“大问题”引领,“子问题”驱动

2020-03-09 02:06吴雷鸣
关键词:基因工程

吴雷鸣

摘要:高三生物教学学时紧张、要求高,需要在有限的时间内实现最好的复习效果,避免“炒冷饭”。《基因工程》一轮复习课,以一个大问题“如何培育绿色荧光大肠杆菌”引领和若干个子问题驱动,助推学生构建“基因工程”的知识框架。其中,特别注意了问题设计和课堂预设与生成两个方面的问题。

关键词:问题驱动一轮复习《基因工程》

高三生物教学学时紧张、要求高,需要在有限的时间内实现最好的复习效果,避免“炒冷饭”。对此,笔者也做了积极的探索与尝试。《基因工程》一轮复习时,以一个大问题“如何培育绿色荧光大肠杆菌”引领和若干个子问题驱动,助推学生构建“基因工程”的知识框架。

一、教学过程

(一)引领问题的提出

(出示绿色荧光水母图片,如图1)我们班一位同学受绿色荧光水母的启发,想要培养绿色荧光大肠杆菌,你们能帮助他思考有哪些培育方法吗?

(奇特的图片一出现,加上本班同学提出的问题,学生的好奇心立即被调动起来,纷纷提出自己的观点。)

诱变育种。

如果用诱变的方法不一定能得到绿色荧光大肠杆菌。

基因突变是不定向的,所以需要大量处理供试材料,可以用基因工程育种。

那么,与诱变育种相比,基因工程育种的优点是——

定向改造生物性状。

既然诱变育种的方向不确定,而杂交育种目的性强且可预见,那么可不可以用杂交育种的办法呢?

不能,因为水母与大肠杆菌之间存在生殖隔离。

所以我们选择基因工程育种,可以克服远源杂交不亲和的障碍。若采用基因工程育种,你们会怎么做?

先确定目的基因,即绿色荧光水母的荧光蛋白基因。

还要确定受体细胞,即大肠杆菌。

不同生物之间能实现基因拼接的原因是——

DNA都是由四种脱氧核苷酸形成的规则的双螺旋结构。

一种生物的基因能在另一种生物体内表达的原因是——

不同生物共用一套遗传密码。

“培养绿色荧光大肠杆菌”是一位学生在课间交流时提出的,笔者当时觉得这是一个很好的问题,既能将本专题内容(基因工程的特点、优点、操作步骤等)串起来,又能驱动学生去比较基因工程育种与其他育种方式的利与弊。由于是身边同学提出的问题,课堂一开始就呈现出兴趣盎然、群策群力的热烈氛围,有效激发了学生的学习兴趣和动机。

本节课的内容不仅是教学重点,也是考纲中的主干知识,内容繁多且抽象,有一定的难度。所以,在设计驱动问题时,笔者特别强化了基因工程的概念和操作步骤等知识的回顾,引领学生把散落在不同章节的相关知识点联系起来,整合出一个相对完整的生物学“大概念”(基因工程),有效帮助学生建立连贯、系统的知识体系。

(二)问题驱动辨析

(出示表1)请同学们仔细观察表格中四种不同的限制酶的识别序列及切割位点,你能得出什么结论?

限制酶只能催化特定的核苷酸序列并使特定位点的磷酸二酯键水解。如BamHⅠ酶的识别序列是GGATCC,切割位点是G与G之间的磷酸二酯键。

限制酶作为生物催化剂,其催化作用具有高效性、专一性等特点。

不同的限制酶处理DNA后,有的形成黏性末端,有的形成平末端。

目前,基因工程中广泛使用的限制酶切割方式有两种:错位切产生的是黏性末端,平切产生的是平末端。

不同的限制酶也可能产生相同的黏性末端,如BamHⅠ酶和BclⅠ酶。

请同学们进一步思考:不同种限制酶处理相同的DNA序列,产生的末端相同吗?

