紙質模型在生物教學中的運用

2021-02-08 生物與人生

模型教學在生物課中運用的比較普遍，比如物理模型、數學模型。今天我主要介紹的是自己在教學過程中使用的紙質模型。利用紙質模型進行相關的生物教學，操作簡單，成本低，易獲取，實踐性強，很適合生物課堂使用。

最近我們正在學習選修三專題一基因工程，課本上有模擬製作「重組DNA分子的模擬操作」，為了在課堂上快速完成操作，我讓學生拿出白紙，用不同顏色的筆寫出兩組鹼基序列，進行模擬重組DNA的操作，效果比較好，學生能很快完成。

第二節課在講基因表達載體時，我也想讓學生通過紙質模型來體驗各種連接過程，這塊操作一直是教學的難點，同樣在高考題中考察的機率比較高，難度大，所以我想讓學生自己動手操作。正如美國教育學家蘇娜丹戴克所說「告訴我，我會忘記，做給我看，我會記住，讓我參加，我就會完全理解。」

接下來就是動手實驗了，我自己先在辦公室進行模擬，發現一組不能完成，最後我用兩組模型來完成，先在紙上用兩種顏色的筆寫出四條DNA的鹼基序列，兩兩相同，用筆在質粒上標上方向、啟動子、複製原點、終止子，並對四條序列進行簡單的編號，為的是快速組合。先把質粒連成環狀，然後用剪刀模擬限制酶進行剪切，分別剪開兩組質粒，並剪下兩組目的基因，下來就開始不同情況的模擬，有自身成環、重組質粒、正向連接、方向連接等多種情況，並進行大致的分類。


                                


要想讓學生操作的順利，並達到預期教學效果，教師的引導很重要。課堂上給每人發一張大白紙，先用雙色筆書寫鹼基序列，各寫兩組並簡單進行標記，再連接環狀質粒並標上啟動子、複製原點、終止子和方向，然後找限制酶識別的序列和切點位置，最後剪開質粒和剪下目的基因。準備工作完成，下面就是難操作的連接環節了。



學生們開始了連接，五花八門，有無從下手的，也有連不到一起的，同時也出現了不同的連接方式，有目的基因和目的基因相連、質粒和質粒連接、目的基因和質粒連接；同時也出現方向不對的，有正向連接也有反向連接的等等。最後大家在我的引導下開始不同的模擬操作。

引導1：用一組模型進行模擬，看有幾種連接方式？

注意：模擬過程中我們用的是同一種限制酶，質粒和目的基因露出的粘性末端是相同的。

結果：目的基因的自身環化。

重組環狀質粒（正向重組和反向重組）。



結論：通過模擬操作，得出一組模型產生的新環狀重組有3種，其中目標重組1種（即正向重組），意外環狀重組2種：一種是目的基因的自身環化，另一種是切開的質粒和切下的目的基因方向重組。

引導2：用兩組模型進行模擬，看有幾種連接方式？

注意：同樣用的是相同的限制酶，會有兩個質粒，兩個切下來的目的基因。

結果：分三類情況，一是純目的基因的環化，二是純質粒的環化，三是目的基因與切開質粒的環化。

載體自身環化

目的基因自身環化

結論：通過模擬操作，得出兩組模型模擬出現的意外重組類型很多，具體歸類如下圖。


引導3：思考在基因工程中實際參與重組的外源DNA分子與質粒的數量龐大，就可能出現n組模型的重組問題，怎麼解決？

分析：當n越大時，由於參與隨機重組的目的基因與切開質粒的數量、排列、正向連接、方向連接的不同，意外重組類型會非常多，這對於獲取目標重組DNA幹擾極大。進一步探究可知，如果同時使用兩種不同的限制酶切割質粒和外源DNA，這樣產生兩側的黏性末端不同，就可以有效避免意外重組的發生，有利於獲取目標重組DNA。

引導4：用兩種不同的限制酶切割質粒和外源DNA分子，進行基因表達載體的構建，看有多少種連接方式？


         不同的限制酶切割質粒和目的基因

注意：用兩種限制酶切割質粒時，會產生切下來的廢片段，雖然在表達載體時無用，但在連接時會存在，也就可能出現意外連接。

結果：如果用一組模型進行模擬，會出現目標重組1種（目的基因與質粒有效片段的正向連接），意外重組1種（目的基因與質粒片段反向連接）。


探究：如果用不同的限制酶切割質粒和目的基因，用2組模型進行模擬會有多少種連接方式？

實驗結果大於10種，如下圖

通過探究發現。用不同的限制酶和用同一種限制酶對質粒和目的基因進行切割，前者意外環狀重組比用1種限制酶要少的多。但意外重組仍然有很多種可能性。

基因表達載體構建的目的是為了目的基因的表達。基因表達載體的構建必須有啟動子、終止子、標記基因、目的基因、複製原點這五部分。並且這5部分必須按特定的次序排列，也就是在製作模型時，對質粒要標註方向一樣，按目標重組連接的才能正常表達。雖然在基因表達載體構建中會出現多種意外組合，但大多數是不能表達的，實際對基因工程的影響不是很大，在學生做題時，要能理解各種意外組合的出現的原因，並會分析不能表達的原因。

紙質模型在基因工程中的實踐運用，讓我自己也提高了很多，尤其是自己在體驗的過程中，碰到的各種問題，要查找資料自己總結。做完模擬實驗後，我剛好看到有關的幾篇文章與紙質模型有關，我認真閱讀反思自己的教學，看那些方面需要改進和加強，使自己的教學方式更加完美。

對於學生的掌握方面，利用重組DNA分子的紙質模型模擬基因表達載體的構建過程。將微觀的難於操作的過程轉變為宏觀簡單操作的過程，直觀、形象地展現在學生面前，積極思考、探究操作過程中出現的問題，有利用學生對本節內容的掌握，做的真正意義上的學懂。紙質模型的運用啟發了學生的思維能力、想像能力、創新能力和動手能力，有效地培養了學生的生物學科核心素養。


我希望

每一個時刻

都象彩色蠟筆那樣美麗

我希望

能在心愛的白紙上畫畫

畫出笨拙的自由

畫下一隻

永遠不會流淚的眼睛

—— 顧城



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