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2019-2020年高中生物 基因工程及其應(yīng)用 第1課時(shí)示范教案 新人教版 ●從容說課 本節(jié)內(nèi)容包括兩個(gè)主要方面：一是基因工程的基本原理，二是基因工程的應(yīng)用。分別用一個(gè)課時(shí)完成。對(duì)于基因工程的基本原理而言，既是學(xué)生進(jìn)入高中以來第一次接觸到的生物工程方面的有關(guān)內(nèi)容，又是生物工程中四大主要工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其知識(shí)內(nèi)容比較抽象和復(fù)雜，屬于生物科學(xué)中的前沿科學(xué)。學(xué)生理解和接受起來都十分困難。因此本節(jié)的側(cè)重點(diǎn)是基因工程的原理和大致過程，在教學(xué)深度的把握上應(yīng)定位在學(xué)生了解基因工程的過程和方法，而不必引入過多的專業(yè)術(shù)語和詳細(xì)的操作技術(shù)，語言力求形象生動(dòng)，避免不適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)展，增加深度和難度。有興趣的學(xué)生可以在生物選修3《現(xiàn)代生物科技專題》中進(jìn)一步學(xué)習(xí)。教學(xué)時(shí)從雜交育種及誘變育種的特點(diǎn)總結(jié)入手，結(jié)合“問題探討”，引入基因工程的概念。教學(xué)中，教師先結(jié)合學(xué)生熟悉的具體事例通過類比的方法來講述基因工程的基本工具，然后安排學(xué)生制作模型的活動(dòng)來模擬基因工程的操作過程，使學(xué)生切身體會(huì)基因工程“剪、拼、接、轉(zhuǎn)”的主要過程。最后教師用制作的電腦動(dòng)畫來表現(xiàn)這一動(dòng)態(tài)過程。通過第1課時(shí)的學(xué)習(xí)使學(xué)生達(dá)到能簡(jiǎn)述基因工程所用到的“工具”和了解基因工程的大致過程的目的。 對(duì)于第2課時(shí)基因工程的應(yīng)用的教學(xué)，重在在列舉基因工程各種應(yīng)用的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生討論基因工程應(yīng)用的利與弊。在進(jìn)行教學(xué)的過程中，布置學(xué)生在課前瀏覽相應(yīng)的信息資料，搜集有關(guān)資料并分析、歸納、整理，提出相應(yīng)的問題或自主探究的課題，提交組內(nèi)討論；各小組討論歸納，在課堂上進(jìn)行全體同學(xué)的交流和討論。在課堂上通過模擬一次聽證會(huì)，讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演，要求學(xué)生采用思考、分析、想象、推斷和辯論相結(jié)合的方法，圍繞基因工程的利與弊，分析討論是否需要關(guān)注轉(zhuǎn)基因食品和轉(zhuǎn)基因生物。對(duì)于這個(gè)問題，教師不必刻意將學(xué)生的爭(zhēng)論引向一致的結(jié)論，爭(zhēng)辯的過程本身就是對(duì)學(xué)生思維的訓(xùn)練，能夠給予學(xué)生不少啟發(fā)。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生擺事實(shí)、講道理，作出合乎邏輯的推斷，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與。還可設(shè)計(jì)合適的情境，組織學(xué)生制作公益廣告、撰寫咨詢報(bào)告等多種活動(dòng)，讓學(xué)生站在不同角度思考問題并作出判斷，使學(xué)生體會(huì)到參與社會(huì)問題的討論和決策的方法。 最后，教師可以組織學(xué)生對(duì)本章進(jìn)行小結(jié)，進(jìn)一步突出從雜交育種到基因工程這條技術(shù)發(fā)展的主線。同時(shí)，教師也應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，既可以為人類造福，又可能造成一些負(fù)面影響。身為現(xiàn)代公民，應(yīng)該關(guān)注科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和影響。 ●三維目標(biāo) 1.知識(shí)與技能 （1）簡(jiǎn)述基因工程的基本原理。 （2）舉例說出基因工程在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。 （3）收集基因工程所取得的成果以及發(fā)展前景。 （4）通過對(duì)書中插圖、照片等的觀察，學(xué)會(huì)科學(xué)的觀察方法，培養(yǎng)學(xué)生收集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問題的能力。 2.過程與方法 （1）利用課本以外的資料和信息解決課內(nèi)學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。 （2）通過制作模型的活動(dòng)來模擬基因工程的操作過程，使學(xué)生在理解步驟的同時(shí)，切身體會(huì)基因工程的主要過程。 （3）通過模擬聽證會(huì)的活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂于辯論，積極進(jìn)行交流與合作，從而培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)、互助和協(xié)調(diào)的合作精神，訓(xùn)練學(xué)生思維的敏捷性、邏輯性、廣闊性及創(chuàng)造性，開闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生的自學(xué)能力和良好的語言表達(dá)能力。 3.情感態(tài)度與價(jià)值觀 （1）關(guān)注轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因食品的安全性。 （2）進(jìn)行角色扮演，使學(xué)生體驗(yàn)參與社會(huì)問題的討論和決策的方法。 （3）通過學(xué)習(xí)了解我國(guó)基因工程的發(fā)展前景及成果，激發(fā)學(xué)生對(duì)生物知識(shí)的興趣，開闊學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)主義熱情，樹立在學(xué)習(xí)上努力刻苦的決心。 ●教學(xué)重點(diǎn) （1）基因工程的基本原理。 （2）基因工程的安全性問題。 ●教學(xué)難點(diǎn) （1）基因工程的基本原理。 （2）轉(zhuǎn)基因生物與轉(zhuǎn)基因食品的安全性。 ●教具準(zhǔn)備 教師課件。 ●課時(shí)安排 2課時(shí)。第1課時(shí)：基因工程的原理，第2課時(shí)：基因工程的應(yīng)用。 第1課時(shí) ●教學(xué)過程 ［課前準(zhǔn)備］ 1.教師收集有關(guān)基因工程的音像圖片資料和實(shí)物，并制作成課件。 2.教師參考選修3《現(xiàn)代生物科技專題》P6“重組DNA分子的模擬操作”編輯成構(gòu)建重組DNA模型的文字指導(dǎo)，復(fù)印后發(fā)給各組。 3.學(xué)生以EcoRI為例，根據(jù)教師下發(fā)的指導(dǎo)構(gòu)建重組DNA分子模型，體會(huì)基因的剪切、拼接、縫合的道理。 ［情境創(chuàng)設(shè)］ 演示多媒體課件列舉幾種生物的不同性狀，如下： （1）青霉菌能產(chǎn)生對(duì)人類有用的抗生素——青霉素。 （2）豆科植物的根瘤菌能夠固定空氣中的氮?dú)狻? （3）人的胰島素細(xì)胞能分泌胰島素調(diào)節(jié)血糖的濃度。 教師：以上幾種生物各自有其特定的性狀，這些性狀都是基因特異性表達(dá)的結(jié)果，但是人類能不能改造基因呢？能不能使本身沒有某個(gè)性狀的生物具有某個(gè)特定性狀呢？例如，讓禾本科植物能夠固定空氣中的氮?dú)猓蛔屛⑸锷a(chǎn)出人的胰島素、干擾素等藥物。這樣既節(jié)省了人力，又簡(jiǎn)化了生產(chǎn)，同時(shí)還不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。這種設(shè)想能實(shí)現(xiàn)嗎？回答是可以的。通過科學(xué)家們的不斷努力，在20世紀(jì)70年代終于創(chuàng)立了一種能定向改造生物的新技術(shù)——基因工程。 教師通過課件圖片和音像資料展示基因工程產(chǎn)品，如種子、水果、疫苗或藥物等。同時(shí)引出本節(jié)課題：基因工程的原理。 ［師生互動(dòng)］ 教師：利用“問題探討”，提出問題，組織學(xué)生討論、交流看法。 （1）為什么能把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上？ （2）推測(cè)這種“嫁接”怎樣才能實(shí)現(xiàn)？ （3）這種“嫁接”對(duì)品種的改良有什么意義？ 學(xué)生：分組討論。學(xué)生設(shè)想用類似的方法來“改造”某種生物，使其符合人們某種特定需要，說出具體設(shè)想。各小組選派代表陳述觀點(diǎn)。 教師：雜交育種有哪些局限性？人類是否可以按照自己的意愿直接定向改造生物。 學(xué)生：雜交育種有方法簡(jiǎn)單、容易操作的優(yōu)點(diǎn)。