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四大操作程序，以国产转基因抗虫棉为情境导入，串联前节分子工具知识，通过问题链引导学生梳理“目的基因获取-表达载体构建-导入受体细胞-检测鉴定”流程，搭建学习支架。 特色在于本土情境融合科学探究，用PCR循环示意图、载体构建模式图等拆解核心操作，对比归纳体内复制与PCR差异，培养科学思维。结合我国抗虫棉科研案例渗透课程思政，提升学生探究实践能力，为教师提供清晰教学资源与方法。

教学设计 课程名称 基因工程的基本操作程序 选用教材 高中生物人教版选修三 教学章节 第三章第二节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课以我国转基因抗虫棉产业化农业实例为情境，完整拆解基因工程四大核心操作步骤，串联上一节限制酶、DNA 连接酶、载体三类分子工具。第一步讲解目的基因筛选与获取，以 Bt 抗虫基因为实例，重点讲解 PCR 扩增技术，对比体内 DNA 复制，拆解变性、复性、延伸三步循环指数扩增原理；第二步为基因表达载体构建（核心步骤），明确载体必备启动子、终止子、目的基因、标记基因、复制原点五大元件，借助质粒重组示意图梳理限制酶切割、DNA 连接酶拼接全过程；第三步讲解目的基因导入受体细胞，植物重点讲解农杆菌转化法、花粉管通道法，动物为显微注射法，微生物用 Ca²⁺处理感受态细胞；第四步分为分子水平、个体生物学水平两层检测鉴定，PCR、核酸分子杂交、抗原 - 抗体杂交为分子检测，抗虫棉饲喂棉铃虫为个体功能鉴定；配套多幅流程图、循环扩增示意图，构建完整 “获取 — 构建 — 导入 — 检测” 线性操作模型，为转基因生物安全、基因工程应用铺垫实操理论。 二、学情分析 1. 知识根基 学生上一节掌握限制酶、DNA 连接酶、质粒载体三大工具，理解质粒复制原点、标记基因功能；必修 2 学习体内 DNA 半保留复制、转录翻译，知晓启动子、终止子调控转录；了解农杆菌 Ti 质粒 T-DNA 可整合植物染色体 DNA；具备碱基互补配对、酶促反应基础；但不清楚 PCR 耐高温 Taq 酶作用、循环指数扩增规律；易混淆启动子 / 复制原点功能；分不清四层检测技术各自检测对象（DNA、mRNA、蛋白质）。 2. 能力概况 高二学生具备 PCR 反应过程示意图、基因表达载体构建模式图、农杆菌转化法示意图识图归纳能力，但四大步骤先后逻辑链条梳理零散；小组讨论时难以对比体内复制与 PCR 体外扩增的异同；推导表达载体五大元件各自功能时论证片面；区分分子三层检测技术检测层次时容易混淆；无法自主归纳动植物微生物三类受体细胞导入方法差异。 3. 认知误区 1. PCR 扩增需要解旋酶，依靠高温变性断开双链，无需解旋酶； 2. 复制原点、启动子功能相同，复制原点控制质粒复制，启动子驱动基因转录； 3. 构建载体只需要目的基因 + 质粒，缺少启动子、终止子无法完成转录表达； 4. 导入受体细胞即代表转基因成功，必须分子 + 个体双层检测确认稳定遗传与表达； 5. 所有受体细胞导入方法通用，植物主流农杆菌转化，动物专用显微注射，微生物 Ca²⁺感受态； 6. PCR 模板只能是 DNA，不能直接扩增 RNA，需先逆转录。 三、教学目标 1. 生命观念 1. 结构与功能观：表达载体五大元件各司其职，启动子、终止子调控转录；复制原点保障载体复制；标记基因用于筛选；目的基因编码功能蛋白，完整元件协同实现基因稳定复制与表达。 2. 核酸复制调控观：体内 DNA 复制与 PCR 均遵循半保留复制、碱基互补配对，体外通过温度循环替代解旋酶，耐高温 Taq 酶适配高温环境，环境条件调控核酸扩增过程。 3. 遗传稳态观：Ti 质粒 T-DNA 整合植物染色体 DNA，目的基因随宿主基因组稳定遗传；多层检测保证外源基因稳定插入、转录、翻译，维持转基因性状稳定传递。 2. 科学思维 1. 演绎推理思维：依托体内 DNA 复制知识推导出 PCR 原料、酶、模板、引物组分，结合温度变化推导变性、复性、延伸三步循环机理；结合转录知识推导出载体必须配备启动子与终止子。 