资源简介

第1章　发酵工程
通过对“微生物的纯培养”相关内容的学习和操作实践，应能理解和明确在发酵工程中灭菌是获得纯净的微生物培养物的前提，学会在操作过程中保持无菌物品和无菌区域不被微生物污染的无菌技术，全面理解有关微生物培养的理论知识；能够举例说明通过调整培养基的配方可以有目的地培养某种微生物，能概述平板划线法和稀释涂布平板法的基本步骤，并能使用这些方法进行微生物的分离和培养；能够概述和使用稀释涂布平板法和显微镜计数法测定微生物的数量。在相关知识和实验操作的基础上，可以要求学生尝试进行实验方案的设计和操作，学习资料的收集和整理等。
在学习微生物培养的基础上，进一步学习“发酵工程为人类提供多样的生物产品”等实践应用内容。通过学习与比较“应用传统发酵技术并尝试制作泡菜、果酒和果醋”“现代工程技术及其在各领域的应用价值”，能够阐明传统发酵技术在食品生产中的应用，以及发酵工程如何利用现代工程技术及微生物的特定功能工业化生产人类所需产品，能举例说明发酵工程在食品、医药及其他工农业生产等方面的重要应用价值。除相关基础知识的学习，应创造机会，让学生多参与动手制作、参观学习和调查研究等实践活动，采取丰富的多元评价方式，引领学生的学习成长。
本章作为选必3模块的开篇，遵循着由传统到现代，由日常生活经验到科学、技术、工程应用的线索展开学习，同时设计了3个探究实践活动，促进学生知行合一，在做中学习相关内容。本章不仅对技术思维和工程思维的训练提供了方法，还通过对生物科学、技术与社会关系的分析，为发展学生的思维、提升他们的社会责任意识奠定基础。其中培养基配制、灭菌等技术是细胞工程也需要的技术，学生学习了这些技术，可以为后续章节的学习奠定基础。
本章共有3节。第1节介绍传统发酵技术的应用，这节的内容与学生的生活经验和必修1教材中学过的细胞呼吸的原理结合较为紧密。在介绍传统发酵技术的基础上，通过讨论传统发酵技术应用的局限（如存在菌种差异、发酵过程缺乏控制标准、产品品质不一等问题需要解决），引出第2节“微生物的培养技术及应用”。第2节的核心内容是微生物的纯培养技术，这不仅是发酵工程的核心技术，也是理解发酵工程基本环节的基础。微生物的纯培养技术应用于工程开发，可以获得巨大的效益，提高人们的健康水平和生活质量。第3节“发酵工程及其应用”则以青霉素的生产应用为案例引发对发酵工程基本环节的分析讨论，学习发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业以及其他方面的应用。
本章涉及传统发酵技术和现代发酵工程与人们生活的关系，有助于学生深刻理解生物科学、技术与社会的关系，同时介绍我国千百年来一直传承的发酵技术及应用，体现了对我国传统文化的认同与传承。
从发酵工程、细胞工程、基因工程等内容来看，发酵工程的原理相对直观易懂，且学生对发酵技术的实际应用也有一定的了解，因此将发酵工程放在模块的首章，有助于学生逐步深化理解。
学生在初中阶段已经学习了微生物的知识，尝试了制作酸奶，观察了发酵现象；在学习必修1有关细胞呼吸的内容时，学习过乳酸发酵、酒精发酵的反应式；在日常生活中，也会经常接触到发酵食品——酸菜、白酒、醋等。因此，他们在学习本章传统发酵技术及其应用的内容时，具有较好的生活经验与知识基础。学生对含有柠檬酸的饮料、抗生素等发酵工程相关产品并不陌生，这些都有助于对发酵工程基本环节的学习和理解。
教学重点
（1）微生物发酵的基本原理。
（2）制作泡菜、果酒和果醋。
（3）微生物（酵母菌）纯培养的基本操作及要求，微生物选择培养的原理。
（4）土壤中分解尿素的细菌的分离与计数。
（5）发酵工程的基本环节，发酵工程的应用。
教学难点
（1）制作泡菜、果酒和果醋。
（2）酵母菌的纯培养。
（3）土壤中分解尿素的细菌的分离与计数。
（4）发酵工程的基本环节。
第1节　传统发酵技术的应用 2课时
第2节　微生物的培养技术及应用 2课时
一 微生物的基本培养技术 1课时
二 微生物的选择培养和计数 1课时
第3节　发酵工程及其应用 1课时
章末复习课（选） 1课时
第1章　发酵工程
第1节　传统发酵技术的应用
第1课时
教学目标
1.通过让学生进行泡菜制作实践和分析提高泡菜质量的措施，掌握泡菜制作的原理、过程和注意事项。（生命观念、科学思维）
2.通过让学生构建泡菜制作过程中乳酸菌、乳酸、亚硝酸盐含量变化的数学模型，训练学生归纳、建模、评价等科学思维，培养学生的合作交流精神。（科学思维、科学探究）
3.引导学生分析评价社会热点新闻，使其关注食品安全，倡导健康的生活方式。（科学思维、社会责任）
