高中生物学人教版(2019)教学设计：基因工程的基本操作步骤(第1课时).docx

“基因工程的基本操作程序” 教学设计
【课标分析】
与本节内容对应的课程标准的“内容要求”是：阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤。
【教材分析】
本节课属于人教版教材选择性必修3《生物技术与工程》中的第3章“基因工程”，是本章的核心，具有承上启下的作用。教材使用我国科学家成功培育转基因抗虫棉作为情境素材，将基因工程的基本操作程序贯穿于该情境中依次介绍。利用情境串联知识，更易于学生理解和掌握知识，也能有效调动学生的学习积极性，但是使用单一情境，并不能系统而完整地呈现相关的技术和方法。因此，本节课分为2个课时：第1课时以培育转基因抗虫棉为例，概括基因工程的基本操作流程，并学习相关的PCR、花粉管通道法等技术和方法；第2课时从第3节“基因工程的应用”选取合适的实例作为补充情境，介绍“基因表达载体的构建”、“将目的基因导入受体细胞”环节中涉及的其他技术和方法。最后形成完整的基因工程操作程序流程图，并引导学生设计转基因产品方案，学以致用。
【学情分析】
学生对“转基因”并不陌生，在必修二的学习中也对转基因产品如抗虫棉也有所耳闻。以培育转基因抗虫棉为情境引入本节课的学习，是借助熟悉的事物来揭示背后的神秘机制，能够消减学生的陌生感，引起学生的好奇心。学生具有一定的逻辑推理能力，能够利用必修二学习的知识来推理获得新知识。基因工程中的PCR、基因表达载体的构建等知识过于抽象，需要利用图片、动画视频来提供直观感受，辅助理解。
【教学目标】
1． 生命观念：
通过学习基因工程的基本原理和操作程序，发展结构与功能相适应的生命观念，更深入地理解生命的信息观。
2． 科学思维：
通过类比DNA复制过程，推出PCR反应所需的条件；根据基因表达的过程，推测基因表达载体的组成部分，推出目的基因检测与鉴定的几个水平；以流程图的形式，概括基因工程的基本操作程序。
通过相关实例的对比分析，理解社会需求对技术创新的推动作用，从技术的更新迭代中体会工程思维的创造性和优化意识。
3． 科学探究：
针对人类生产或生活中的某一需求，能选取适当的基因工程技术和方法，设计获得某一转基因产品的方案并就其中的某些问题展开探究。
4． 社会责任：
通过了解转基因技术的实质及基因工程应用实例，认同基因工程给我们的生产、生活带来的正面影响；基于证据，运用生物学基本概念和原理，就“是否要推广‘黄金大米’” 这一话题表明自己的观点并展开讨论。
【教学重难点】
1． 教学重点：基因工程基本操作程序的四个步骤；
2． 教学难点：利用PCR获取和扩增目的基因，农杆菌转化法。
【教学准备】
1． 文本资料搜集：与培育转基因抗虫棉、“黄金大米”、乳腺生物反应器、基因工程药物相关的文献资料等。
2． 图片、动画资源搜集：PCR反应过程（动画）、基因表达载体的构建（图片）等。
3． 编制课前、课中、课后作业，制作多媒体课件。
【教学过程】
第一课时
一、引入新课
教师活动：结合教材“从社会中来”栏目中的内容，介绍我国科学家成功培育具有自主知识产权的转基因抗虫棉的先进事迹，以及转基因抗虫棉所产生的社会效益和经济效益。提出问题：为什么基因工程能够培育出传统杂交育种方法无法实现的抗虫棉？其内部机制是什么？
学生活动：感受我国科学家创新进取、不懈努力的科学精神和为国分忧、为民解难的社会责任感。认同基因工程促进了社会生产力的提高，与传统杂交育种方法相比，具有一定的先进性。
设计意图：以我国自主研发培育的转基因抗虫棉为情境引入新课，突显基因工程带来的社会效益和经济效益，增强学生的民族自信心和自豪感，激发学生的学习兴趣和学习动力。
二、学习基因工程的基本操作程序
1．任务一：了解培育转基因抗虫棉的基本步骤
教师活动：引导学生阅读教材，了解基因工程的四个基本步骤。提出问题：为什么基因工程的操作流程要包括这四步？引导学生分析每一步操作的必要性。
学生活动：阅读教材，完成课中作业“任务一”相应内容，回答问题。
设计意图：对基因工程的操作流程形成总括性的了解，通过分析每一步操作的必要性，理解整个流程的逻辑性。
2．任务二：了解转基因抗虫棉目的基因（Bt基因）的筛选与获取方法
教师活动：引导学生通过阅读教材，完成课中作业“任务二”，了解科学家选取Bt基因作为培育转基因抗虫棉的目的基因的原因。教师提供文献资料《Cry1A杀虫基因的人工合成》，介绍在我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉培育过程，科学家所使用的是人工合成的方法。随着技术的进步，现在利用PCR很快就能特异性地获得大量目的基因的大量拷贝。教师阐明PCR的原理，引导学生通过回顾DNA复制相关知识，类比推理出PCR反应所需要的条件。播放PCR反应过程动画，带领学生逐步分析。
学生活动：阅读教材，完成课中作业“任务二”相应内容。阅读文献，了解获取目的基因的方法之一——人工合成。回顾DNA复制的过程和所需的基本条件，推出PCR反应需要的条件。观看视频，学习PCR反应每个步骤所发生的变化以及多次循环后的目的基因拷贝数量的指数增长。
设计意图：通过教材和文献资料的阅读，训练学生提取信息的能力，使学生体会科学家研究的严谨思路和科学方法。通过利用已有知识类比推理出新学知识，训练学生的科学思维能力。借助动画降低PCR反应过程的学习难度，帮助学生更好地理解和掌握。通过对比人工合成和PCR这两种获取目的基因的方法，突出工程思维的创造性，强化工程实践过程中的优化意识，发展学生的工程思维。
3．任务三：尝试构建基因表达载体
教师活动：提出问题：（1）将Bt基因送入受体细胞的载体需要具备什么条件？（2）要使Bt基因在受体细胞中稳定存在，并能够表达和发挥作用，载体还需要具有哪些结构？引导学生尝试画出基因表达载体的结构模式图，并讨论各组成部分的功能以及如何将Bt基因与载体连接构建基因表达载体。
学生活动：完成课中作业“任务三”相应内容，画出基因表达载体的结构模式图，标注各组成部分的名称和功能；运用“分子工具”,设计构建培育转基因抗虫棉所需的基因表达载体的流程。
设计意图：让学生联系前一节的知识内容以及必修二的相关知识，合理推测基因表达载体的组成，自主设计构建基因表达载体的流程，训练学生科学思维，使知识融会贯通，学以致用。
4．任务四：了解将Bt基因导入棉花细胞的方法——花粉管通道法
教师活动：结合图片资料，介绍我国科学家独创的将Bt基因导入棉花细胞的方法——花粉管通道法。提问：应在植物发育的什么时期使用花粉管通道法？如何获得含有目的基因的植物后代？
学生活动：了解花粉管通道法的操作过程，讨论该方法所要实现的目的，完成课中作业“任务四”相应内容。
设计意图：通过了解我国科学家独创的方法，学习科学家开拓创新的精神。
5．任务五：推测目的基因的检测与鉴定方法
教师活动：引导学生回顾基因表达的过程，推测可以从哪些方面对Bt基因进入受体细胞后，是否稳定维持和表达其遗传性状进行检测与鉴定。介绍在不同水平进行检测与鉴定的方法。
学生活动：通过回顾知识，推测目的基因检测和鉴定的几个水平，完成课中作业“任务五”相应内容。
设计意图：引导学生结合基因表达相关知识推测检测与鉴定目的基因的几个水平，发展学生的科学思维能力。
三、总结与拓展
教师活动：总结培育转基因抗虫棉的基本步骤和使用的具体方法。让学生围绕教材P83“到社会中去”栏目中提出的问题，课后查阅相关资料进行了解。
学生活动：总结梳理培育转基因抗虫棉的流程图。课后查阅资料，了解科学家采取的应对措施。
设计意图：以流程图的形式，概括基因工程的基本操作程序，为后续学生自主设计获得转基因产品的方案提供参考范例。将“到社会中去”栏目中的问题作为课后作业，使学生感受到科研工作者在实际研究过程中所承担的社会责任，发展学生的社会责任素养。
【板书设计】
培育转基因抗虫棉的四个步骤

