基于模型建构的“基因工程的应用”教学设计
谢茜 杨梅
1 教材及学情分析
“基因工程的应用”一节是人教版高中生物《选择性必修3·生物技术与工程》第三章第三节的内容。学生在此之前学习了基因工程的基本工具和基本操作程序，已经有了足够的理论基础。“基因工程的应用”一节中列举了基因工程在植物、动物、医药、医疗诊断等多方面的應用，教师在教学时若泛泛而谈或者面面俱到，均不能让学生深入理解基因工程的基本操作程序，突破操作程序中的难点。因此，下面以新冠病毒的重组蛋白疫苗为例，引导学生针对新冠病毒重组蛋白的研制，先讨论出基本概念模型，然后逐步完善，并利用交互式动画，构建基因表达载体的物理模型，使学生在构建物理模型的过程中了解在基因工程基础上发展起来的蛋白质工程技术，为学习下一节打好基础。
2 教学目标
（1）阐明基因工程的基本操作程序，构建基本的概念模型。
（2）能结合情境，构建新冠病毒重组蛋白疫苗的制作流程，完善概念模型;利用交互式动画构建基因表达载体的物理模型;提高科学思维，获得解决实际问题的探究能力。
（3）通过构建物理模型，理解蛋白质工程的原理。
（4）认同我国在疫苗研发上的飞速发展及在全球抗疫中的卓越成就，增强社会责任素养和民族自豪感。
3 教学过程
3.1创设情景，导入新课
教师简单介绍武汉抗击新冠肺炎疫情的过程、全球新冠疫情防控情况，引出我国接种的新冠疫苗，提示学生关注新冠疫苗的研发。教师利用新冠肺炎在全球的蔓延及其对人类的健康、生产、生活带来的巨大影响，让学生认识到疫苗接种与疫苗研发的重要性，引起共情，激发学生学习热情。
3.2教师以 S 蛋白生产为例，引导学生回顾基因工程的基本流程
教师展示新冠病毒的图片并介绍它的基本结构、组成成分及新冠病毒侵染人体大致过程，让学生知道感染的关键是新冠病毒的刺突蛋白（S 蛋白）。
S 蛋白是一种糖基化修饰的蛋白质，能与人体的血管紧张素转化酶2（ACE2受体）识别和结合，引导学生联想到疫苗研发的关键可以利用S 蛋白。
教师播放新冠病毒灭活疫苗与蛋白疫苗的作用原理视频，提问：重组蛋白疫苗的优点是什么？学生在已有的免疫调节知识背景下，能很快理解灭活疫苗的作用原理，明确“蛋白疫苗的优点是生产成本低，对人体更安全”，认识到生产蛋白疫苗的必要性。
教师展示资料：①中国科学院等利用基因工程的方法在工程细胞中获取抗原蛋白，制作重组蛋白疫苗。②中国科学家率先获得新冠病毒全基因组序列，并向全世界无私的分享了这一成果，后又测出 S 蛋白的基因序列。教师要求学生以 S 蛋白的生产为例，回顾基因工程的基本操作程序，并提问：基因工程的基本操作程序是什么？为了获得 S 蛋白，该目的基因可以导入的受体细胞是哪种细胞？为什么？
学生回顾基因工程的基本操作程序，构建基本概念模型（图1），得出：应该将S 蛋白的基因导入真核细胞，因为真核细胞具有内质网和高尔基体，可以对蛋白质进行修饰。
设计意图：教师引导学生分析资料，让学生了解S蛋白的基因和S 蛋白，促进学生利用所学知识初步推断重组蛋白疫苗的制作流程，构建基本的概念模型，训练学生的科学思维和逻辑推理能力。
3.3学生画出利用转基因植物获得 S 蛋白的流程图
教师提问：我国的新冠病毒重组蛋白疫苗的蛋白质是导入CHO（仓鼠卵巢细胞）细胞中获得的，但动物细胞培养的成本会较高，为什么？学生思考后，回答：动物细胞培养需要无菌且无毒的环境、适宜的温度、 pH、气体环境，还要提供各种营养物质，如糖类、氨基酸。
教师展示资料，引导学生思考：我国科研人员最新的一项研究成果，科研人员发现可以用植物来表达 S 蛋白，大大降低了生产成本。参照动物细胞培养的条件，为什么利用植物生产S 蛋白成本会下降？教师提示学生对比动物细胞培养的条件作出回答。学生对比动物细胞培养之后，知道：植物可以在室外培养，不需要全程保证无菌无毒的环境，并且绿色植物是自养生物，不需要提供大量营养物质。
构建基因表达载体是基因工程的核心，教师在白板上展示基因表达载体的基本结构，请小组派代表利用交互式动画，构建该基因表达载体的物理模型（图2）。
教师在白板上展示利用植物生产S 蛋白论文的关键词“植物生产疫苗（蛋白）”“本氏烟草”“农杆菌转化法”，并提供材料（图3）。学生以小组为单位，根据教师提供的材料，利用农杆菌转化法，构建在本氏烟草中获取S 蛋白的概念模型。小组合作完成模型构建，用白板展示成果，并介绍设计思路。教师引导学生在相互评价过程中突破基因工程的难点，并对自己的模型进行修改和完善。
3.3.1目的基因的筛选与获取
在学生阐述各种可以获得目的基因的方法后，教师展示资料，让学生知道实际生产时采用的是RT-PCR 技术，即先逆转录获得DNA，然后PCR扩增目的基因。
3.3.2基因表达载体的构建
学生根据RNA 的部分序列，推导出它对应的部分 DNA序列、限制酶的识别序列，以及Ti质粒上限制酶的切割位点，选取限制酶切割目的基因和Ti质粒;然后用DNA连接酶进行连接，构建重组质粒。
学生提出了三种操作方式：①选择单酶切，即只选择ECoRⅠ对目的基因和Ti质粒进行切割。②双酶切时选择了ECoRⅠ和Sau3A Ⅰ。③选择了ECoRⅠ和BamHⅠ对目的基因和质粒进行双酶切，然后用 DNA 连接酶连接构建重组质粒。小组互评后，学生可以发现：若只使用ECoRⅠ进行酶切，虽然可以构建重组质粒，但是容易出现质粒和目的基因自身环化，及目的基因反向插入Ti质粒的问题;若使用Sau3A Ⅰ酶切，该酶的识别序列在 T-DNA 内外均有，若切割了 T- DNA外的点，则导致目的基因不能插入T-DNA 内部。
针对上述三种方式，教师引导学生观看白板上的交互动画，加深学生对限制酶选择方法的理解。
学生观看演示动画，发现：经ECoRⅠ单酶切后目的基因和质粒的两端产生的黏性末端相同，容易出现自身环化的问题;目的基因旋转180°之后，黏性末端方位没有发生改变，也可以反向连接到载体上，即单酶切会出现任意连接的问题。若用ECoRⅠ和Sau3A Ⅰ进行酶切，Sau3A Ⅰ会切割T-DNA 外的序列，导致目的基因不能插入T-DNA 内部。此时，教师引导学生回顾农杆菌转化法，使学生明确：在进行转化时，目
的基因需要插入到T-DNA 内部，因为T-DNA 才能整合到植物细胞染色体上，实现稳定遗传。
学生继续观看演示动画，发现，双酶切之后两端产生的黏性末端各不相同，不会出现自身环化的问题。这是因为目的基因只能单向插入质粒的缺口，不会出现反向连接的问题。
3.3.3将目的基因导入受体细胞
学生设计的流程包含了目的基因导入农杆菌，用农杆菌侵染本氏烟草，T-DNA可以携带目的基因整合到本氏烟草细胞染色体上，实现转化过程。教师提出问题：（1）怎样把基因表达载体导入农杆菌？（2）怎样利用标记基因对农杆菌进行筛选？学生在问题的引导下回顾所学知识，小组讨论分析，得出结论：目的基因导入微生物细胞需要用感受态细胞法，所以应该对农杆菌进行钙离子处理，使其处于感受态，吸收周围环境中的DNA，实现转化;在转化完成之后，可以利用含氨苄青霉素的培养基对农杆菌进行筛选，筛选出的是含质粒和重组质粒的农杆菌，后续仍要进一步检测与鉴定。3.3.4目的基因的检测与鉴定
本实验是为了获得S 蛋白，所以学生倾向选用更直接的手段——抗原抗体杂交，即直接检测S 蛋白是否表达。
3.3.5提取S 蛋白
应用最终的目的是为了获得大量的 S 蛋白。此时，教师介绍：可以破碎细胞，采取层析的方法提取 S 蛋白。在讨论的过程中，各小组不断修改自己的概念模型，最终教师在白板上展示学生设计的更为的完善的模型（图4）。
设计意图：学生能根据基因工程的基本操作程序，设计出较完整的获得目标蛋白的制作流程，构建概念模型，培养了科学思维，获得了解决实际问题的探究能力。教师引导学生对自己和其他同学设计的基因表达载体的结构进行客观全面的评价，培养学生的批判性思维。教师引入实际情景，引导学生设计完整的农杆菌转化流程，培养学生逻辑推理的能力。
4 拓展延伸
教师展示图片并提问：全球有很多蛋白疫苗的主要成分是S 蛋白，但有的蛋白疫苗的主要成分是RBD （受体结合区）蛋白，我国生产的重组蛋白疫苗的主要成分也是 RBD 蛋白。为什么会出现这种情况呢？教师引导学生观看白板上的图片，发现S 蛋白有很多区域，但与受体识别和结合的是 RBD 区，所以我国的重组蛋白疫苗的主要成分也是RBD 蛋白。