教学重难点
重点:1.微生物发酵的基本原理。
2.制作泡菜。
难点:制作泡菜。
教学方法
采用直观教学法、讲述法、启示法、讨论法等教学方法,准备PPT、实验材料等教学用具。
课时安排
1课时
教学准备
泡菜坛、胡萝卜条、萝卜条、黄瓜条、15%盐水、清水等相关的实验材料用具;多媒体,白板,学案,PPT等。
导入新课
你刚刚继承了家族传统的手艺——制作泡菜。现在，你决定开设一家“家庭发酵小作坊”，将这份传统技艺发扬光大，并满足社区居民对健康、美味发酵食品的需求。这节课让我们一起进入泡菜厂小老板的角色中吧！
(设计意图:由角色扮演情境导入,能激发学生的学习兴趣,同时引出本节课要解决的问题,效果较好。)
新课讲授
任务一、制作美味的泡菜
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确泡菜制作的流程 【播放视频】 播放家庭作坊泡菜制作视频。 观看视频。 总结泡菜制作过程。 让学生通过提取视频中的信息来明确泡菜制作过程等必备知识。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据提供的实验材料和归纳的泡菜制作流程完成泡菜的制作。 进行泡菜的制作，小组长完成泡菜制作评价量表。 泡菜制作评价量表。 让学生亲身体验技术操作，可以提高他们的实践技能，培养合作意识。
评价交流 【引导分析】 利用问题引领的方式让学生进行小组讨论，分析泡菜制作的原理和过程中的关键操作意图。 （1）概述泡菜制作的原理并写出反应简式。 （2）发酵过程中,盐的作用是什么 盐水浓度要适宜的原因是什么 盐水煮沸的目的是什么 盐水冷却后再倒入发酵坛的目的是什么 (3)向泡菜坛盖边沿的水槽中注满水的目的是什么 (4)为什么泡菜坛只能装至八成满 进行小组讨论，得出泡菜制作的原理和制作过程中要合理使用盐水、保证厌氧环境等。 小组代表展示问题答案并组间相互评价补充。 相互评价环节可以使学生对自己实验的过程有清晰的认识，也对他们今后科学地开展实验有很好的引导作用。
任务二、评定泡菜制作质量
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确泡菜质量评价指标 【提供资料】 让学生阅读以下资料并回答问题。 资料1.一般来说，当乳酸的质量分数为0.4%~0.8%时，泡菜的口味、品质最佳，泡菜汤清亮，无浮膜，菜质脆嫩度适口，具有一定的香气，咀嚼后无渣等。 资料2.泡菜在腌制过程中会有亚硝酸盐产生。膳食中的亚硝酸盐一般不会危害人体健康，但如果摄入过量，会发生中毒，甚至致人死亡。 【提出问题】 可以利用什么指标评价泡菜腌制的质量？ 阅读资料，思考并回答问题。 展示问题答案。 让学生通过提取资料中的信息来归纳评价泡菜腌制质量的指标。
构建模型 【提供资料】 让学生阅读以下资料并构建模型。 资料3.泡菜发酵初期，主要是大肠杆菌和酵母菌等进行发酵，此时泡菜液的含酸量为0.3%~0.4%，菜质咸而不酸。此阶段硝酸盐还原菌将蔬菜中的硝酸盐还原成亚硝酸盐，虽然蔬菜中的酚类物质和维生素C等可将亚硝酸盐氧化，但总体上亚硝酸盐含量逐步上升。发酵中期，乳酸不断积累、pH下降，乳酸菌开始活跃，硝酸盐还原菌受抑制且部分亚硝酸盐被分解，亚硝酸盐含量减少。发酵后期，乳酸含量继续增加。当乳酸含量超过1.2%时，乳酸菌的活性受到抑制，发酵速度逐渐变慢，甚至停止发酵。此阶段硝酸盐还原菌被完全抑制，亚硝酸盐含量下降至一定程度后，保持相对稳定。 【提出问题】 根据资料3构建泡菜发酵过程中乳酸菌浓度、乳酸浓度、亚硝酸盐浓度随发酵时间变化的数学模型。 进行资料分析，提取信息构建乳酸菌浓度、乳酸浓度、亚硝酸盐浓度随发酵时间的变化曲线。 黑板展示曲线并能简述构建过程。 让学生自主构建并进一步分析相关曲线变化的原因，是学生对知识内容理解不断深化的过程，也是思维不断发展的过程。在这个过程中学生既获得了知识，又发展了思维。
任务三、寻求提升泡菜质量措施
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确泡菜制作过程中的注意事项 【提供资料】 让学生阅读以下资料并回答问题。 资料4.蔬菜放置时间过长，亚硝酸盐含量会上升，一定的微生物在适宜的温度、pH下，可将亚硝酸盐转化成亚硝胺，亚硝胺有致癌、致畸和致突变作用。 资料5.泡菜制作过程中频繁打开坛盖会使泡菜发酵不充分，口感不佳，泡菜水浑浊，泡菜质地变软或有异味。 【提出问题】 分别从选材、条件控制、规范操作三个方面写出提高泡菜质量的具体措施（至少1条）。 阅读资料，思考并小组讨论后回答问题。 小组代表展示，其他小组完善补充。 引导学生运用已掌握的知识探索归纳新知，可促进学生对知识的理解和掌握。
