科学前沿 组装细胞PPT专用教学设计内容

《科学前沿-组装细胞》教案

赖敏 绵阳市安州中学

人造生命已掀起一次新的生物技术革命，科学家们利用合成的基因构建新的生物体。作为未来社会公民的高中生,应该了解可能影响他们未来生活的新技术。基于以上理由本人选择了生物必修一第二节中的科学前沿组装细胞,并作出适当拓展,使学生能对最新生物科学前沿有一个较为全面的了解。

一、教学目标

1、根据阅读材料尝试说出合成细胞的大体思路

2、了解DNA结构、基因测序、大片段DNA的化学合成方法

3、讨论合成细胞技术的研究意义、应用前景和对人类社会的影响

4、树立辩证唯物主义自然观，并逐步形成科学的世界观，养成质疑、求实、创新及勇于实践的科学精神。

二、学情分析

通过学习高中生物必修一的内容,学生已经熟知细胞是最基本的生命系统,所以合成生命首先就要合成最基本的生命---细胞,经过初中生物的学习学生对细胞的基本结构和遗传物质已经有大体了解,这就为合成细胞的核心步骤合成基因奠定了知识基础,进入高中阶段学生的逻辑分析能力,抽象思维能力已经上一个台阶,这就合成细胞的程序的学习奠定了认知基础,细胞只能来源于先前存在的细胞,但人工合成细胞可能打破这种学说,如何实现可引起学生的极大兴趣,为本节的学习奠定了动机基础。

三、重点难点

重点:合成细胞的大体思路

难点:DNA的结构、基因的概念

四、教学过程

（一）【导入】有了积木我们可以搭建几乎任何场景，城堡、森林；有了各部分零件我们可以组装出一个活灵活现的机器人！那我们不妨大胆想象一下，可不可以组装出一个具有生命的细胞呢？来，我们一起来看一则新闻! 2010年5月20日，美国科学狂人文特尔向全世界宣布——世界首例人造生命“辛西娅”诞生了。（Synthia，意为“人造儿”创造它的是克雷格·文特尔，他是美国著名的生物科学家，被誉为“人造生命之父”，他组装的辛西娅是第一个人工合成的细胞，也是第一种以计算机为父母的可以自我复制的生命。

（展示图片）这就是辛西娅及其产生的子代细胞。

这则新闻告诉我们新的生命体可以“被创造”。那如何人工组装生命呢？

请同学们翻到必修一教材12-13，这节课我们一起来学习科学前沿，组装细胞。

请同学们阅读教材内容，思考并从文中找出科学家人工组装细胞的大体思路！

请一位同学回答，然后引导同学总结思路并板书。

(教学意图:引导学生阅读材料，总结归纳出合成细胞的大体思路,培养学生筛选信息,总结归纳能力) （二）【讲授】人工合成细胞的基本程序

接下来让我们跟着科学家的脚步一步一步来学习组装细胞

第一步：寻找最简单的细胞

科学研究的最初都是从最简单的实验开始，所以我要先寻找自然界中最简单的细胞，人体生殖道支原体细胞：展示图片

1990时代人类发现自然界中结构最简单的细胞是人体生殖道支原体细胞,观察细胞图对支原体进行分类。什么细胞是最简单的细胞呢？学生回答：支原体：它是1990年科学家在人体生殖道发现的最小、最简单的细胞。）它是原核还是真核生物呢？判断依据是？（学生回答）相比我们学习的原核生物它有什么特点？无细胞壁。

那么要组装最简单的支原体细胞，需要哪些零件呢？科学家组装细胞是从根本上改造哪种物质？基因，

（教师通过概念图和图片介绍支原体的结构、对支原体进行归类、介绍传播途径、引起人类的疾病）

【讲授】第二步：确定基本基因

那什么是基因？教师展示DNA分子的结构模式图,解析碱基和DNA分子中所蕴含的遗传信息的关系

学生明确基因中碱基的排列顺序代表着遗传信息，那么合成基因就是合成DNA片段。从1995年到围绕基因的合成在进行艰难的研究，直到2008年才完成合成支原体的基因组。具体合成方法有兴趣的同学可以在课下收集资料进一步了解。