但是，雜交育種只能利用已有基因的重組，按需選擇，并不能創(chuàng)造新的基因。雜交后代會(huì)出現(xiàn)性狀分離現(xiàn)象，育種進(jìn)程緩縵，過程煩瑣。我們可以利用基因工程的辦法解決，即把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上。 教師：肯定學(xué)生合理的想法，引發(fā)思考?！澳愕南敕ê芎?，可是用什么樣的方法才能實(shí)現(xiàn)你的設(shè)想呢？” 學(xué)生：頭腦中設(shè)想“嫁接”的過程。 教師：用類比的方法引導(dǎo)學(xué)生思考基因工程的大致步驟和所需要的工具：剪刀、針線、運(yùn)載體等。并用問題啟發(fā)學(xué)生：“你能想象這種剪刀加漿糊式的嫁接工作在分子水平的操作，其難度會(huì)有多大嗎？” 學(xué)生：頭腦中設(shè)想“嫁接”的過程。并跟隨教師的引導(dǎo)，思考基因工程的大致步驟：找到目的基因、剪切、拼接、縫合、表達(dá)、檢測(cè)，所用到的工具：基因剪刀、基因針線、基因的運(yùn)載體。 教師：下面以EcoRI為例，構(gòu)建重組DNA分子模型，體會(huì)基因的剪切、拼接、縫合的道理。 EcoRI是已發(fā)現(xiàn)的500多種限制性內(nèi)切酶中的一種，它是一種從細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的能在特定位置上切割DNA分子的酶。它的特殊性在于，它在DNA分子內(nèi)部“下剪刀”，專門識(shí)別DNA分子中含有的“GAATTC”這樣的序列，一旦找到就從G和A之間剪斷（參考教科書插圖6－3）。 同學(xué)們來試一試，動(dòng)手做一個(gè)重組DNA模型吧。在動(dòng)手做之前，先要明白“分子剪刀”和“分子針線”的用途和使用方法。 用同一種限制性內(nèi)切酶切割后的DNA片段其末端可以用連接酶來縫合（參考教科書插圖6－4）。這樣“剪切拼接”就可以形成重組的DNA分子。 學(xué)生：4個(gè)人一組，再次閱讀課前教師下發(fā)的“構(gòu)建DNA分子模型的文字指導(dǎo)”。 教師：提出問題： （1）制作模型時(shí)用到的“剪刀”和“針線”各代表什么?比較剪切后的DNA片段的末端切片，你發(fā)現(xiàn)有什么特點(diǎn)呢 ? （2）回顧在模型構(gòu)建過程中,每一步的操作和所用到的工具以及形成的“產(chǎn)品”，你對(duì)重組DNA的操作有什么新的理解？ 學(xué)生：討論模型構(gòu)建的具體方法，按“指導(dǎo)”的方法步驟依次完成模擬制作過程，并思考教師提出的問題?；卮鸩⒔涣鲗?duì)重組DNA技術(shù)的理解。 學(xué)生：剪刀——限制性內(nèi)切酶（簡(jiǎn)稱限制酶）。它的作用具有特異性特點(diǎn)，即識(shí)別特定核苷酸序列，切割特定切點(diǎn)。例如大腸桿菌的EcoRI限制酶能識(shí)別GAATTC序列，并在G和A之間切開。剪切的結(jié)果是產(chǎn)生黏性未端（堿基互補(bǔ)配對(duì)）。 教師：要想獲得某個(gè)特定性狀的基因必須要用限制酶切幾個(gè)切口？可產(chǎn)生幾個(gè)黏性末端？ 學(xué)生：要想獲得某個(gè)特定性狀的基因必須要用限制酶切2個(gè)切口?？僧a(chǎn)生2個(gè)黏性末端。 學(xué)生：針線——DNA連接酶。連接的部位：磷酸和脫氧核糖交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口（梯子的扶手），不是氫鍵（梯子的踏板）。結(jié)果是把兩個(gè)來源不同卻有相同的黏性末端的DNA連接。 教師：用DNA連接酶連接兩個(gè)相同的黏性末端要連接幾個(gè)磷酸和脫氧核糖交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯鍵）？用限制酶切一個(gè)特定基因要切斷幾個(gè)磷酸和脫氧核糖交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口（磷酸二酯鍵）？ 學(xué)生：2個(gè)、2個(gè)。 教師：現(xiàn)在同學(xué)們分組各做一個(gè)重組DNA模型，看一看哪個(gè)組的最科學(xué)。 學(xué)生：分組做重組DNA模型，并分別在實(shí)物投影儀上演示，其他同學(xué)點(diǎn)評(píng)。 教師：重組后的DNA分子還需要特殊的運(yùn)載工具運(yùn)載到受體細(xì)胞（如大腸桿菌、動(dòng)植物細(xì)胞）中。那么誰能承擔(dān)這個(gè)任務(wù)呢？ 教師：用圖片或課件動(dòng)畫展示質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。 