2. 线性建模思维：依托教材流程图搭建 “目的基因获取→载体构建→导入受体→检测鉴定” 四大步骤完整操作模型。 3. 对比归纳思维：表格对比体内复制与 PCR、动植物微生物转化方法、三层分子检测技术检测对象。 4. 辩证评估思维：辩证分析转基因抗虫棉减少农药、增产增收的农业价值，客观看待基因工程操作严格安全评估的必要性。 3. 科学探究 1. 观察 PCR 反应过程示意图，拆解变性、复性、延伸温度控制与每一步核酸变化，推导指数扩增规律； 2. 观察基因表达载体构建模式图，识别启动子、终止子、标记基因、复制原点、目的基因五大元件，梳理酶切、连接重组操作； 3. 观察农杆菌转化法示意图，理解 Ti 质粒 T-DNA 转移整合植物染色体的完整路径； 完整走完 “转基因抗虫棉产业情境导入→目的基因获取与 PCR→表达载体构建→受体细胞导入→多层检测鉴定” 探究流程，提升扩增机理推导、载体元件功能分析、转化方法对比探究能力。 4. 社会责任 1. 依托我国自主培育转基因抗虫棉大幅减少农药、提升棉农收益的本土产业案例，认识基因工程育种助力绿色农业、粮食增产、生态保护的经济生态价值。 2. 了解我国科学家独创花粉管通道法、自主研发转基因棉花品种的科研突破，增强国内生物技术科研自信。 3. 明确基因工程必须严格开展分子、个体多层次检测，规范转基因生物安全评价，树立遵循生物技术伦理、管控转基因风险的责任意识。 四、教学重难点 重点 1. 目的基因获取：PCR 原理、三步温度循环（变性 / 复性 / 延伸）、与体内 DNA 复制异同； 2. 基因表达载体构建（核心步骤）：五大必备元件（启动子、终止子、目的基因、标记基因、复制原点）；限制酶切割 + DNA 连接酶拼接重组流程； 3. 受体细胞导入方法：植物（农杆菌转化法为主）、动物（显微注射）、微生物（Ca²⁺感受态细胞）； 4. 目的基因检测鉴定：分子水平三层检测（PCR / 核酸杂交、分子杂交、抗原 - 抗体杂交）；个体生物学水平功能鉴定； 难点 1. PCR 体外扩增三步循环机理，指数扩增数学规律，对比体内 DNA 复制的差异； 2. 区分启动子（转录起点）与复制原点（质粒复制起点）功能差异，完整推导五大载体元件不可缺少的原因； 3. 区分三层分子检测技术分别检测 DNA、mRNA、蛋白质三个表达层次； 五、教学方法  本土产业情境导入法：国产转基因抗虫棉增产减药真实产业案例创设情境；  流程图文拆解法：PCR 示意图、载体构建图、农杆菌转化示意图分层拆解核心操作；  对比表格归纳法：体内复制 / PCR、三类受体转化方法、三层检测技术多维对比；  递进问题链探究法：以四大操作步骤为主线设置递进问题，自主推导每一步操作原理；  本土科研案例分析法：我国花粉管通道法、国产抗虫棉科研成果渗透科研自信。 六、教学资源 PCR 反应过程示意图、基因表达载体构建模式图、农杆菌转化法示意图；配套素材：体内复制与 PCR 对比填空表格；基因工程四大步骤流程梳理任务单；转基因抗虫棉产业科普拓展材料。 七、教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 情境导入（5 分钟）  出示国产转基因抗虫棉图文素材设问：我国自主培育 Bt 转基因抗虫棉，大幅减少农药、增产增效，培育转基因棉花完整分为哪四大操作步骤？每一步需要上一节学习的哪种分子工具配合？  出示 PCR 反应过程示意图 说明本节课完整讲解基因工程全套实操流程：目的基因获取、载体构建、导入受体、检测鉴定，PCR 是获取大量目的基因核心手段。  导入思辨问答题：PCR 扩增是否需要解旋酶？基因表达载体除目的基因、质粒骨架外还必须包含哪三类关键元件？检测目的基因翻译产物采用什么技术？  过渡讲解：整套基因工程操作依托限制酶、连接酶、质粒载体，依次完成基因提取、体外重组、送入细胞、验证表达四大环节，Bt 抗虫棉培育是完整典型实例。  观看 PCR 循环示意图，识别三段温控设备与每一步 DNA 双链变化，小组交流体外扩增和体内复制的区别。  