3.2 基因工程的基本操作程序教学设计2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学教学设计聚焦基因工程基本操作程序，涵盖目的基因获取、PCR与电泳、表达载体构建及检测鉴定。以抗虫棉案例导入，衔接基因工程工具知识，搭建从理论到实践的学习支架。 特色在于情境教学与实验探究结合，通过案例分析培养科学思维，PCR及电泳操作强化探究实践，借助载体结构图等直观教具深化生命观念。助力学生提升科学探究能力，为教师提供逻辑清晰的教学资源。

教学课题 第3章第2节 基因工程的基本操作程序 课时安排 1 课时 主备人 参备人 教学班级 教学课型 新授课 备课 分备时间 集备时间 课标要求 举例说明目的基因类型；概述目的基因筛选思路和获取方法。 教材分析 承接基因工程工具，为后续载体构建、转化打基础，是操作第一步。 学情分析 已知DNA和基因概念，对“如何获得特定基因”缺乏方法认知。 教学目标 1.阐明基因工程的原理和基本操作程序。 2.针对人类生产或生活中的某一需求，选取适当的基因工程的技术和方法，尝试设计获得某一转基因产品的方案。 3.尝试进行PCR的基本操作并用电泳鉴定PCR的产物。 教学重点 （1）基因工程基本操作程序的四个步骤。 （2）DNA片段的扩增及电泳鉴定。 教学难点 （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。 教学方法 情境导入法、案例分析法、图解归纳法、讨论法 教学准备 PPT课件、Bt抗虫棉图、DNA复制所需的基本条件表格、PCR反应过程示意图 教学思路 抗虫棉案例导入→目的基因的概念→筛选合适的目的基因→目的基因获取的方法→习题巩固 教 学 过 程 教学环节 教学内容及教师活动 学生活动 设计意图 新课导入 【从社会中来】 我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中，常常会受到一些害虫的侵袭，其中以棉铃虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一，严重时，甚至能使一片棉田绝收。1997年，我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年，我国已育成转基因抗虫棉新品种100多个，减少农药用量40万吨，增收节支社会经济效益450亿元。 你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗？培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？ 观察图片、思考问题、交流初步想法。 结合真实案例，激发兴趣，引出课题。 新知探究：目的基因概念与类型 【知识讲解】 概念：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。 根据不同的需要，目的基因是不同的，它主要指编码蛋白质的基因。 如：与生物抗逆性相关的基因 与生物药物相关的基因 与毒物降解相关的基因 与工业用酶相关的基因等 阅读、记录、举例，区分不同类型的目的基因。 明确概念，建立分类认知。 新知探究：筛选合适的目的基因 苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌半孢晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破环鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。 Bt抗虫蛋白的抗虫原理：当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，最后造成害虫死亡。 思考：Bt抗虫蛋白会不会对人畜产生危害？ 提示：Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体，因此，Bt抗虫蛋白不会对人畜产生上述影响。 培育转基因抗虫棉的简要过程： 【知识讲解】 （1）较为有效的方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。 （2）利用序列数据库（如GenBank)和序列比对工具（如BLAST）进行筛选。 理解筛选逻辑，讨论筛选依据。 培养科学筛选思维。 新知探究：目的基因获取的方法 【知识讲解】 （1）从生物组织中直接获取 （2）从基因文库中获取 （3）通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成 （4）利用PCR技术获取和扩增目的基因 （1）概念：PCR是聚合酶链式反应的缩写，它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。 （2）PCR反应的组分和条件： 不需要解旋酶（高温） DNA模板 4种脱氧核苷酸 耐高温的DNA聚合酶 缓冲溶液（含Mg+） 2种引物 引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。 用于PCR的引物有2种，长度通常为20~30个核苷酸。 前提：要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列设计引物。 （3）PCR反应的过程 思考：用PCR可以扩增mRNA吗？ 提示：mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。 1.逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子。 2.核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链DNA。 3.以单链DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子。 讨论四种方法优缺点、适用场景。 系统掌握方法，提升对比归纳能力。 巩固新课 小结回顾 梳理：目的基因的概念、类型、筛选、获取方法 课堂检测 PPT 原题，当堂订正。 作业设计 基础性作业 完成教材课后练习与应用 拓展性作业 分析PCR适用条件 板书设计 3.2 基因工程操作程序 1.目的基因：概念、类型 2.筛选：已知基因、序列数据库和序列比对工具 3.获取：生物组织/基因文库/人工合成/ PCR技术 教学反思 本节课以抗虫棉导入，贴近实际，学生兴趣浓。目的基因概念、类型、筛选较易掌握；四种获取方法通过对比，学生能区分适用条件。 但基因文库概念较抽象，部分学生理解不透。课堂节奏合理，讨论充分。后续可增加简易示意图，降低抽象难度，强化方法对比训练，提升应用能力。 教学课题 第3章第2节 基因工程的基本操作程序 课时安排 1 课时 主备人 参备人 教学班级 教学课型 新授课 备课 分备时间 集备时间 课标要求 阐明 PCR 原理、过程与条件；说明电泳鉴定原理与操作要点。 教材分析 是目的基因获取关键技术，实践性强，为后续实验打基础。 学情分析 知道DNA复制，对体外扩增、电泳陌生，原理抽象。 教学目标 1.阐明基因工程的原理和基本操作程序。 2.针对人类生产或生活中的某一需求，选取适当的基因工程的技术和方法，尝试设计获得某一转基因产品的方案。 3.尝试进行PCR的基本操作并用电泳鉴定PCR的产物。 教学重点 （1）基因工程基本操作程序的四个步骤。 （2）DNA片段的扩增及电泳鉴定。 教学难点 （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。 教学方法 图解教学法 、视频演示法、问题探究法、归纳总结 教学准备 PPT课件、PCR循环图、电泳示意图、实验视频 教学思路 复习导入→实验原理→材料用具→方法步骤→结果分析与评价 教 学 过 程 教学环节 教学内容及教师活动 学生活动 设计意图 复习导入 复习目的基因的获取方法，提问：少量基因如何大量扩增？ 回顾旧知、思考扩增方法。 衔接旧知，引出 PCR技术。 新知探究：实验原理 【知识讲解】 1.利用PCR可以在体外进行DNA片段扩增的原理 ①PCR利用了DNA的热变性原理，通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合，PCR仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器，一次PCR一般要经历30次循环。②PCR扩增DNA片段还利用了DNA半保留复制的原理。 2.DNA片段用电泳鉴定的原理 ①DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷，在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。②PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。③在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关。 ④凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。 梳理 PCR 与电泳原理逻辑，标注关键条件。 理解体外扩增与电泳分离原理，培养科学探究思维。 新知探究：材料用具 【知识讲解】 PCR仪（自动控温，实现DNA的扩增）、微量离心管（实际上是进行PCR反应的场所） 微量移液器（用于向微量离心管转移PCR配方中的液体）、一次性吸液枪头（微量移液器吸取一种试剂更换一次枪头）、电泳装置（包括电泳仪、电泳槽等）、4种脱氧核苷酸等量混合液、2种引物、TaqDNA聚合酶、模板DNA、扩增缓冲液、无菌水。电泳缓冲液、凝胶载样缓冲液、琼脂糖和核酸染料等。 对照清单识别材料用具，讨论各用具在实验中的作用。 熟悉实验器材与试剂，明确其功能，培养实验准备能力。 