學(xué)生：觀看圖片或課件，了解質(zhì)粒的特點(diǎn)及其運(yùn)載功能。 質(zhì)粒的特點(diǎn)： 細(xì)胞擬核之外的小的環(huán)狀DNA分子。借宿于細(xì)菌、霉菌、酵母菌等細(xì)胞里，對(duì)細(xì)胞的正常生活幾乎沒有影響。質(zhì)粒能夠自主復(fù)制，而且復(fù)制只能在宿主細(xì)胞內(nèi)完成?？梢匀菀椎貜募?xì)胞中取出或放入。這些特點(diǎn)使它能夠勝任運(yùn)載體的工作，攜帶目的基因進(jìn)入細(xì)胞。 教師：有了基因工程操作的工具后，那么基因工程具體是如何進(jìn)行操作的呢？ 教師：用多媒體課件或與教科書插圖6－6示意圖類似的基因操作步驟的有關(guān)錄像資料進(jìn)行展示。思考問題如下：（可以利用幻燈或多媒體課件演示） （1）舉例說明什么是目的基因。 （2）從供體細(xì)胞DNA中直接分離基因的方法叫什么？簡(jiǎn)要說出該方法的過程是什么。 （3）人工合成基因的方法有幾種？其操作過程分別是什么？ （4）將目的基因與用限制性內(nèi)切酶處理后的運(yùn)載體混合，用DNA連接酶處理會(huì)出現(xiàn)幾種結(jié)果？（只考慮兩兩結(jié)合） （5）將含目的基因的重組質(zhì)粒導(dǎo)入細(xì)菌受體細(xì)胞的過程中常用到哪種化學(xué)試劑？其作用是什么？ （6）在目的基因的檢測(cè)過程中，檢測(cè)的對(duì)象是什么？ 學(xué)生：觀看錄像資料，想象科學(xué)家在分子水平上進(jìn)行這一操作的精確性。然后思考、討論、回答。（通過觀看錄像資料學(xué)生對(duì)基因工程的步驟能夠大體了解，對(duì)以上的問題能基本回答，但是對(duì)具體的操作步驟還不能從生物學(xué)角度上很透徹地理解） 教師：現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材內(nèi)容，從理論上理解有關(guān)知識(shí)，同學(xué)們可從生物學(xué)的專業(yè)知識(shí)角度出發(fā)，用生物學(xué)的專業(yè)術(shù)語準(zhǔn)確地解答有關(guān)問題。 簡(jiǎn)要?dú)w納基因工程操作的基本步驟和大致過程。 學(xué)生和教師一起歸納基因工程操作的幾個(gè)步驟： 第一步：提取目的基因； 第二步：目的基因與運(yùn)載體的結(jié)合； 第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞； 第四步：目的基因的檢測(cè)和表達(dá)。 ［教師精講］ 1.基因工程的概念 基因工程又叫基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。通俗地說，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細(xì)胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。 2.基因操作的工具 基因的剪刀——限制性內(nèi)切酶。 分布：主要在微生物中。 作用特點(diǎn)：特異性，即識(shí)別特定核苷酸序列，切割特定切點(diǎn)。 結(jié)果：產(chǎn)生黏性末端（堿基互補(bǔ)配對(duì)）。 基因的針線——DNA連接酶。 連接的部位：磷酸二酯鍵（梯子的扶手），不是氫鍵（梯子的踏板）。 結(jié)果：兩個(gè)相同的黏性末端的連接。 基因的運(yùn)載工具——運(yùn)載體。 作用：將外源基因送入受體細(xì)胞。 具備的條件：能在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并穩(wěn)定地保存。 具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)。 具有某些標(biāo)記基因。 種類：質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒。 質(zhì)粒的特點(diǎn)：質(zhì)粒是基因工程中最常用的運(yùn)載體。 最常用的質(zhì)粒是大腸桿菌的質(zhì)粒。 存在于許多細(xì)菌及酵母菌等生物中。 質(zhì)粒的存在對(duì)宿主細(xì)胞無影響。 質(zhì)粒的復(fù)制只能在宿主細(xì)胞內(nèi)完成。 細(xì)胞染色體外能自主復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子。 3.基因操作的基本步驟 （1）提取目的基因。 目的基因的提取途徑有兩條：一條是從供體細(xì)胞的DNA中直接分離基因；另一種是人工合成基因。 （2）目的基因與運(yùn)載體結(jié)合（以質(zhì)粒為運(yùn)載體）。 