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1、“基因工程”单元教学设计1. 单元教学内容分析及设计思路本单元设计内容是大概念“基因工程赋予生物新的遗传特性”下的一个重要概念，是“蛋白质工程是基因工程的延伸”这一重要概念的基础。本单元的内容与数学、技术等学科知识相联系，涵盖实验、数学分析、生物技术工程和模型制作等内容，与 STEM教育相契合，其适用于STEM 教育的内容分析概括为表1。 本单元的学习主题是以转基因拟南芥的培育为研究项目，开展项目式教学( project-based learning，简称PBL) ，渗透STEM 教育理念。需要安排 5 课时的教学，通过真实情境确定可研究的项目，通过项目的分析、设计与实施、评价等过程，解决单元
2、学习的核心问题基因工程的技术原理、工具、流程和应用，具体思路框架如图 1 所示。2. 单元教学目标 ( 1) 通过分析DNA 的科学研究史，说出基因工程诞生的理论依据; 通过分析真实情境中的科研需求，认识基因工程操作过程中的物质变化规律，并以此解释基因工程的应用是怎样实现的，形成以生命观念为指导，分析生命现象，解决简单问题的能力，最终建构基因工程能够赋予生物新的遗传特性的概念。( 2) 通过材料分析，归纳、总结三种基因工程工具的概念、作用和特点; 联系DNA分子结构、DNA 复制以及基因的表达等相关知识，说明基因工程基本原理，归纳、概括基因工程的基本操作程序，尝试以流程图的形式表达并阐述其内涵
3、; 归纳、整理基因工程应用实例，说明基因工程的应用类型; 通过构建讨论模型和基因工程与其他生物技术结合获取基因工程产品的流程图，阐述基因工程应用价值。( 3) 通过开展模拟实验，明确工具酶的作用、构建基因表达载体; 利用线上工具，掌握筛选目的基因的方法; 利用实物模型设计并实施模拟实验，明确 PCR的程序; 开展“调查基因工程在生产生活中的应用”活动，掌握根据需要设计调查表，通过不同途径搜集、整理资料的能力，提升制订简单的实验方案并实施，如实记录分析实验数据，与他人合作开展探究活动的能力。( 4) 通过了解不同情境中基因工程的多种操作技术，认同科研工作者在基因工程领域取得的成就，以理性的态度对
4、待基因工程的研发和应用; 通过构建、整合讨论模型，探讨基因工程的应用价值，设计工程学实践方案，感受、认同、阐述基因工程的应用价值。3.单元教学过程3. 1 在情境中确定可研究项目 本单元的大情境设计是通过介绍模式生物拟南芥的特点以及乙烯持续合成对植物体生长发育的影响，引导学生思考如何运用基因工程技术探究乙烯持续合成对拟南芥生长发育的影响，确定可研究项目“培育持续激活表达 ACS6 蛋白的转基因拟南芥植株”。通过设计子情境“ACS6 蛋白的基因表达载体的构建”“培育转基因拟南芥的操作方案”和“转基因拟南芥的应用价值”将研究项目拆解成相互关联的独立问题。设计意图: 旨在创设一个可供师生共同完成的项
5、目作为主轴，激发学生的学习兴趣，使学生能积极主动地参与到项目中，最终能通过完成项目掌握基因工程的操作流程和方法。子情境的设计使学生更容易融入到学习情境中，合作完成项目的分析、设计和实施、评价，加深对科学、技术、工程和数学等多元化的知识的理解，具体内容概括为图 2。3. 2 在活动中完成项目研究 学生在本单元中，基于项目开展学习，在项目的分析、设计与实施、评价的过程中，设置了材料分析、模拟实验、流程设计、探究实验、调查活动、建模讨论、工程设计等活动，进行小组合作，解决基于真实情境的问题，精心设计、完成项目。在经验和操作中，实现知识的整合; 在设计和分析中，实现思维的提升; 在合作和实验中，感受探
6、究的乐趣;在调查和讨论中，升华价值的体验，最终实现生物学、数学、工程学等跨学科知识的获取，掌握基因工程的理论知识、技术流程和应用价值，落实重要概念。3. 2. 1 项目的分析 【活动 1】资料分析: 通过分析DNA 的科学研究史和DNA 实物模型，小组讨论、归纳和计算，了解基因工程诞生的理论基础，明确磷酸二酯键的概念和双链 DNA 中脱氧核苷酸的连接方式。通过分析大肠杆菌中质粒的结构示意图，归纳出质粒的本质和特点。【活动 2】模拟实验: 利用标有碱基对序列的环状卡纸、标有碱基对序列的链状卡纸、剪刀、透明胶带等材料( 分别代表环状质粒、含拟南芥ACC 合成酶 6 基因的 DNA片段、限制性内切核