了解了基因才能想办法判断支原体基因的个数。老师介绍文特尔参与的人类基因组计划。运用其独特快速的测序方法，一人单挑6国率先完成人类基因组计划。文特尔也运用同样的方法测得人类基因组大约31.6亿个碱基对组成，已发现的基因约为2.0万个—2.5万个。（教学意图:通过人物介绍更进一步引起学生兴趣与好奇心,增强后续学习的动机）

文特尔用同样的方法测得支原体仅有480个基因，要合成其所有的基因吗? 学生分组讨论分析,通过阅读材料得知合成基本基因的工作量小,只要合成基本基因就可以了。那如何确定基本基因？学生在教材上找到并勾画出来。

(教学意图:学生通过对DNA分子结构的了解,知晓基因是DNA中的一个片段,基因中的碱基序列代表着遗传信息）

【讲授】第三步：人工合成基本基因

通过这个方法文特尔筛选出了300个基本基因。接下来就是人工合成含有这300个基因的DNA分子。在研究初期，科学家遇到了什么困难？只能合成长度为5000个碱基对的DNA片段，而支原体的DNA碱基对数目多达100万个，因此科学研究，困难重重。但科学家们没有放弃重新寻找更好的方法（在即使只有300个基因也含上百万个碱基对，要利用化学方法一点一点地重新排列DNA。将重组的DNA碎片采用一定的方法（放入酵母液中，）令其慢慢地重新聚合。）所以这是一个漫长的合成过程，最后直到2008年文特尔及其团队才完成了生殖支原体的基因组的合成。

由此可以看出科学研究的道路从来不是一帆风顺的，也看到了科学家们迎难而上坚持不懈的高贵品质（引导学生们感受科学家的精神魅力）

【活动】第四步：包裹细胞膜

接下来就面临怎样给DNA分子包裹细胞膜了，是否先要合成细胞膜？文特尔的设想是什么？学生回答。他们也是这样做的从而创造了第一个“人造细胞”。

那么如何看这个人造生命组装成功了？学生回答。合成完成后,其成功的标志是什么?——可以独立生活、生长和繁殖

【讨论活动一】学生讨论在包裹细胞膜的过程中有没有合成细胞膜，有没有合成细胞质？那这个细胞是人工的还是天然的？“辛西娅”是真正意义上人造生命吗？请同学们分小组讨论。学生回答并总结

再看看文特尔的说法。

“这个细胞只有基因组是人工合成的，而基因组复制、表达所不可或缺的外部环境是来自于自然细胞的。”

“这不是彻底人工制造一个全新的生物，而是在更大程度上对一种生命体的改造。”

【讨论活动二】既然这样那人造细胞研究的意义在哪里呢？应用前景如何呢？学生分组讨论

教师总结并引导

意义：新的生命体可以在实验室里“被创造”，而不是一定要通过“进化”来完成。这项研究可以从根本上加深对细胞生存最关键条件的理解。如果初步实验取得成功，那么后续的工作就是不断为其增加新的功能。”

正因为其重要的研究意义和广阔的应用前景，文特尔并没有停止他对制造生命的探索，2016年3月24日，美国《科学》杂志发表了的一项研究表示，文特尔及其团队设计并制造出了最简单的人工合成生命体。此次设计的人工生命仅有维持生命所需基因，这一数字仅为473个，是目前已知最小的生命体基因组，该研究可帮助科学家更好地了解细胞中每个必需基因的功能。

【讨论活动三】学生讨论文特尔团队的研究仍然在继续，但是我们又不得不思考，这样的研究工作是否会给为人类的生活带来风险？（学生分组讨论）教师总结并引导

科学是一把双刃剑，一项科学技术的发展往往伴随着利和弊，所以我们要用辩证的思维去看待我们生活中的各种问题。同时也要承担起普通公民应有的责任和义务去了解科学家所从事的研究工作，督促科学家们的研究向着有利于社会进步的方向进行。

要相信，生命的未来值得我们每一个人期待。

最后对本堂课进行小结并完成课堂练习。

结语：[天马行空]如果你能组装细胞，你想组装出一个什么样的细胞？来为自己的生活增添色彩。

五．板书设计

科学前沿

组装细胞

一、合成细胞的大体流程

1、寻找最简单的细胞

2、确定基本基因

3、人工合成基因

4、包裹细胞膜

二、探讨研究组装细胞的意义、应用前景、给人类社会带来的影响