独立完成导入问题，同桌互对答案，记录本节课四大学习主线：目的基因获取、载体构建、导入受体、检测鉴定。  完整口述基因工程四大操作程序：筛选扩增目的基因→构建完整表达载体→将重组载体导入受体细胞→多层次检测鉴定目的基因是否稳定表达。 环节二 新知探究一：目的基因的筛选与获取（14 分钟）  目的基因定义：编码功能蛋白的基因，本课 Bt 基因为苏云金杆菌抗虫蛋白基因；筛选依据已知基因序列、功能数据库比对。  PCR 扩增核心讲解： ① 原料组分：DNA 模板、两种引物、四种脱氧核苷酸、耐高温 Taq DNA 聚合酶、缓冲液 Mg²⁺；无需解旋酶； ② 三步循环温控：变性 90℃（双链解旋）、复性 50℃（引物互补结合单链）、延伸 72℃（Taq 酶沿 3’端合成子链）； ③ 扩增规律：产物指数扩增 2ⁿ，每轮产物作为下一轮模板；  对比体内 DNA 复制：体内需解旋酶、普通 DNA 聚合酶；PCR 高温解旋、Taq 耐高温酶；引物为人工单链 DNA；体外循环扩增。  小组讨论题：1. PCR 不需要解旋酶，依靠什么条件打开 DNA 双链？2. 引物在扩增过程中起到什么作用？  对照 PCR 示意图，标注变性、复性、延伸对应的温度与核酸行为，梳理循环扩增逻辑。  小组结合碱基互补配对、DNA 复制知识推导引物功能。  独立作答：高温变性破坏氢键，使双链解开；引物结合模板单链，为 Taq DNA 聚合酶提供延伸起点。  同桌列表区分体内复制与 PCR 酶、解旋方式、反应场所差异。 环节三 新知探究二：基因表达载体的构建（核心步骤）（14 分钟）  载体五大必备元件，逐一讲解功能： ① 复制原点：质粒自主复制，大量扩增载体与目的基因； ② 启动子：基因上游，RNA 聚合酶结合位点，驱动转录生成 mRNA； ③ 目的基因：Bt 抗虫蛋白编码序列； ④ 终止子：基因下游，终止转录； ⑤ 标记基因：抗生素抗性基因，筛选成功摄取重组质粒的细胞；  出示基因表达载体构建模式图 讲解重组流程：同种限制酶切割载体与目的基因→产生互补黏性末端→DNA 连接酶缝合磷酸二酯键，形成重组 DNA 分子；  关键辨析：仅目的基因直接导入细胞无法复制、转录，缺少启动子、终止子、复制原点；载体构建是基因工程核心步骤。  小组综合讨论题：1. 复制原点与启动子功能有什么根本区别？2. 若载体缺失终止子，目的基因表达会出现什么问题？  对照载体构建环形示意图，定位五大元件，梳理酶切、拼接重组完整操作。  小组结合 DNA 复制、转录调控知识区分两类元件功能。  独立作答：复制原点控制质粒 DNA 复制，启动子控制基因转录；缺失终止子，转录无法正常停止，mRNA 异常延长，不能合成完整功能蛋白。  完整归纳五大元件缺一不可的底层逻辑。 环节四 新知探究三：将目的基因导入受体细胞（10 分钟）  转化定义：目的基因进入受体细胞并稳定维持、表达；受体分植物、动物、微生物三类，转化方法不同。  植物细胞（棉花）： ① 农杆菌转化法（主流）：出示农杆菌转化法示意图 Ti 质粒 T-DNA 可转移并整合植物染色体 DNA； ② 本土独创花粉管通道法：直接注射子房或滴加柱头，简便低成本；  动物细胞（受精卵）：显微注射法；  微生物（大肠杆菌）：Ca²⁺处理获得感受态细胞，吸收周围 DNA；  小组讨论题：农杆菌转化法为什么适合双子叶植物？Ti 质粒上哪段 DNA 是实现转化的关键？ · 观察农杆菌转化示意图，梳理重组 Ti 质粒导入农杆菌、侵染植物细胞、T-DNA 整合染色体全过程。 · 独立作答：农杆菌天然侵染双子叶植物；T-DNA 可转移至植物细胞核染色体 DNA，携带目的基因稳定遗传。 · 同桌对比三类受体细胞转化方法、适用对象。 环节五 新知探究四：目的基因的检测与鉴定（7 分钟）  分子水平三层检测（由 DNA→RNA→蛋白质）： ① PCR / 核酸分子杂交：检测受体细胞染色体 DNA 是否插入目的基因； ② 核酸分子杂交：检测目的基因是否转录出 mRNA； ③ 抗原 - 抗体杂交：检测目的基因是否翻译出 Bt 抗虫蛋白；  个体生物学水平鉴定：抗虫棉叶片饲喂棉铃虫，观察害虫存活情况，验证抗虫性状；  逻辑梳理：分子检测证明基因存在、转录、翻译；个体鉴定证明具备预期生物功能，两层检测结合才算转基因培育成功。  