7、酸酶、DNA 连接酶等 ) 模拟构建含 ACS6 基因的重组 DNA分子。设计意图: 学生通过回顾科学史和模型，温故知新，学习新概念的同时，感受科学研究锲而不舍的精神; 通过模拟实验，使抽象的概念具体化，直观认识限制性内切核酸酶、DNA 连接酶和质粒三种基因工程的工具，完成项目的分析。3. 2. 2 项目的设计与实施 设计方案环节包括 1 个活动【活动 1】流程设计: 以流程图的形式设计培育持续激活表达ACS6 蛋白的转基因拟南芥的操作实施方案。在此过程 中，通过思考“如何获得目的基因ACS6 基因，如何处理单独的ACS6 基因片段才能使其在受体细胞中稳定存在，携带目的基因的表达载体如何成功导
8、入细胞并稳定表达”等问题，得出基因工程的四步基本操作流程，设计出基本培育方案。剖析方案环节包括 2 个活动【活动 2】模拟实验:利用线上数据库( 如 Genbank、TAIR 等) 搜索ACS6 基因的序列信息，利用线上序列比对工具 BLAST 尝试进行序列比对，筛选出目的基因并获取基因信息; 通过观看PCR 过程的演示视频，小组合作，利用 DNA 双链模型、脱氧核苷酸组件、引物组件、耐高温的 DNA 聚合酶黏土模型、反应室等实物材料，模拟 PCR 反应过程( 图3) ，讨论说出 PCR 扩增具体程序以及 PCR 扩增过程中目的基因数量变化规律。【活动3】材料分析: 比较项目的分析中已构建的含
9、 ACS6 基因的重组 DNA 分子卡纸模型，探讨基因表达载体上有哪些必要的元件，根据表达载体的相关资料，说出启动子、终止子、目的基因、标记基因、限制酶切割位点、复制原点等元件的作用; 结合教材资料卡内容，观看教师演示实验视频“基因表达载体通过农杆菌转化法导入拟南芥细胞的操作过程”，归纳出花粉管通道法、农杆菌转化法、显微注射法、感受态转化法等目的基因导入不同受体细胞的方法; 分析文字材料，分别从个体和分子水平探讨目的基因的检测和鉴定方法，知道 PCR、电泳、抗原抗体杂交等检测手段。实施方案环节包括 1 个活动【活动 4】探究实验:根据已制订的操作流程，实践乙烯过表达的转基因拟南芥的培育过程，获
10、取转基因拟南芥幼苗，并通过电泳实验鉴定目的基因。设计意图: 学生合作执行任务，在问题驱动下，探讨基因工程的基本操作流程，完成方案设计; 通过模拟实验，实现微观分子实验的可视化，分析材料，搭建陈述性知识与程序性知识间的联系，在深度解剖项目方案的同时，落实操作流程的每一步骤，感受分子生物学的飞速发展; 通过探究实验，体验分子生物学实验的操作模式，掌握基因工程的具体技术，完成方案的实施。3. 2. 3 项目的评价 【活动 1】调查活动: 搜集来源教材、图书、文献、新闻、市场或其他合理途径的基因工程在生活生产中的具体应用实例，并对其进行分类。【活动 2】建模讨论: 根据调查结果，构建基于应用类型、实例
11、、技术、问题和价值的五维讨论模型，分析调查实例，探讨基因工程的应用价值( 图 4) 。【活动 3】工程设计: 根据文字材料，结合已学习的动物细胞培养、胚胎移植、克隆技术、微生物筛选和培养技术、发酵工程等知识，设计通过基因工程技术获得相关生物产品的流程图，如用乳腺生物反应器获取药用蛋白的流程图、未来可能实现的获得可移植猪器官的流程图、获得基因工程菌及其产品的流程图等。设计意图: 学生在亲身调查和建模讨论的过程中，运用基因工程原理分析科学事实，用“数据说话”，真切感受到基因工程在生产生活中的应用价值; 针对特定情境，设计工程学实践方案，将基因工程与多元化的生物学知识进行整合，在完成项目评价的同时，实现知识与技能的迁移。4.教学反思在真实的情境中，学生更易激发学习兴趣，进行主观学习。本单元将“转基因拟南芥的培育”这一真实科研情境贯穿在整个教学过程中，进而设计连贯的教学活动，学生沉浸在情境中，进行深度学习，将抽象的概念具体化，将抽象的思维可视化，将抽象的操作实体化。在进行项目式教学中，能够完成学生“跨学科知识整合”“真实问题解决”和“创新人才培养”三个方面的目标，实现 STEM 教育理念内容与高中生物学学科核心素养的内涵相互促进，有效助力学生提升核心素养。学科网（北京）股份有限公司