新知探究：方法步骤 【知识讲解】 (一）DNA片段的扩增 1.移液：用微量移液器按照PCR反应体系配方或PCR试剂盒的说明书，在微量离心管中依次加入各组分。 2.离心：待所有组分都加入后，盖严离心管的盖子，将微量离心管放入离心机里，离心约10s，使反应液集中在离心管的底部（提高反应速率）。 3.反应：参照下表的参数，设置好PCR仪的循环程序。将装有反应液的微量离心管放入PCR仪中进行反应。 预变性：使DNA充分变性，以利于引物更好地和模板结合。 （二）DNA片段的电泳鉴定 1.配制琼脂糖溶液 根据待分离DNA片段的大小，用电泳缓冲液配制琼脂糖溶液，一般配制质量体积比0.8%-1.2%的琼脂糖溶液。在沸水浴或微波炉内加热至琼脂糖熔化。稍冷却后，加入适量的核酸染料混匀。 2.制备凝胶 ①将温热的琼脂糖溶液迅速倒入模具，并插入合适大小的梳子，以形成加样孔。 ②待凝胶溶液完全凝固，小心拔出梳子，取出凝胶放入电泳槽内。 ③将电泳缓冲液加入电泳槽中，电泳缓冲液没过凝胶1mm为宜。 3.加样 将扩增得到的PCR产物与凝胶载样缓冲液（内含指示剂）混合，再用微量移液器将混合液缓慢注入凝胶的加样孔内。留一个加样孔加入指示分子大小的标准参照物。 4.电泳 接通电源，根据电泳槽阳极至阴极之间的距离来设定电压，一般为1～5V/cm。待指示剂前沿迁移接近凝胶边缘时，停止电泳。 5.观察记录 取出凝胶置于紫外灯下观察和照相。 梳理步骤流程，标注关键操作与注意事项。 掌握完整实验流程，培养规范操作与逻辑梳理能力。 新知探究：结果分析与评价 讨论 1.你是否成功扩增出DNA片段？判断的依据是什么？ 提示：可以在紫外灯下直接观察到DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。 进行电泳鉴定的结果应该是一条条带，该片段大小约为750bp。 2.你进行电泳鉴定的结果是几条条带？如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。 提示：如果扩增不成功，可能的原因有：漏加了PCR的反应成分、各反应成分的用量不当、PCR程序设置不当等。如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有：引物设计不合理、退火温度过低、DNA聚合酶的质量不好等。 观察电泳图谱，讨论条带正误、分析扩增成败与实验误差。 培养实验结果分析、误差反思与科学评价能力。 巩固新课 小结回顾 梳理：PCR与电泳核心要点、易错点 课堂检测 PPT 原题，当堂订正。 作业设计 基础性作业 完成教材课后练习与应用 拓展性作业 设计简单的PCR方案 板书设计 3.2 基因工程的基本操作程序 1.PCR：原理、组分、变性-复性-延伸 2.电泳：原理、迁移、条带 教学反思 本节课围绕PCR与电泳展开，图解+视频直观有效，学生参与度高。多数学生掌握 PCR 三步和电泳原理；但热变性、引物作用、迁移因素理解不够透彻。课堂节奏合理，视频演示效果好。后续可增加动态动画、分步模型，强化抽象概念，补充易错辨析，提升学生理论与实验结合能力。 教学课题 第3章第2节 基因工程的基本操作程序 课时安排 1 课时 主备人 参备人 教学班级 教学课型 新授课 备课 分备时间 集备时间 课标要求 阐明基因表达载体构建、目的基因导入及检测鉴定的原理与过程。 教材分析 承接目的基因获取，是基因工程核心操作，衔接后续应用，逻辑关键。 学情分析 已掌握目的基因获取，对载体构建、导入、检测等抽象流程理解困难。 教学目标 1.阐明基因工程的原理和基本操作程序。 2.针对人类生产或生活中的某一需求，选取适当的基因工程的技术和方法，尝试设计获得某一转基因产品的方案。 3.尝试进行PCR的基本操作并用电泳鉴定PCR的产物。 教学重点 （1）基因工程基本操作程序的四个步骤。 （2）DNA片段的扩增及电泳鉴定。 教学难点 （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。 教学方法 图解探究法、案例分析法、对比归纳、讨论法 教学准备 PPT课件、基因表达载体构建模式图、农杆菌转化法示意图、基因工程的基本操作流程图 教学思路 复习导入→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定→习题巩固 教 学 过 程 教学环节 教学内容及教师活动 学生活动 设计意图 复习导入 回顾培育转基因抗虫棉的简要过程，引导学生思考：为什么不能直接将目的基因导入受体细胞，而要用载体？ 提示：游离的DNA片段进入受体细胞，一般会直接被分解，就算可以进行转录并翻译成蛋白质，游离的DNA片段也无法随着细胞分裂而进行复制，导致子代细胞中不再含有目的基因，因此需要构建基因表达的载体。 提问：基因表达载体是由哪些部分组成的呢？ 回顾旧知，思考基因表达条件，衔接新课内容。 衔接旧知，激发探究，明确学习重点。 新知探究：基因表达载体的构建 【知识讲解】 1.