目的基因與運(yùn)載體結(jié)合的結(jié)果可能有三種情況：目的基因與目的基因結(jié)合，質(zhì)粒與質(zhì)粒結(jié)合，目的基因與質(zhì)粒結(jié)合。 （3）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。 導(dǎo)入方法：借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑。 導(dǎo)入過程：運(yùn)載體為質(zhì)粒，受體細(xì)胞為細(xì)菌。 （4）目的基因的檢測(cè)和表達(dá)。 檢測(cè)：通過檢測(cè)標(biāo)記基因的有無，來判斷目的基因是否導(dǎo)入。 表達(dá)：通過特定性狀的產(chǎn)生與否來確定目的基因是否表達(dá)。 ［評(píng)價(jià)反饋］ 1.下列關(guān)于基因工程技術(shù)的敘述，正確的是 A.重組DNA技術(shù)所用的工具酶是限制酶、連接酶和運(yùn)載體 B.所有限制酶都只能識(shí)別同一種按規(guī)定排列的核苷酸序列 C.選用細(xì)菌作為重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞是因?yàn)榧?xì)胞繁殖快 D.只要目的基因進(jìn)入了受體細(xì)胞就能成功地實(shí)現(xiàn)表達(dá) 解析：考查學(xué)生對(duì)基因工程原理的理解運(yùn)用，只要理解基因工程的工具、步驟，即可正確地作出判斷。 答案：C 2.以下說法正確的是 A.所有的限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列 B.質(zhì)粒是基因工程中唯一的運(yùn)載體 C.運(yùn)載體必須具備的條件之一是具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)，以便與外源基因連接 D.基因治療主要是對(duì)有缺陷的細(xì)胞進(jìn)行修復(fù) 解析：考查學(xué)生對(duì)基因工程原理的理解運(yùn)用，只要理解基因工程的工具、步驟，即可正確地作出判斷。 答案：C 3.實(shí)施基因工程第一步的一種方法是把所需的基因從供體細(xì)胞內(nèi)分離出來，這要利用限制性內(nèi)切酶。一種限制性內(nèi)切酶能識(shí)別DNA分子中的GAATTC順序，切點(diǎn)在G和A之間，這是應(yīng)用了酶的 A.高效性 B.專一性 C.多樣性 D.催化活性受外界條件影響 解析：將基因工程的工具與酶的特性結(jié)合起來，考查學(xué)生學(xué)科內(nèi)綜合運(yùn)用的能力。 答案：B 4.上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所成功培育出第一頭攜帶白蛋白的轉(zhuǎn)基因牛，他們還研究出一種可大大提高基因表達(dá)水平的新方法，使轉(zhuǎn)基因動(dòng)物乳汁中的藥物蛋白含量提高30多倍，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指 A.提供基因的動(dòng)物 B.基因組中增加了外源基因的動(dòng)物 C.能產(chǎn)生白蛋白的動(dòng)物 D.能表達(dá)基因信息的動(dòng)物 解析：考查學(xué)生對(duì)基因工程靈活運(yùn)用的能力。 答案：B 5.基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的，在基因操作的基本步驟中，不進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)的步驟是 A.人工合成基因 B.目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 C.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 D.目的基因的檢測(cè)和表達(dá) 解析：從遺傳原理的角度，考查學(xué)生對(duì)基因工程的理解。 答案：C ［課堂小結(jié)］ 基因工程的別名 基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù) 操作環(huán)境 生物體外 操作對(duì)象 基因 操作水平 DNA分子水平 操作工具 基因的剪刀、針線、運(yùn)載體 基本過程 剪切→拼接→導(dǎo)入→表達(dá) 結(jié) 果 人類需要的基因產(chǎn)物 ［布置作業(yè)］ P106：基礎(chǔ)題1、2、3，拓展題1。 ［課后拓展］ 1.學(xué)生搜集基因工程應(yīng)用的事例及其價(jià)值的資料。 2.搜集有關(guān)基因工程技術(shù)安全性方面的報(bào)道、法規(guī)等的資料。 ●板書設(shè)計(jì) 第2節(jié) 基因工程及其應(yīng)用