不一定相同。

对的。我们可以进一步推出:DNA连接酶作用的末端不一定是同种限制酶切割形成的;连接后形成的DNA片段不一定能再次被原先的限制酶切割,如分别用BamHⅠ酶和BclⅠ酶处理同一种DNA片段后形成的黏性末端能相连,(出示图2)但是连接后形成的DNA片段不能再被这两种限制酶识别。

限制酶作为“分子剪刀”,是基因工程操作中的重要工具酶,也是高考试题中的高频考点。笔者通过让学生观察不同酶的识别序列及切割位点,驱动学生主动思考,在感知、内化过程中形成准确的生物学概念。当学生能总结出不同种限制酶处理相同的DNA序列产生的末端不一定相同时,他们对限制酶概念的理解已经立体化,能多维度地剖析问题了。这也是后面单酶切、双酶切学习的基础。“连接后形成的DNA片段不一定能再次被原先的限制酶切割”这一观点,不仅让学生体会到生物学的概念灵活性之强,更能激起学生对基因工程浓厚的兴趣和探究之心。

(三)问题驱动反思

(出示图3、图4)现有某载体,其上有一至多个限制酶切位点,图中箭头表示相关限制酶的酶切位点。请选择合适的限制酶用于构建基因表达载体。

用EcoRⅠ处理。

不好,会产生相同的黏性末端。

可以用双酶切,用EcoRⅠ和BamHⅠ处理,避免产生相同的黏性末端。

也可以用EcoRⅠ和HindⅢ处理。

……

同学们各抒己见,很好!现在我们一起来观察一下,质粒上共存在四种酶切序列,首先我们能否选择SmaⅠ酶?

不能,因为目的基因内部存在SmaⅠ酶的识别序列,会破坏目的基因。

对,限制酶应选择切点位于目的基因两端,且质粒上也有的。目的基因内部不能有相关酶的识别序列。这样,质粒上还有三种酶的识别序列及切割位点,大家可以讨论看看有几种方案?

(学生讨论。)

大家有这么多好的想法!我们来比较一下,只用EcoRⅠ一种限制酶和使用BamHⅠ、Hind Ⅲ两种限制酶这两种方案,即比较单酶切和双酶切。

(学生比较,师生共同总结,得到表2中的结论。)

本专题内容对学生来说难点较多,如果处理不好,教师会停留在概念的复述和操作步骤的简单介绍层面,学生变成简单地死记硬背。而通过问题驱动,学生在讨论中经历概念的形成过程,理清知识的内在联系,构建起更加稳固的知识体系。构建基因表达载体(复制原点+启动子+目的基因+终止子+标记基因)是基因工程操作的核心步骤。因为要得到符合人类意愿的基因表达產物,就要确保目的基因能顺利导入受体细胞并稳定遗传和表达。而这些又取决于目的基因与载体的结合情况,因此限制酶的选择至关重要,会直接影响到该核心步骤的成功率。如何通过问题让学生在分子水平上理解并学会选择限制酶,是本节课需要重点突破的问题。本环节设置的这道题由浅入深,切入门槛低,学生也能有感而发。课堂讨论热烈,学生在不断研判、不断争论、不断反思过程中逐渐理清逻辑,不仅学会了如何选择限制酶构建基因表达载体,还真正理解了为什么要构建基因表达载体。

(四)问题驱动迁移

(教师出示题目:Bam HⅠ和Bgl Ⅱ两种限制酶的识别序列及切割位点如图5所示,科学家发现,通过图6中的①过程获得的重组质粒成功导入受体细胞后,经培养,发现约有50%的细胞能正常表达目的基因产物,请说明原因。学生思考。)

为什么约有一半细胞不表达?

因为目的基因与质粒结合时存在正接和反接两种情况,所以会产生两种重组质粒。

题干中正常表达的含义是什么呢?