当堂训练的题目主要针对泡菜制作、乳酸菌特性、泡菜中亚硝酸盐含量测定以及食品安全意识四个方面对学生进行评价，通过这次练习，学生对泡菜制作过程中的微生物学原理有了更深入的理解，认识到乳酸菌在泡菜发酵中的关键作用，以及盐浓度、发酵时间和温度等因素如何影响泡菜的质量和口感。同时，学生也对泡菜中亚硝酸盐的产生和测定方法有了更清晰的认识，这对学生未来的学习和实践具有重要意义。
在解答题目的过程中，学生锻炼了自己的分析能力和逻辑推理能力。对于开放性题目的练习，不仅提高了学生的解题技巧，也增强了学生面对复杂问题时冷静分析、独立思考的能力。
带领学生根据板书小结本节课内容。
课下查阅更多的传统发酵工艺及产品制作流程，如果酒、果醋等。
本节课通过设置三个任务来达成本节课的核心素养目标，通过实验操作让学生对传统发酵技术有了更加直观的认识，同时提高了学生的动手操作能力，通过模型构建使学生对乳酸菌的生命活动有了更深的了解，整堂课思路比较清晰。本节课主要采用小组合作的形式，加强了同学之间相互合作的意识，汇报成果提高了学生的语言表达及逻辑思维能力。
本节课也有一些不足之处，课堂检测部分留给学生思考的时间稍短，在课堂讨论环节设定5分钟小组内部思考时间，再进行全班交流，确保每个学生都有足够的思考时间和表达机会。对“3·15”老坛酸菜事件的分析，学生能想到一二，这个问题具有开放性，主要是引导学生加强捍卫传统饮食文化及关注食品安全的意识。
第1节　传统发酵技术的应用
一、制作美味的泡菜
二、评定泡菜制作质量
三、寻求提升泡菜质量措施
1.中国泡菜的历史发展
中国泡菜的历史发展可以追溯到几千年前，最早起源于商周时期。泡菜在商周时期已经成为宫廷美食，商代的文献中已有关于泡菜的记载。同时，泡菜坛的演进过程中，商周时期的三足鼎已经有了沿口，这是泡菜坛的重要特征之一。到了秦汉时期，蔬菜的腌制技术进一步发展，泡菜品种得到丰富，开始在汉代人的饮食中占据重要地位，并且作为大宗商品开始流通。《说文解字》指出 “菹者，酸菜也”，此时“菹”正式成为了世界上第一个关于泡菜的专用字。
魏晋南北朝时期，蔬菜栽培技术取得重大进步，为泡菜提供了丰富的原料。同时，泡菜的食疗作用也得到发掘和应用，如三国名医华佗用泡菜酸水治病。北魏农学家贾思勰在《齐民要术》中系统记载了腌菜、酸菜、酱菜等泡菜的种类和制作方法，这是中国泡菜制作技术成熟的标志。到了隋唐时期，泡菜制作方法进一步丰富，出现了酱渍、醋渍、糖渍等多种方法，并传播到海外。如唐玄宗天宝十二年（公元753年），高僧鉴真和尚东渡日本，把中国的盐渍菜制作方法传入日本。
宋元时期，泡菜工艺更加精细，在美食中的应用更加广泛。此时，酱和醋等调味品在泡菜制作中占据重要地位，泡菜成为餐桌上不可或缺的美食。到了明清时期，随着外来蔬菜的引进，泡菜品种得到极大丰富，出现了一系列的泡菜大师和专业作坊，泡菜成为“家家均有”的必备美食。如四川罗江人李化楠所著的《醒园录》中，论述了大蒜、生姜等20多种蔬菜的泡渍方法。
近现代以来，泡菜制作技术不断创新和发展，品种更加多样化，口味也更加丰富。同时，泡菜产业也逐渐规模化、产业化，成为中国食品工业的重要组成部分。如今，泡菜已经成为中国乃至世界广泛喜爱的美食之一。
2.现代工业化生产泡菜的流程
（1）原料选择与处理
选料：选择新鲜、无病虫害、无腐烂的蔬菜作为原料，如大白菜、萝卜、黄瓜等。这些蔬菜应紧实、叶片鲜嫩，符合泡菜制作的要求。
清洗：将蔬菜放入清洗设备中，使用清水进行多次冲洗，确保蔬菜表面的泥土、杂质和农药残留被彻底清除。清洗设备包括气泡清洗机、高压喷淋装置等。
切割：将清洗后的蔬菜切割成适当的大小，以便腌制和入味。切割设备包括蔬菜切割机、切片机等。
（2）腌制与调味
腌制：将切割好的蔬菜放入腌制池中，加入适量的食盐进行腌制。腌制时间根据工艺要求而定，通常需要数小时。腌制过程中，蔬菜会出水，这是正常现象。腌制有助于保持蔬菜的脆嫩口感，并去除部分水分。
调味：腌制完成后，将蔬菜取出，经过多次清洗以去除多余的盐分。然后，将事先准备好的调味料（如辣椒粉、大蒜末、生姜末、白糖、味精等）均匀地涂抹或混合在蔬菜上。调味料的配方可以根据产品定位和市场需求进行调整。
（3）发酵与成熟
发酵：将调味后的蔬菜装入泡菜坛或发酵罐中，注入适量的盐水或发酵液。然后，在自然或人工控制的条件下进行发酵。发酵过程中，乳酸菌等微生物会分解蔬菜中的糖分，产生乳酸等有机酸，赋予泡菜特有的风味和口感。
成熟：发酵完成后，泡菜即达到成熟状态。此时，泡菜的酸度、口感和风味都符合产品标准。
（4）包装与灭菌
包装：将成熟的泡菜进行分装，通常采用真空包装或气调包装等方式，以延长产品的保质期和保持其口感。包装材料应符合食品安全标准，并具有良好的密封性和阻隔性。
灭菌：对包装好的泡菜进行灭菌处理，以杀灭潜在的微生物，确保产品的安全性和卫生质量。灭菌方式包括巴氏杀菌、高温高压杀菌等。
（5）检验与出厂
检验：对灭菌后的泡菜进行质量检验，包括外观、口感、风味、酸度、微生物指标等方面的检测。确保产品符合相关标准和要求。
出厂：经检验合格后的泡菜即可出厂销售。在销售过程中，应注意产品的储存和运输条件，以保持其品质和口感。
3.传统作坊制作泡菜时的注意事项
（1）环境要求
卫生条件：泡菜制作环境应保持干净、阴凉通透，避免阳光直射和潮湿。作坊内部应进行定期清洁和消毒，以防止细菌和其他微生物的滋生。
温度控制：泡菜制作和存放的环境温度应保持在15~39℃。这个温度范围有利于乳酸菌等有益微生物的发酵，同时能抑制有害微生物的生长。
（2）容器与工具
容器选择：制作泡菜的容器应选用密封性好、不易渗漏的材质，如陶瓷、玻璃或专用的食品级塑料容器。容器在使用前应用热水洗涤，最好用开水热烫，以杀灭潜在的微生物。
工具卫生：所有与泡菜接触的工具，如刀、砧板、筷子等，都应保持清洁，并避免与未经处理的食材或污染源接触。
（3）原料处理
蔬菜选择：应选用新鲜、无病害、质地脆嫩的蔬菜作为原料。蔬菜在清洗后应沥干水分，并去除粗老的部分。
切割与腌制：根据蔬菜品种的不同，将其切分成易泡制的块、片、丁等形状。然后放入容器中，加入浓度为5%~10%的食盐水进行腌制。菜与水的比例应控制在1∶1到1∶1.5之间，食盐水切忌过满。
（4）调味与发酵
调味料添加：根据个人口味喜好，可以加入辣椒、大蒜、生姜、花椒、八角等调味料。调味料的比例应适当，以避免影响泡菜的口感和发酵过程。
发酵管理：泡菜容器应密闭，以营造有利于乳酸菌发酵的厌氧环境。在发酵过程中，应定期检查泡菜的状态，如观察是否有异常气味、颜色变化等。
（5）储存与取用
储存条件：泡菜制作完成后，应存放在低温环境（0~10℃）中，如冰箱内。这有助于延长泡菜的保质期，并保持其口感和风味。
取用方式：从容器中取出泡菜时，应使用干净、干燥的餐具，避免将外部微生物带入泡菜中。取出的泡菜最好一次吃完，避免反复取用导致泡菜变质。
4.泡菜产业化生产工艺案例
（1）四川眉山东坡泡菜
历史背景：眉山东坡泡菜的制作历史可追溯至1 500余年，拥有深厚的文化底蕴。
生产工艺：①原料选择：精选优质蔬菜作为原料，如萝卜、青菜等。②清洗与预处理：对原料进行彻底清洗，去除杂质和农药残留。③腌制与发酵：采用传统“陶坛+老母水”的自然发酵工艺，结合现代科技手段，如温度、湿度控制，确保泡菜品质。④加工与包装：经过切片、脱盐、脱水、拌料、灌装、杀菌等一系列工序，最后打包成商品。
技术创新：眉山市推动泡菜产业“产学研”深入合作，组建技术研究院，研发出高活性、高稳定性的复合微生物发酵剂，提升发酵效率和泡菜风味。引入自动化生产线，提高生产效率和质量稳定性。
产业链发展：眉山市投入巨资建成万亩泡菜原料基地，实施“订单+保单”模式，确保原料稳定供给。泡菜产业已发展成为眉山市的支柱产业之一，带动20万户农户种植蔬菜，年种植收入达9亿元。
市场拓展：东坡泡菜销售收入已突破220亿元，远销欧美、东亚、东南亚等多个国家和地区。推动泡菜产业与文旅产业融合，举办泡菜博览会，拓展泡菜产业链。
（2）江西赣州寻乌泡菜
生产工艺：①原料种植：在江西、广东、福建、云南、广西等地建立芥菜种植基地，与农户签订种植订单。②清洗与杀菌：新鲜采摘的芥菜进入自动化清洗流水线，经过多次清洗、滤干、高温杀菌和烘干。③发酵与加工：采用工业化生产方式，在发酵缸中进行标准化稳态发酵，确保泡菜品质不受气候和季节影响。④包装与销售：经过加工、分拣、包装后，泡菜产品销往全国各地及海外市场。
技术创新：赣州巧耕人家农业发展有限公司针对泡菜生产制作的特点和难点，开展科技创新，在自动化清洗、微生物发酵、金属检测分拣和全自动罐装等环节成功申报并应用了多项专利。泡菜中的亚硝酸盐含量低于饮用水标准，确保产品绿色健康。
产业链发展：公司在多地建立芥菜种植基地，与农户签订种植订单，实现小农户与大市场的有机链接。年产1.5万吨蔬菜产品深加工项目正式投产，研发预制菜品种20余个。
市场拓展：公司每月销往粤港澳大湾区的泡菜逾400吨，成为多家知名餐饮连锁机构及大型生鲜超市的订单式供货方。积极申报“圳品”认证，提高品牌知名度和市场竞争力。
第1章　发酵工程
第1节　传统发酵技术的应用
第2课时
教学目标
1.通过让学生进行果酒和果醋制作实践及过程比较，进而让学生归纳出果酒和果醋的制作原理及过程。（生命观念、科学探究）
2.通过引导学生分析资料，让学生归纳出检测果酒和果醋理化性质的指标和所用试剂、方法，从而提高学生科学分析问题、解决问题的能力。（科学思维、科学探究）
3.通过引导学生观看发酵企业的视频，让学生了解传统发酵技术与大规模发酵生产之间的联系和区别，从而在实践中领悟技术应用的社会价值和工程实施的复杂性。（社会责任）
教学重难点
重点:1.果酒和果醋的制作原理及过程。
2.果酒和果醋制作实验装置分析。
难点:果酒和果醋制作过程中发酵条件的控制。
教学方法
采用直观教学法、讲述法、实验法、讨论法等教学方法,准备PPT、实验材料等教学用具。
课时安排
1课时
教学准备
发酵瓶、榨汁机、70%酒精、新鲜葡萄等相关的实验材料用具;多媒体,白板,学案,PPT等。
导入新课
你开设的“家庭发酵小作坊”在泡菜制作和销售方面已经非常成功，现在准备扩大经营，增加果酒和果醋的生产，将传统技艺继续发扬光大，并满足社区居民对健康、美味发酵食品多样性的需求。这节课让我们一起来拓展家庭发酵小作坊的业务吧！
(设计意图:由角色扮演情境导入,能激发学生的学习兴趣,同时引出本节课要解决的问题,效果较好。)
新课讲授
任务一、制作美味的果酒和果醋
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确果酒和果醋制作的流程 【播放视频】 播放家庭作坊果酒和果醋制作视频。 观看视频。 总结果酒和果醋制作的流程和注意事项。 让学生通过提取视频中的信息来明确果酒和果醋制作流程等必备知识。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据所给实验材料和创新实验装置动手制作果酒。 进行果酒的制作，小组长完成相应实验操作评价量表。 果酒制作评价量表。 让学生亲身体验技术操作，可以提高他们的实践技能，培养合作意识。
评价交流 【引导分析】 利用问题引领的方式让学生进行小组讨论，分析果酒和果醋制作的原理和过程中的注意事项。 （1）概述果酒和果醋制作的原理。 （2）果酒发酵过程中,阀门1应处于_________（开放/关闭）状态；果醋发酵时，阀门1应处于_________（开放/关闭）状态，并从2处通入____________。 （3）果酒和果醋制作过程中哪些措施防止了杂菌污染？ 进行小组讨论，得出果酒和果醋制作的原理以及制作过程中要维持的环境调节等注意事项。分析实验结果。 小组代表展示问题答案并组间相互评价补充。 相互评价环节可以使学生对自己实验的过程和实验结果有清晰的认识，也对他们今后科学地开展实验有很好的引导作用。
任务二、评定果酒和果醋的制作质量
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确果酒和果醋的质量评价指标以及检测试剂或方法 【提供资料】 让学生阅读以下资料并回答问题。 资料1.优质葡萄酒在感官上应是颜色自然悦目、香气浓郁、余味绵长；理化上应是酒精度合理、糖分含量适度。同时优质葡萄酒对葡萄的产地和年份也有要求。 资料2.优质醋在感官上颜色透明度高、具有独特的醋香、酸味适中；理化上应是pH在3左右，以保证醋的酸度和口感。 【提出问题】 根据资料1、2归纳，可以利用哪些理化指标评价果酒和果醋制作的质量？如何检测？ （2）某同学在制作果醋时，液体表面形成了一层菌膜。该醋还能否食用？请解释原因。 阅读资料，根据旧知识思考并回答问题。 展示问题答案。 让学生通过提取资料中的信息和已有知识的回顾来归纳评价果酒和果醋质量的指标。对实验结果的分析可以增强学生对实验原理和过程的理解。
明确果酒和果醋制作过程中的区别 【布置归纳任务】 结合教材中有关果醋和果酒制作的内容，比较两者制作过程中的差异。 自主填写表格，并展示。同学间互相评价。 认识到果醋和果酒制作过程中在原理、菌种、发酵条件等多个方面存在差异。 通过比较分析让学生明白果酒和果醋发酵过程中的差异，以便学生在实践中准确地应用技术。
当堂训练的题目主要针对微生物种类与代谢类型、实验装置与操作方法以及学生的综合运用能力进行了考查。学生在解答题目的过程中，深化了微生物发酵理论知识，进一步加深了对酵母菌、醋酸菌等微生物在发酵过程中的作用及其代谢机制的理解；掌握了发酵工艺的基本要点，熟悉了发酵过程中原料的选择、处理以及发酵条件的控制，这是制作高质量发酵食品的关键；提升了实验设计与操作能力和逻辑思维与问题解决能力。
带领学生根据板书小结本节课内容。
利用pH计、显微镜及酸性重铬酸钾对果酒和果醋的pH、酵母菌的数量及酒精含量进行跟踪检测。
整个课堂设计沿用第1课时的设计思路，学生接受比较快，代入感强。实验用具准备充分，采用的实验用具是一个创新，能使果酒和果醋的发酵时间缩短。充分体现学生的主体地位，通过动手实践、小组合作等方式充分调动学生的积极性，课堂氛围活跃。能够很好地掌控时间，知识点主次分明。但没有强调自制果酒和果醋的安全问题，自制果酒操作不当可能会产生甲醇。
第1节　传统发酵技术的应用
一、制作美味的果酒和果醋
二、评定果酒和果醋的制作质量
归纳总结：果醋和果酒制作过程比较
1.葡萄酒的工业化生产流程
（1）采摘与筛选
采摘：葡萄的采摘是酿造葡萄酒的第一步，选择合适的采摘时间对葡萄酒的风味和品质至关重要。这通常需要在葡萄达到足够的成熟度后进行，以确保果实中的糖分、酸度和风味物质达到平衡。采摘方式可以是手工采摘或机械采摘，具体取决于葡萄园的条件和酒庄的需求。
筛选：采摘后的葡萄需要进行严格的筛选，以去除腐烂、干枯、不成熟以及带有叶子、叶柄的葡萄。这一步骤对于保证葡萄酒的质量至关重要。
（2）去梗与破碎
去梗：将葡萄从葡萄梗上分离，以减少苦味和不必要的杂质。这一过程可以通过机器自动完成，也可以手工进行。
破碎：将葡萄皮轻微压碎，释放果汁，为后续的发酵做准备。破碎程度会根据酒庄的酿造风格和需求而有所不同。
（3）发酵
主发酵：将葡萄汁、果皮、果肉和葡萄籽的混合物（称为酒醪）放入木桶或酒罐中，然后加入酵母菌进行发酵。发酵过程中，酵母菌将葡萄中的糖分转化为酒精和二氧化碳。控制发酵温度和时间对葡萄酒的风味有重要影响。
浸皮（主要针对红葡萄酒）：在发酵过程中，葡萄皮与果汁一起浸泡，以便从葡萄皮中萃取到所需的色素、单宁和风味物质。浸皮时间的长短会影响葡萄酒的颜色和口感。
（4）压榨
发酵完成后，将葡萄酒与果皮、葡萄籽等固体成分分离。对于红葡萄酒，压榨通常在发酵后进行；而白葡萄酒则可能在发酵前进行压榨。压榨过程中需要尽可能轻柔，以避免对酒液造成不必要的损害。
（5）苹果酸-乳酸发酵（MLF）
将葡萄酒中的尖锐苹果酸转化为更柔和的乳酸的过程。这一过程可以降低葡萄酒的酸度，增加口感的圆润度。MLF通常在酒精发酵完成后进行。
（6）熟化
将葡萄酒转移到橡木桶或不锈钢酒罐中进行熟化。橡木桶熟化可以赋予葡萄酒香草、烟熏和香料的香气；而不锈钢罐熟化则更注重保持葡萄的原始风味。熟化时间的长短取决于酒庄的酿造风格和需求。
（7）澄清与过滤
如果需要，可以对葡萄酒进行澄清和过滤，以去除酒中的杂质和悬浮颗粒。这一步骤可以使葡萄酒看起来更加明亮清澈，但可能会牺牲一些风味。
（8）装瓶
当酿酒师认为葡萄酒已经进行了足够时间的熟化和处理后，便会考虑进行装瓶。装瓶前需要对葡萄酒进行冷却和稳定处理，以防止氧化。选择合适的瓶型和封口方式对保持葡萄酒的品质非常重要。
2.发酵食品介绍
（1）发酵豆类
种类：包括酱油、豆豉、豆瓣酱、豆腐乳等。
特点：大豆经过发酵后，能产生独特的风味和功能成分。发酵过程中大豆中的抗营养因子减少，同时产生大豆多肽、大豆异黄酮等，具有抗氧化、促消化和潜在的抗癌效果。
（2）发酵乳类
种类：包括酸奶、乳酪等。
特点：通过乳酸菌等微生物的作用，牛奶或其他乳制品被转化为具有酸味的食品。这类食品有助于改善肠道健康，增强免疫力。
（3）发酵肉类
种类：包括发酵火腿、香肠等。
特点：通过特定微生物发酵，不仅延长了保质期，还增加了风味。发酵过程中产生的有益微生物群落有助于抑制有害菌的生长。
（4）发酵谷类
种类：包括甜面酱、面包、馒头、米醋、米酒、黄酒、白酒等。
特点：通过发酵，谷物中的淀粉和糖被转化为酒精或酸，同时产生了独特的风味和营养价值。例如，米醋含有乙酸、乳酸、氨基酸等多种有机酸，具有调味、保健等多种功能。
（5）发酵蔬菜
种类：包括泡菜、酸菜等。
特点：通过乳酸菌发酵产生乳酸，既保存了蔬菜，又赋予了其特有的酸爽口感，同时也提高了维生素和矿物质的生物利用率。
（6）发酵茶制品
种类：包括红茶、黑茶、乌龙茶等。
特点：茶叶经过微生物的氧化或部分发酵，形成了不同的色泽、香气和保健功能。发酵茶通常具有更强的抗氧化性和更低的咖啡因含量，适合各年龄段人群饮用。
（7）其他发酵食品
除了上述几类常见的发酵食品外，还有一些其他类型的发酵食品，如发酵水果（如葡萄酒、果醋）、发酵豆制品（如纳豆）等，这些食品同样具有丰富的营养价值和独特的风味。第1章　发酵工程