【作业设计】（包括课前、课中、课后的作业设计，贯彻“双减”政策要求，作业设计科学合理，作业形式丰富多样）
1． 课前作业：预习教材本节相应内容。
2． 课中作业
任务一：基因工程基本操作步骤的必要性
思考1-1：阅读教材，将基因工程操作流程的四个步骤及目的填写在表格中。
步骤
目的

任务二：目的基因的筛选与获取
思考2-1：阅读教材P76-77，回答以下问题：
（1） 什么是目的基因？为什么培育转基因抗虫棉用到的目的基因是Bt基因？
（2） Bt基因的杀虫机理是怎样的？对人畜有害吗？
（3） 科学家是如何筛选得到合适的目的基因的？
思考2-2：阅读教材P77-79，回答以下问题：
1． 什么是PCR？PCR的原理是什么？
2． 回顾DNA复制相关知识，将PCR与细胞内的DNA复制进行对比，完成下表：
细胞内的DNA复制
在DNA复制中的作用
PCR（体外DNA复制）

打开DNA双链

提供DNA复制的模板

合成DNA子链的原料

催化合成DNA子链

使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸

3． PCR的每个循环可以分为三个步骤：
（1） 变性（温度超过____）：双链DNA受热变性，氢键断开，形成________；
（2） 复性（温度下降到____左右）：___种引物通过_____________与两条单链DNA结合，形成局部_______；
（3） 延伸（温度上升到____左右）：以___________为模板，4种脱氧核苷酸在_________________酶的作用下，根据______________原则合成新的DNA链，该DNA链的延伸方向是____________。
4．PCR过程中，每个循环得到的产物都将作为下一个循环的模板，因此经过n次循环，1个DNA分子将被扩增为＿＿个，成_______形式扩增。
任务三：基因表达载体的构建
思考3-1：画出基因表达载体的结构模式图，标注各组成部分的名称和功能。

思考3-2：运用“分子工具”,设计构建培育转基因抗虫棉所需的基因表达载体的流程。

任务四：将目的基因导入受体细胞
思考4-1：应在植物发育的什么时期使用花粉管通道法？
思考4-2：如何获得含有目的基因的植物后代？
任务五：目的基因的检测与鉴定
思考5-1：列表归纳目的基因的检测与鉴定方法
检测水平
操作对象
检测方法
检测目的
分子水平

检测目的基因是否稳定维持

检测目的基因是否成功转录

检测目的基因是否成功表达
个体水平

检测个体是否获得相应性状
3． 课后作业：完成教材P83“到社会中去”栏目相关问题。

【 参考文献】
[1]郭三堆.CrylA杀虫基因的人工合成[J].中国农业科学,1993(02):85-86.