指DNA通过转录、翻译合成出蛋白质。

表达成功的标志是——

产生目的基因编码的蛋白质或产生相应性状。

由此,同学们可以体会到表达和表达成功在基因工程中的含义了。基因工程就是按照人类的意愿,使目的基因在受体细胞中稳定存在并且可以遗传至下一代,即目的基因能够表达和发挥作用。

复习课中知识的回顾不是终点而是起点,更重要的是教师能通过设置研究情境,驱动学生解决问题。所以,本节课通过系列问题驱动学生构建好知识体系后,再通过一道高考立意的综合题,引领学生在新的情境中应用所学知识解决问题。通过三个具有层次性的追问,不仅可以有效降低“切题”门槛,以分析为基础,理清题干背后隐藏的知识点,而且能有效衔接选修和必修知识,促使学生重组知识以形成新的知识体系,使知识具备成长性。

二、教学思考

高三阶段,复习课是最常态的教学形式,学生已有一定的知识基础,缺少新鲜感,所以更需要教师花心思、花精力去研究学情,研究考纲,研究教育心理。

“基因工程”是生物选修模块《现代生物科技专题》的教学内容,也是生命科学中最具活力的前沿领域之一,基础性知识要求高,涉及技术名词多,学生理解起来颇有难度;同时,整章之间也体现了“STS(科学、技术、社会)”教育思想,对教师的教学也提出了较高的要求。因此,《基因工程》一轮复习课,要在必修课基础上,引导学生深入了解基因工程的基本原理和操作流程,了解基因工程在农业、医疗、环境保护等方面的广泛应用及发展前景,以开阔学生的科技视野,提高他们对生物科学技术的兴趣。

本节课以基因工程的操作步骤为脉络,以“培育绿色荧光大肠杆菌”为引领,以多个“子问题”为驱动,促使学生在一个具体情境中整合、归纳基因工程操作步骤的知识体系。其中,还特别注意了以下两个方面:

(一)问题的设计

问题是激发学生学习的原动力。每个专题复习前,教师可以问自己几个问题:本专题的重点是什么?学生的需求是什么?教师需要解决哪些问题?围绕这些“自我拷问”再结合考纲去设计问题,得到的问题往往是针对某一特定学习任务的设问或情境,其中大部分来源于学生的学情(已有观点或困惑),小部分来自教学过程中的生成。

例如,本节课的教学内容是“基因工程”,为了帮助学生理解基因工程知识的结构体系,教师通过一个大问题“如何培养绿色荧光大肠杆菌”引领、通过若干“子问题”驱动,这样,知识体系就被拆成一个个小知识点,隐藏在各个“子问题”背后。学生通过一步一步地解决“子问题”,习得其背后的知识点,理顺知识点之间的逻辑关系,进而构建自己的知识体系。

(二)课堂预设与生成

教学是个动态过程,每个学生的认知水平、思维方式皆有差异。虽然课前教师精心设计了多个教学环节,但是在真实的情境中往往不一定能顺利开展。

本节课中也遇到了类似问题,在导入环节,有学生回答用染色法去获得绿色荧光大肠杆菌,其他学生有的觉得好笑,有的觉得也可以。如果处理不当,会引起课堂方向的走偏,且会带来学生思维上的模糊。对此,教师首先肯定了他的“奇思妙想”(毕竟是一种方法),然后引导学生结合课题要求,分析可遗传变异、不可遗传变异的区别(前者是遗传物质改变;后者只是由环境带来的变化导致的性状改变,遗传物质未变),让学生的思维活动重新回到本节课的研究主题。

回过头来想,教学时能机智应对,一则心中不慌,这与充分备课有关;二则有备而来,这得益于平时能坚持记录课堂预设及生成的案例所积累的经验。

参考文献:

[1] 杨玉东,徐文彬.本原性问题驱动课堂教学:理念、实践与反思[J].教育发展研究,2009(20).

[2] 胡学发.“问题驱动、多元导学”教学法研究[J].当代教育科学,2012(20).

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