构建原因 ①使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代。 ②使目的基因能够表达和发挥作用。 2.基因表达载体的组成 （1）启动子（启动子≠起始密码子） ①本质：一段有特殊序列结构的DNA片段 ②位置：位于基因的上游，紧挨转录的起始位点。 ③功能：RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA。 （2）终止子（终止子≠终止密码子） ①本质：一段有特殊序列结构的DNA片段 ②位置：位于基因的下游。 ③功能：使转录在所需要的地方停下来。 （3）标记基因 ①作用：便于重组DNA分子的筛选 ②常见类型：四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等 （4）目的基因：如Bt基因，能控制生物表达出所需要的特殊性状 注意：目的基因必须插入到启动子与终止子 之间。 （5）复制原点：DNA复制的起始位点 3.基因表达载体的构建过程 双酶切割：防止目的基因和质粒的自身环化和反向连接。 观察载体结构图，标注各部分功能，小组分析双酶切意义。 理解基因表达载体的核心结构，掌握构建逻辑，突破难点。 新知探究：将目的基因导入受体细胞 【知识讲解】 （一）导入植物细胞 导入方法：花粉管通道法、农杆菌转化法（最多） 1.花粉管通道法：我国科学家独创 ①可以用微量注射器将DNA溶液直接注入子房中。 ②可以在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊。 受体细胞：体细胞或受精卵 2.农杆菌转化法 ①转化：指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。 ②农杆菌的特点： a.能在自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有侵染能力。 b.农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA（可转移的DNA）转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上。 ③利用农杆菌进行转化的思路： 将目的基因插入Ti质粒的T-DNA中，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞。 ④农杆菌转化法的过程： ⑤转化的具体方法： a.可以将新鲜的从叶片上取下的圆形小片与农杆菌共培养，然后筛选转化细胞，并再生成植株。 受体细胞为体细胞。 b.可以将花序直接浸没在含有农杆菌的溶液中一段时间，然后培养植株并获得种子 ，再进行筛选、鉴定等。 受体细胞为受精卵。 （二）导入动物细胞—显微注射法 1.受体细胞：受精卵（因为受精卵容易表现出全能性） 2.过程： （三）导入微生物细胞—Ca2+处理法 1.受体细胞：常用原核生物作为受体细胞，其中以大肠杆菌应用最广泛。 2.原核生物的优点: 繁殖快、单细胞、遗传物质相对较少、易于培养。 3.一般过程: 对比不同导入方法法的差异，绘制流程简图，总结适用场景。 区分导入方法，理解原理，提升归纳能力。 新知探究：目的基因的检测与鉴定 思考：将目的基因成功导入受体细胞后，为什么还要进行目的基因的检测与鉴定？ 提示：检测目的基因进入受体细胞后，是否稳定维持和表达其遗传特性。 （一）检测—分子水平 1.检测转基因生物染色体DNA上是否插入了目的基因 （1）方法：DNA分子杂交 基因探针：简称探针，是一段带有检测标记（放射性同位素），且顺序已知的，与目的基因互补的核酸序列。 2.检测目的基因是否转录出了mRNA ①方法: 分子杂交 ②过程:用上述探针和转基因生物的mRNA杂交，若出现杂交带， 表明目的基因转录出了mRNA。 3.检测目的基因是否翻译成蛋白质：抗原-抗体杂交 （二）鉴定—个体水平鉴定 梳理检测逻辑，分析杂交带意义，讨论个体鉴定要点。 掌握检测原理，培养结果分析与判断能力。 巩固新课 小结回顾 梳理：基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞的方法、目的基因的检测与鉴定三大核心流程 课堂检测 PPT 原题，当堂订正。 作业设计 基础性作业 完成教材课后练习与应用 拓展性作业 设计转基因方案 板书设计 3.2 基因工程操作程序 1.基因表达载体的构建：组成+双酶切 2.将目的基因导入受体细胞：植物/动物/微生物 3.目的基因的检测与鉴定：分子+个体水平 教学反思 本节课围绕基因工程核心操作展开，教学逻辑清晰、层次分明。通过图解和案例，学生能较好掌握表达载体组成、导入方法及检测鉴定流程，课堂参与积极。 但部分学生对启动子、终止子功能区分不清，农杆菌转化机制、分子杂交原理理解较浅，抽象概念掌握不足。课堂节奏适中，讨论交流充分。后续可增加动态图示和分步模型，强化难点拆解，补充对比练习，帮助学生深化理解，提升逻辑思维与知识应用能力。 学科网（北京）股份有限公司 $