教师继续给出材料，并提出问题：科研人员在 RBD 的末端加入了一个名为his-tag 的肽段，his-tag可以便于科研人员对RBD 蛋白进行纯化，且不影响RBD 蛋白的功能。现提供RBD 蛋白与his-tag 片段的RNA 序列，为了获得这种新的蛋白质，应该对设计流程中哪些环节进行调整？学生思考后回答：应该对目的基因的获取和基因表达载体构建这两个环节进行调整。学生在白板上进行动画演示，构建基因表达载体的物理模型（图5）。
教师引导学生对该过程进行分析，明确该过程对 RBD 基因进行了改造，进而改造了 RBD 蛋白，并介绍在基因工程基础上发展起来的第二代基因工程——蛋白质工程。
设计意图：教师锻炼学生知识迁移的能力，引出下一节的知识——蛋白质工程，并且让学生再次体验到基因表达载体的构建是基因工程的核心。
5 总结升华
教师展示腺病毒载体疫苗图片，说明除了新冠病毒灭活疫苗、重组蛋白疫苗以外，我国还有由陈薇院士团队等研发的腺病毒载体疫苗。教师介绍腺病毒载体疫苗制作的过程，使学生明确该疫苗也是利用基因工程的方法进行生产。教师介绍关于 DNA 疫苗、RNA 疫苗的研发进展，促进学生树立远大理想，在未来积极投身到生物医药领域
设计意图：学生对基因工程的应用有进一步的认识，感受到“我国疫苗的研发走在世界前列，我国疫情的防控为世界人民作出了表率，彰显了大国风范”;也能认识到“我国在生物医药方面仍存在巨大挑战”，并以此受到鼓舞，从而培养爱国情怀和社会责任素养。6 教学反思
本节课在把握教材中基因工程基本操作程序的基础上，探究新冠病毒重组蛋白疫苗的研发细节。针对基因工程较复杂的制作流程及基因表达载体的构建这一难点，教师引导学生构建相关的概念模型和物理模型，促进学生获得清晰严谨的科研思路，让知识从抽象到具体，使学生深刻理解基因工程的基本操作流程，并突破操作过程中的难点，培养了学生的科学思维。新冠病毒给全人类带来巨大的影响，改变了全球的经济、政治、医疗等方面的格局。本节内容结合社会热点，通过探究新冠疫苗的研发流程，培养学生的社会责任素养。但是，本节课也有不足之处，构建基因表达载体时，所提供的材料都是教师预设的，虽然能幫助学生掌握基因表达载体构建这一核心知识点，但与实际的操作有所差别。
参考文献：
[1]李文浩，李艳梅.新型冠状病毒疫苗设计原理与研究进展[J].大学化学，2020，35（12）：29-34.
[2]王弘瑞，赵丽娟，房明丽，杨明.一种基于植物瞬时表达来研制新冠病毒重组蛋白疫苗的方法[J/OL].中国免疫学杂志：1-12[2022-03-25]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/22.1126.R.20210728.1329.004.html
猜你喜欢 质粒概念模型基因工程 基因工程菌有什么本领?军事文摘·科学少年(2020年7期)2020-08-09开发新方法追踪植物病害的全球传播（2020.6.7 iPlants）三农资讯半月报(2020年11期)2020-06-21高职旅游专业学生学习力评价体系概念模型研究江苏理工学院学报(2019年2期)2019-09-25旅游市场秩序概念模型与运行机理：基于扎根理论的探索性研究旅游学刊(2019年5期)2019-07-27微生物在基因工程中的应用知识文库(2018年16期)2018-05-14改进模型构建 实现教材二次开发中学生物学(2017年11期)2018-01-16翻转课堂教学模式在基因工程教学中的应用研究科技资讯(2017年3期)2017-03-25改进高校基因工程课堂教学设计的初步探讨教育教学论坛(2017年3期)2017-02-10图顶点着色问题的质粒DNA计算安徽理工大学学报·自然科学版(2015年2期)2015-08-19基于DNA计算的最大权团问题设计安徽理工大学学报·自然科学版(2015年1期)2015-07-21