对比提问：抗原 - 抗体杂交技术检测的是核酸还是蛋白质？  小组区分三层分子检测各自检测的物质层次，梳理检测先后逻辑。  独立作答：抗原 - 抗体杂交检测翻译产物蛋白质，核酸杂交检测 DNA 或 RNA。 环节六 课堂梳理、分层作业布置（5 分钟） · 整体脉络梳理：本节课四大核心步骤，PCR 实现目的基因体外指数扩增；表达载体五大元件协同保障复制与转录；三类受体配套专属转化手段；分子 + 个体双层检测验证转基因稳定表达，完整覆盖转基因抗虫棉培育全部实操流程，串联限制酶、连接酶、质粒载体前一节工具知识。 · 分层课后作业 · 基础作业：写出 PCR 三步循环温度与操作；逐条列出表达载体五大元件及功能；区分动植物微生物转化方法；三层分子检测分别检测什么物质；完成教材思考讨论题。 · 提升作业：多维度对比 PCR 与体内 DNA 复制；完整推导载体必须配备启动子、终止子、复制原点的原因；分析农杆菌 Ti 质粒 T-DNA 实现植物转化的机理。 · 拓展实践：查阅国产转基因抗虫棉培育完整产业流程；绘制基因工程四大步骤线性流程图；搜集 PCR 扩增仪科研应用科普资料。 · 引导学生整理三张配套图文笔记：PCR 反应过程示意图、基因表达载体构建模式图、农杆菌转化法示意图核心知识点。 · 同桌互相抽查 PCR 循环步骤、载体五大元件、三类转化方法、三层检测对象，查漏补缺易混淆知识点。 · 逐条记录分层作业，结合自身 PCR 扩增机理、载体元件功能推导薄弱点规划完成顺序；存在 Taq 酶功能、启动子复制原点区分疑问课后小组交流讨论。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托我国自主研发、大面积商业化推广转基因抗虫棉，大幅减少农药使用、提升棉农经济效益的本土农业科技案例，结合 PCR 体外扩增、表达载体重组、农杆菌转化、多层次检测整套基因工程实操体系，引导学生建立 DNA 复制、转录调控、核质基因协同表达的核酸稳态生命观念；通过 PCR 扩增机理因果推导、表达载体五大元件功能系统归纳、三类转化方法对比、多层检测逻辑梳理，培养流程线性建模、多维度对比归纳、机理严谨推导的科学探究思维；体会我国科研工作者攻坚克难，独创花粉管通道法、自主培育 Bt 转基因棉花，打破国外转基因育种技术垄断的自主创新精神，增强国内生物技术产业科研自信；认识基因工程精准改良作物性状、发展绿色生态农业的民生经济价值，同时明确转基因产品必须完成多层分子与个体检测、严格落实生物安全评估，树立规范、安全、可持续利用基因工程技术造福农业生产的社会责任意识。 十、教学反思与修改措施 1 教学反思 本节课使用三张配套图文，按照转基因棉花产业情境导入、目的基因 PCR 扩增、载体构建、受体导入、检测鉴定逻辑授课，多数学生能记住 PCR 分三步循环，但课堂存在明显短板：一是学生极易混淆 PCR 与体内 DNA 复制的酶、解旋方式，误认为 PCR 需要解旋酶；二是区分启动子、复制原点时逻辑模糊，无法分别对应转录、复制两种生理过程；三是解读三层分子检测时，分不清 DNA、mRNA、蛋白质三层检测对象；四是推导农杆菌转化机理，不清楚 T-DNA 整合植物染色体是核心关键；五是容易忽略载体构建是基因工程核心步骤，低估启动子、终止子对基因表达的决定性作用。 2 修改措施 课前设计 PCR 与体内复制、三层分子检测对比填空预习单，提前铺垫概念区分；课堂增设线性分栏板书，逐条标注 PCR 无需解旋酶、启动子 / 复制原点功能差异、三层检测对应物质、Ti 质粒 T-DNA 核心作用；补充载体五大元件缺一不可的机理醒目标注；课后配套扩增机理辨析、载体功能推导、转化方法对比三类专项习题；压缩概念讲授时长，预留充足小组三张图文操作流程拆解、PCR 扩增机理推导、多层检测逻辑讨论时间；增设绘图作业，要求学生绘制基因工程四大步骤完整双线流程并标注载体五大元件，提升图文建模、核酸复制表达因果推导、生物技术分层检测探究能力。 学科网（北京）股份有限公司 $