DNA 无限制酶识别序列，或已被修饰 专一性：识别双链 DNA 分子的特定核苷酸序列，使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开 ①EcoR I：识别GAATTC序列，在鸟嘌呤脱氧核苷酸与腺嘌呤脱氧核苷酸之间切割 ②Sma I：识别GGGCCC序列，在 G 和 C 之间切割 末端类型： 中心轴线两侧切开→黏性末端（EcoR I） 中心轴线处切开→平末端（Sma I） 识别序列通常为 6 个核苷酸，也有 4 个或 8 个 借助教材中的示意图直观呈现三种工具的作用，帮助学生理解微观、抽象的知识。 让学生清晰地认识限制酶的作用特点。 本环节主要介绍限制酶的作用机制，识别特定的回文序列，并在特定的位点进行切割，水解磷酸二酯键，形成黏性末端或平末端。之外，还增加了限制酶在原核生物中的保护作用和限制酶的命名原则，主要是为了帮助学生了解限制酶，也培养了生物学核心素养中的进化观。 DNA重组技术的基本工具——DNA连接酶 【教师讲述】DNA连接酶，别称基因的“针线”、分子缝合针 作用：恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键；同一种限制酶处理后的 DNA 片段有相同的黏性末端，可通过氢键连接，但缺口需 DNA 连接酶缝合 【表格比较】两种DNA连接酶对比： 【思考讨论】T4 DNA连接酶连接平末端的效率和连接黏性末端的效率相同吗？ 不同，因为黏性末端的碱基是互补的，在连接时，黏性末端可以通过碱基互补配对，加快DNA连接酶的连接速度，而平末端则不能。 【表格比较】DNA 连接酶与 DNA 聚合酶比较 【表格比较】与DNA相关的五种酶的比较： 帮助学生认识DNA连接酶的作用特点。 本环节通过资料展示，帮助学生了解DNA连接酶的发现及研究意义，再次涉及进化观。然后用图示的方法简明扼要地讲述DNA连接酶的作用，并对两类DNA连接酶进行列表比较，进而提高学生对DNA连接酶的认识。 DNA重组技术的基本工具——运载体（质粒、标记基因） 【教师讲述】通常是利用质粒作为载体，将目的基因送入受体细胞中。质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或细菌拟核 DNA 之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA 分子。 在基因工程中使用的载体除质粒外，还有动植物病毒（DNA 病毒）、噬菌体等。 载体特点： ①能够在宿主细胞中复制并稳定地保存 ②有一个至多个限制酶切点 ③有某些标记基因，便于重组 DNA 分子筛选 ④对受体细胞无害、易分离 实际上自然存在的质粒 DNA 分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。 思考：形成一个重组质粒会形成几个磷酸酯键？4。 思考、回答问题，总结载体需要具备的条件；引导学生分析载体需要具备的条件，可以培养他们分析、推理、归纳和总结的能力。 通过自主学习归纳总结一教师精讲的顺序学习载体必须具备的5个条件，符合认知的一般规律，有利于学生接受并理解质粒作为载体的条件这个难点。 DNA重组技术的基本工具——单酶切和双酶切 【教师讲述】关于限制酶的选择： ①不能破坏目的基因和质粒抗性基因 ②目的基因两侧都要进行酶切 ③单酶切：同一种限制酶切割目的基因和质粒 在反应体系中会加入大量的含目的基因的 DNA 片段和大量的质粒，加入同一种限制酶和 DNA 连接酶后，会出现质粒自身首尾成环、两个质粒成环、目的基因片段首尾成环、两个目的基因片段成环、目的基因正向插入质粒、目的基因反向插入质粒等多种情况。 ④双酶切：两种限制酶切 避免自身环化，增大目的基因和运载体连接的概率，能避免反向连接 学生通过阅读相关内容，不仅可以理解发现三种“分子工具”的意义，还能初步了解其他基因工程相关的理论和技术，为后续的学习做准备。 探究实践： DNA 的粗提取与鉴定 【教师讲述】探究实践：DNA 的粗提取与鉴定 1.DNA 粗提取的原理 ·提取原理：利用 DNA 与 RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异，提取 DNA，去除其他成分。 （1）DNA 不溶于酒精溶液：DNA不溶于酒精溶液，但细胞中某些蛋白质则溶于酒精。利用这一原理，可初步分离 DNA 与蛋白质。 （2）DNA在不同浓度的 NaCl 溶液中溶解度不同： DNA 和蛋白质等其他成分在不同浓度的 NaCl 溶液中溶解度不同，利用这一特点，选择适当的盐浓度就能使DNA充分溶解，而使杂质沉淀，或者相反，以达到分离目的。 （3）DNA 对酶、高温和洗涤剂的耐受性 对酶的耐受性∶蛋白酶能水解蛋白质，但对 DNA 没有影响。 对温度的耐受性∶大多数蛋白质不能忍受 60～80℃的高温，而 DNA 在 80℃以上才会变性。 对洗涤剂的耐受性∶洗涤剂能够瓦解细胞膜，但对 DNA 没有影响。 ·鉴定原理：在沸水浴的条件下，DNA 与二苯胺反应呈现蓝色。 2. 试剂及作用 ·研磨液：破坏细胞，释放出细胞内的物质（食盐：使构成染色体的核蛋白加速解聚，游离出 DNA 分子，并使 DNA 分子充分溶解于 NaCl 溶液中；洗涤剂：溶解细胞膜、核膜，释放出细胞内含物。） ·体积分数为 95% 的冷酒精：析出 DNA（即粗提取 DNA） ·2mol/L 的 NaCl 溶液：溶解DNA（并去除部分杂质蛋白） ·蒸馏水：滴入 NaCl 溶液中，使其浓度逐渐下降至 0.14mol/L, 从而析出DNA ·二苯胺试剂：在沸水浴的条件下，DNA 与二苯胺反应呈现蓝色。现配现用，否则影响鉴定结果。 3. 过程 Step 1 研磨 称取约 30g 洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入 10mL 研磨液，充分研磨。研磨不充分，会使DNA分子不能从细胞核中释放出来，从而影响提取的 DNA 含量。 Step 2 过滤取上清液 直接将研磨液倒入塑料离心管中，在 1500r/min 的转速下离心 5min，再取上清液放入烧杯中。 方法一：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在 4℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液。 方法二：纱布不可以用滤纸代替，因为 DNA 会被吸附到滤纸上而大量损失。 Step 3 析出DNA 在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液（体积分数为 95%），静置 2～3min，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的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；或者将溶液倒入塑料离心管中，在 10000r/min 的转速下离心 5min，弃上清液，将管底的沉淀物（粗提取的 DNA）晾干。 冷却的酒精溶液 (体积分数 95％) 作用 ① 抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解； ② 低温有利于增加DNA分子柔韧性，减少断裂。 Step 4DNA的鉴定 取两支 20mL 的试管，各加入 2mol/L 的 NaCl 溶液 5mL。将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的 NaCl溶液中。然后，向两支试管中各加入 4mL 的二苯胺试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中加热 5min。待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。 【视频学习】观看DNA粗提取与鉴定的视频 通过对实验原理的学习、材料用具的了解，帮助学生了解DNA的物理和化学性质，理解DNA粗提取和鉴定的原理。 学生通过实验操作，熟悉粗提取和鉴定DNA的最简单的一种方法，并注意到因为动植物细胞结构上的不同，因而粗提取DNA的方法也不同。 小结与练习 【课堂小结】同板书 【课堂练习】处理教材中的思考讨论、练习与应用，处理双导学案和分层作业 引导学生关注知识内容的梳理，尝试构建概念图。 板书设计 3.1重组DNA技术的基本工具 第1课时 重组DNA技术的基本工具 一、限制性内切核酸酶 1.识别序列和切割位点 2.黏性末端和平末端 二、DNA连接酶 1.按照来源分类 2.作用 三、载体 1.常用载体:质粒 2.其他载体:噬菌体、动植物病毒等 第2课时 DNA的粗提取与鉴定 一、实验原理 1.DNA粗提取的概念与原理 2.鉴定DNA的原理 3.实验材料选取的原则 二、方法步骤 1.DNA粗提取的过程 2.DNA鉴定 DNA十二苯胺->呈现蓝色 三、注意事项 四、进一步探究 作业布置 【课后作业】1.完成分层训练课后素养评价、2.完成双导学案对应内容和下一节问题式预习部分 教学反思 基因工程的三种工具:两种工具酶限制性内切核酸酶和DNA连接酶，一种运输工具--载体，是本节课的主要内容。教学过程中运用举例的方式阐述限制酶和DNA连接酶的作用机制和效果，并设计模拟“剪切”“拼接”的过程，让学生体验限制酶和DNA连接酶的作用。通过播放3D动画，让学生感受载体的形态特点及剪切、拼接后的状态等，利用直观教学加深学生对载体的理解。最后，精选部分习题，让学生运用课堂所学知识解决抽象的问题，对理论知识及时巩固提高，培养学生的科学思维核心素养。 注意对原理、材料选择、方法步骤的陈述，帮助学生理解实验的原理，了解DNA实验室常用的几种提取DNA的方法，并与本节实验在原理和方法上进行对比，让学生对DNA的提取有了更深刻、更广泛的认知。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $