【教案】基因工程的基本操作程序-教學(xué)設(shè)計(jì)-2022-2023學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版（2019）選擇性必修3

課題:3.2基因工程的基本操作程序【課標(biāo)要求及解讀】課標(biāo)要求：本節(jié)內(nèi)容在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的“內(nèi)容要求”是：概述基因工程的理論及技術(shù)基礎(chǔ)，理解其產(chǎn)生和發(fā)展的學(xué)科基礎(chǔ)。通過實(shí)例（抗蟲棉的培育）介紹基因工程的基本過程，理解基因工程是一種重組DNA技術(shù)，闡明限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體三種基本工具的特點(diǎn)及在實(shí)現(xiàn)重組DNA中的作用。課標(biāo)解讀：學(xué)生能結(jié)合生活或生產(chǎn)實(shí)例，舉例說出基因工程的相關(guān)基本原理，能以結(jié)構(gòu)與功能適應(yīng)觀等生命觀念為指導(dǎo)，綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)等知識，嘗試解決相關(guān)基因工程的基本步驟原理。【教材分析】本節(jié)是本章的核心，具有承上啟下的作用。本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)了前一節(jié)介紹的“分子工具”的綜合運(yùn)用，涉及的技術(shù)和操作流程又是后一節(jié)介紹的基因工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。本節(jié)開篇“從社會中來”欄目中的內(nèi)容與章引言相呼應(yīng)，繼續(xù)使用我國科學(xué)家取得的重大科技成果--成功培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉作為情境素材。與章引言從轉(zhuǎn)基因抗蟲棉產(chǎn)生的背景引人不同，這里突出了種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提出指向本節(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生分析、討論。本節(jié)對基因工程基本操作程序的介紹同樣貫串在培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的情境中。有了情境的依托，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性被調(diào)動起來，相關(guān)的知識不再孤立，便于學(xué)生理解和掌握。由于限定在一個具體的情境中，因此知識內(nèi)容的范圍會發(fā)生一定的變化。教材在保證學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性和完整性的基礎(chǔ)上，對有的內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充，有的內(nèi)容進(jìn)行了簡化。例如，因?yàn)楹Y選合適的目的基因是基因工程操作的第一步，也是轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全性的重要保障，所以教材中增加了對相關(guān)內(nèi)容的闡述；因?yàn)樵谖覈着哂休^高抗蟲活性的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育過程中，科學(xué)家是人工合成了目的基因，而現(xiàn)在常用PCR特異性地快速擴(kuò)增目的基因，所以教材不再詳細(xì)闡述從基因文庫中獲取目的基因的方法，只是簡要提及還可以通過構(gòu)建基因文庫來獲取目的基因；因?yàn)榭茖W(xué)家是通過花粉管通道法將目的基因?qū)肓嗣藁?xì)胞，所以教材正文介紹了花粉管通道法，而將另一種導(dǎo)人目的基因的方法一農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的介紹放在了“資料卡”中，讓學(xué)生閱讀和了解等。上述內(nèi)容的變化并不會對學(xué)生掌握本節(jié)學(xué)習(xí)的要點(diǎn)產(chǎn)生影響。本節(jié)教學(xué)難點(diǎn)頗多，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的困難，削枝強(qiáng)干能降低他們學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，提高學(xué)習(xí)的效果。在闡明了培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的四個基本步驟后，教材再推而廣之，概括了基因工程的基本操作流程，并簡單補(bǔ)充介紹了基因工程涉及的其他技術(shù)和方法。最后，教材還升華了學(xué)生的情感，引導(dǎo)他們以科學(xué)、理性的態(tài)度對待基因工程取得的成果?！緦W(xué)情分析】從知識方面，學(xué)生在高一必修二《遺傳與進(jìn)化》中已經(jīng)學(xué)習(xí)了理論基礎(chǔ)，同時前一節(jié)介紹的“分子工具”也為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)本節(jié)課之后，能夠闡述基因工程的基本操作流程，并了解基因工程涉及的其他技術(shù)和方法。最后，通過“到社會中去”以及“練習(xí)與應(yīng)用”等資料升華了學(xué)生的情感，引導(dǎo)他們以科學(xué)、理性的態(tài)度對待基因工程取得的成果。【教學(xué)目標(biāo)】根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的相關(guān)要求，本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)制訂如下：闡明基因工程的原理和基本操作程序。（生命觀念）針對人類生產(chǎn)和生活中的某一需求，選取適當(dāng)?shù)幕蚬こ痰募夹g(shù)和方法，嘗試設(shè)計(jì)獲得某一轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的方案，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。（科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任）嘗試進(jìn)行PCR的基本操作并用電泳圖鑒定PCR的產(chǎn)物。（科學(xué)探究）【教學(xué)重難點(diǎn)】教學(xué)重點(diǎn)：1.基因工程基本操作程序的四個步驟。DNA片段的擴(kuò)增及電泳鑒定。教學(xué)難點(diǎn)：利用PCR獲取和擴(kuò)增目的基因。2.DNA片段的擴(kuò)增及電泳鑒定?！窘虒W(xué)方法】情境化教學(xué)、模型構(gòu)建法、討論法、合作探究法【課時安排】3課時【教學(xué)過程】【課堂導(dǎo)入】展示“從社會中來”中的資料，自上個世紀(jì)90年代以來，由于棉鈴蟲在我國大部分棉區(qū)持續(xù)性大發(fā)生或爆發(fā)，給棉花生產(chǎn)帶來了巨大的威脅，棉農(nóng)談“蟲”色變，僅1992年一年即造成直接經(jīng)濟(jì)損失60多億元，間接損失超過100億元，對整個國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了很大影響。同時由于棉鈴蟲的大爆發(fā)，防蟲治蟲使棉花的生產(chǎn)成本增加，植棉的比較效益降低。1997年，我國政府首次批準(zhǔn)商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。到2015年，我國已育成轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種100多個，減少農(nóng)藥用量40萬噸，增收節(jié)支社會經(jīng)濟(jì)效益450億元。【設(shè)計(jì)意圖】聯(lián)系生活實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，自然過渡到本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容?！窘虒W(xué)內(nèi)容】第一步：目的基因的篩選與獲取【合作探究自主閱讀完成下列問題】（1）轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機(jī)制是什么嗎？培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？（2）基因工程的基本操作程序主要包括哪幾個步驟？（3）基因工程操作的每一步涉及的技術(shù)和方法有哪些？1．目的基因（1）概念：用于改變受體細(xì)胞性狀或獲得預(yù)期表達(dá)產(chǎn)物等的基因。（2）實(shí)例：培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉用到的目的基因是Bt抗蟲蛋白基因。2．篩選合適的目的基因（1）較為有效的方法：從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中進(jìn)行篩選。（2）實(shí)例：在培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉之前，科學(xué)家不僅掌握了Bt基因的序列信息，也對Bt基因的表達(dá)產(chǎn)物——Bt抗蟲蛋白有了較為深入地了解。(3)認(rèn)識基因結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)方法：DNA測序技術(shù)、遺傳序列數(shù)據(jù)庫、序列比對工具。3．利用PCR獲取和擴(kuò)增目的基因(1)PCR的含義：PCR是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫，它是一項(xiàng)根據(jù)DNA半保留復(fù)制的原理，在體外提供參與DNA復(fù)制的各種組分與反應(yīng)條件，對目的基因的核苷酸序列進(jìn)行大量復(fù)制的技術(shù)。條件：DNA模板、分別與兩條模板鏈結(jié)合的2種引物、四種脫氧核苷酸、耐高溫的DNA聚合酶。（3）過程：①變性：溫度上升到90℃以上，目的基因DNA受熱變性后解為單鏈。②復(fù)性：溫度下降到50℃左右時，兩種引物通過堿基互補(bǔ)配對與兩條單鏈DNA結(jié)合。③延伸：溫度上升到72℃左右時，溶液中四種脫氧核苷酸在耐高溫的DNA聚合酶的作用下加到引物的3′端合成子鏈。④重復(fù)循環(huán)多次。結(jié)果：每次循環(huán)后目的基因的量增加一倍，即成指數(shù)形式擴(kuò)增（約為2n）。（5）PCR技術(shù)與生物體內(nèi)DNA復(fù)制的比較比較項(xiàng)目PCR技術(shù)DNA復(fù)制區(qū)別解旋方式DNA在高溫作用下變性解旋解旋酶催化場所細(xì)胞外（在PCR擴(kuò)增儀內(nèi)）細(xì)胞內(nèi)（主要在細(xì)胞核內(nèi)）酶耐高溫的DNA聚合酶（Taq聚合酶）DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等溫度條件需控制溫度，在較高溫度下進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)溫和條件合成的對象DNA片段或基因DNA分子聯(lián)系①模板：均需要脫氧核苷酸鏈作為模板進(jìn)行物質(zhì)合成②原料：均為四種脫氧核苷酸③酶：均需要DNA聚合酶進(jìn)行催化④引物：均需要引物，使DNA聚合酶從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸【設(shè)計(jì)意圖】通過自主閱讀，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，加深學(xué)生對概念的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣。另外通過完成表格，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力，提高學(xué)生分析問題，解決問題的能力。第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建自主閱讀課本，提煉關(guān)鍵詞句構(gòu)建基因表達(dá)載體構(gòu)建的過程過程：首先用一定的限制酶切割載體，使它出現(xiàn)一個切口，然后用同種限制酶或能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割目的基因的DNA片段，再利用DNA連接酶將目的基因片段拼接到載體的切口處。設(shè)疑：將生物的所有DNA直接導(dǎo)入受體細(xì)胞不是更簡便嗎？如果這么做，效果會怎樣？提示：有人采用總DNA注射法進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，即將一個生物的總DNA提取出來，通進(jìn)注射或花粉管通道法導(dǎo)人受體植物，沒有進(jìn)行基因表達(dá)載體的構(gòu)建。這種方法針對性差，完全靠運(yùn)氣，也無法確定哪些基因?qū)肆耸荏w植物?！驹O(shè)計(jì)意圖】通過閱讀，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，理解并闡述基因表達(dá)載體的構(gòu)建。提出問題引發(fā)學(xué)生思考，使得學(xué)生更多參與到課堂中。第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞1．轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程。2．目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法受體細(xì)胞方法說明特點(diǎn)植物細(xì)胞農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將目的基因插入農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒的T-DNA上→轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌→用農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)胞→將目的基因整合到植物細(xì)胞染色體的DNA上→目的基因表達(dá)經(jīng)濟(jì)、有效，適用于雙子葉植物和裸子植物，尤其適用于雙子葉植物花粉管通道法在植物受粉后，花粉形成的花粉管還未愈合前，剪去柱頭→滴加DNA（含目的基因），使目的基因借助花粉管通道進(jìn)入受體細(xì)胞→目的基因表達(dá)簡便、經(jīng)濟(jì)，我國科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的一種方法動物細(xì)胞顯微注射技術(shù)將含有目的基因的表達(dá)載體提純→取卵（受精卵）→顯微注射→注射了目的基因的受精卵，經(jīng)胚胎早期培養(yǎng)后，移植到雌性動物的輸卵管或子宮內(nèi)→獲得具有新性狀的動物將目的基因?qū)雱游锛?xì)胞最為有效的方法微生物細(xì)胞Ca2＋處理法（感受態(tài)細(xì)胞法）用Ca2＋處理微生物細(xì)胞→感受態(tài)細(xì)胞→將基因表達(dá)載體與感受態(tài)細(xì)胞混合→在一定溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子簡便、經(jīng)濟(jì)、有效【設(shè)計(jì)意圖】分析對比表格中相關(guān)信息，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力，提高學(xué)生分析問題，解決問題的能力。第四步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞后，是否穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性，只有通過檢測和鑒定才能知道，這也是檢查轉(zhuǎn)基因抗蟲棉是否培育成功的一步。分子水平的檢測；個體生物學(xué)水平的檢測。到社會中去轉(zhuǎn)基因抗蟲棉在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，有效控制了棉鈴蟲的種群數(shù)量，顯著減少了農(nóng)藥的用量。面對棉鈴蟲的危害，有了抗蟲棉是否就可以一勞永逸、高枕無憂呢？根據(jù)棉鈴蟲對傳統(tǒng)農(nóng)藥產(chǎn)生抗性的發(fā)展歷史，科研人員推測棉鈴蟲存在對Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的可能。請你查閱資料，了解以下問題。在實(shí)際種植過程中,棉鈴蟲是否對轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉產(chǎn)生了嚴(yán)重的抗性？證據(jù)是什么？提示：這是一個開放性的問題，需要學(xué)生在找資料來回答。隨著田向監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新及新的科研論文發(fā)表，每年學(xué)生獲得的證據(jù)是不樣的。例如，科研人員對長江流城種植的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉進(jìn)行了監(jiān)測2011年的數(shù)據(jù)顯示，大部分轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種的抗蟲性屬于中抗及高抗水平;2013年的數(shù)據(jù)表明，如果棉田周圍存在大量天然庇護(hù)所，靶標(biāo)害蟲格鈴蟲、紅鈴蟲等井未對轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉產(chǎn)生明顯抗性。在我國、澳大利亞、印度連國的多個實(shí)驗(yàn)室中，通過毒素的連續(xù)抗性篩選，已經(jīng)培育出多個高抗水平的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生搜集科學(xué)、可靠的證據(jù)，如科研論文、權(quán)威的官方報(bào)道等。2.科研工作者在沒有發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲出現(xiàn)抗性之前，就應(yīng)該想辦法應(yīng)對。他們想出的延竣棉鈴蟲對Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的措施有哪些？這些措施的原理是什么？有效嗎？提示：科研人員想出的延緩棉鈴蟲對Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的措施有很多，主要可以分為以下幾個方面。（1）基因策略；（2）田間策略；（3）國家宏觀調(diào)控策略?！驹O(shè)計(jì)意圖】通過社會熱點(diǎn)問題探究，培養(yǎng)學(xué)生溝通、交流能力，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識，同時聯(lián)系實(shí)際，解決實(shí)際問題，發(fā)展學(xué)生分析、推理思維能力?！菊n堂小結(jié)】基因工程的基本操作程序有：（1）目的基因的篩選與獲??；（2）基因表達(dá)載體的構(gòu)建；（3）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；（4）目的基因的檢測與鑒定。2．PCR反應(yīng)液中需要提供DNA模板、分別與兩條模板鏈結(jié)合的2種引物、4種脫氧核苷酸和耐高溫的DNA聚合酶。3．PCR反應(yīng)中每次循環(huán)一般可分為變性、復(fù)性、延伸三步。4．基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心，基因表達(dá)載體是載體的一種，除了目的基因外，它還必須有啟動子、終止子以及標(biāo)記基因等。5．將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法有農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法和花粉