第2节　微生物的培养技术及应用
二 微生物的选择培养和计数
教学目标
1.通过引导学生分析生物与环境相适应的实例，让学生能够列出选择培养基的三种类型，分析选择培养基在特定微生物筛选中的应用，运用生物与环境相适应的原理解释培养基配方设计的科学依据，进而归纳选择培养基的概念。（生命观念、科学思维）
2.通过引导学生进行筛选土壤中分离分解尿素的细菌实验操作，让学生掌握稀释涂布平板法的原理、操作步骤及计数方法，提升学生的动手能力和科学探究精神。（科学思维、科学探究）
3.通过引导学生尝试解决生产中与微生物选择培养、计数等有关的实际问题，培养学生科学严谨的态度。（社会责任）
教学重难点
重点:1.微生物选择培养的原理。
2.土壤中分解尿素的细菌的分离与计数。
难点:土壤中分解尿素的细菌的分离与计数。
教学方法
采用教法：启发式教学、资料分析法、实验教学法、讨论法等教学方法。
课时安排
1课时
教学准备
1.培养基
本实验需要分别制备以尿素为唯一氮源的选择培养基和牛肉膏蛋白胨培养基。可在这两种培养基中加入质量浓度为1 g/L的酚红指示剂，用于初步鉴别分解尿素的细菌。选择培养基的配方可以参照教材中的配方。
2.其他材料用具
蒸馏水、体积分数为70%的酒精、取样袋（牛皮纸信封）、铁铲、锥形瓶、试管、试管架、记号笔、酒精灯、微量移液器、一次性吸液枪头等。
3.多媒体，白板，学案，PPT等。
导入新课
你开设的“家庭发酵小作坊”进行泡菜发酵时所用的原料常来自农田，而近期发现发酵产品质量不稳定。经研究，怀疑是土壤中微生物的变化影响了原料品质，尤其是土壤中分解尿素的细菌数量的波动，可能导致土壤肥力及原料成分改变，进而影响发酵效果。作为作坊厂的厂长，你需要从土壤中分离出分解尿素的细菌并计数，以分析其对发酵的影响。今天这节课让我们一起来解决这个问题吧！
新课讲授
(设计意图:由第1章的角色扮演情境贯穿导入,能激发学生的学习兴趣和引出本节课要解决的问题,效果较好。)
任务一、分离特定种类的微生物
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
分离特定种类的微生物 【提供资料】 资料1.随着微生物学研究的深入，科学家尝试以尿素为唯一氮源的培养基来筛选尿素分解菌。这种培养基的设计原理是只有能够分解尿素的微生物才能利用尿素作为氮源进行生长繁殖。通过这种方法，科学家成功地分离出了多种具有尿素分解能力的微生物。 资料2.1973年，科学家从美国黄石国家公园的热泉中筛选出水生栖热菌，这种菌能够在70~75℃的高温下生长。从这种嗜热菌中，科学家成功分离并纯化出了一种耐热的DNA聚合酶，即Taq DNA聚合酶。 【提出问题】 根据以上资料和教材P16相关内容，回答下列问题： 1.为什么水生栖热菌能从热泉中被筛选出来？ 2.资料1和资料2中分别是什么条件影响了微生物的生存？你还知道哪些条件可以影响微生物的生存？ 3.这对在实验室中选择培养特定的微生物有什么启示？ 分析所给资料，明确生物与环境相适应的观点，进而能归纳出在实验室中可创造特定条件来进行微生物的筛选，并归纳出选择培养基的概念。 小组代表展示问题答案，小组间相互指正完善。 引导学生将自然界中的选择与实验室中的筛选相对比，进而掌握选择培养基的原理。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据提供的实验材料配制筛选土壤中分解尿素的细菌的培养基 进行筛选土壤中分解尿素的细菌的培养基的配制，小组长完成酵母菌培养基的配制操作评价量表。 小组分工合作，根据实验材料，按照教材P18的配方完成配制筛选土壤中分解尿素的细菌的培养基并进行灭菌。 通过实践操作激活学生已有知识，加深对选择培养基原理的理解。
任务二、对细菌进行计数
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确消毒、灭菌的原理和方法 【提供资料】 资料3.通常1 g土壤中有几亿至几百亿的微生物，能分解尿素的细菌仅是其中的一部分。 资料4.当菌液稀释倍数足够高时，培养基表面生长的一个单菌落来源于菌液中的一个活菌。 资料5.微生物的数量测定方法主要包括直接计数法和间接计数法两种。直接计数法中显微镜直接计数法最常用，即利用血细胞计数板或细菌计数板在显微镜下直接计数微生物细胞。间接计数法中稀释涂布平板法最常用，即将微生物样品稀释一定倍数后涂布在固体培养基上，培养一段时间后，计数培养基上形成的菌落数。 【播放视频】 资料6.稀释涂布平板法操作视频。 【提出问题】 结合提供的资料和教材P19资料卡的内容，回答下列问题： 1.可否直接将制备的土壤溶液接种至选择培养基上进行尿素分解菌的筛选？ 2.补充稀释涂布平板法操作过程。 3.比较显微镜直接计数法和稀释涂布平板法。 分析所给资料，明确土壤细菌在培养之前需要稀释。观看视频，学习稀释涂布平板法的操作技术并完成相应思考题。 展示思考题答案，小组互评。 基于事实形成认知。通过视频学习新的技术，提高学生的学习兴趣，初步形成实验过程模型。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据提供的实验器具完成稀释涂布平板法操作过程。 小组分工合作进行倒平板、稀释土壤和涂布操作。小组长记录实验操作评价表。 学生规范使用涂布器、微量移液器，能严格进行无菌操作。 让学生亲身体验稀释和涂布的过程技术操作，能够提高学生的实践技能、培养合作意识和参与实践活动的自信心以及加深对实验基础知识的理解。
展示交流 【分析与讨论】 实验结果分析与讨论： 1.在每个稀释倍数下，为什么要涂布3个平板？ 2.每个稀释倍数下为什么要涂布1个完全培养基？ 3.设置空白培养基的目的是什么？ 4.进行稀释涂布操作时应注意什么？ 根据实验操作过程分析相应问题，并进行交流展示。 完成展示，明确实验注意事项。 让学生基于实验操作过程反思实验注意事项和实验中存在的科学方法教育，培养他们尊重事实、勇于质疑的科学态度。
当堂训练的题目从基本的稀释涂布平板法操作步骤，到接种、培养过程中的注意事项，再到特定微生物（如PVA降解菌）的筛选与培养，覆盖了微生物学实验中的多个重要环节。学生在解答过程中对稀释涂布平板法的操作步骤记忆得不够牢固。同时，学生通过试题也意识到了无菌操作在微生物学实验中的重要性，任何微小的污染都可能导致实验失败。
带领学生根据板书小结本节课内容。
设计实验观察记录表格，定时观察并记录数据，计算每克土壤中分解尿素的细菌数。
本节课的教学目标是让学生掌握微生物的选择培养和计数方法，理解其原理和应用。在教学过程中，采用了讲授、演示和实验相结合的方式，试图通过多种教学手段来达到教学目标。
首先，在讲授环节，详细介绍了微生物选择培养和计数的原理、方法和步骤，并强调了无菌操作的重要性。通过生动的例子和形象的比喻，试图将抽象的概念具体化，帮助学生更好地理解和掌握知识点。同时，也鼓励学生积极提问和讨论，以激发他们的学习兴趣和思维活力。
其次，在演示环节，通过视频和实物展示了微生物选择培养和计数的实际操作过程。通过演示，学生可以直观地看到微生物在培养基上的生长情况和计数方法的应用效果。同时，也引导学生观察和分析实验结果，培养他们的观察能力和分析能力。在课堂上通过“实验操作演示视频”可缩短示范时间。
最后，在实验环节，让学生亲自动手进行微生物的选择培养和计数实验。通过实验操作，学生可以更加深入地了解微生物的选择培养和计数方法，并在实践中巩固和深化所学知识。在实验过程中，也注重引导学生发现问题、分析问题和解决问题，培养他们的实验技能和创新能力。
然而，在教学过程中，也发现了一些问题。比如：由于时间限制，部分学生在实验过程中未能充分理解和掌握实验步骤，实验结果不够准确等。
第2节　微生物的培养技术及应用
二 微生物的选择培养和计数
（一）选择培养基
（二）微生物的选择培养
（三）微生物的数量测定
1.微生物的数量测定方法
（一）显微镜直接计数法
（1）细菌计数板（血细胞计数板）法
原理：利用细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下直接计数一定容积的样品中的微生物数量。
步骤：将待测样品适当稀释后，取一定量的稀释液置于计数板中，然后在显微镜下观察并计数。
特点：操作简便快捷，但测定结果既包括活菌又包括死菌，因此被称为全菌计数法。适用于单细胞微生物或丝状微生物的孢子计数。
（2）电子计数器计数法
原理：利用电子计数器的小孔只能通过一个细胞的特点，通过测定小孔中液体的电阻变化来计数微生物。细胞通过小孔时，电阻增加，形成脉冲并记录。
步骤：将待测样品稀释至适当浓度后，注入电子计数器中进行测定。
特点：测定结果较准确，但只能识别颗粒大小，不能区分是否为细菌。要求菌悬液中不含任何碎片，以免影响测定结果。
（3）染色计数法
原理：借助染料对菌体进行适当染色，使活菌和死菌呈现不同的颜色，从而在显微镜下观察并计数活菌。
步骤：将待测样品稀释后，加入适量的染料进行染色，然后在显微镜下观察并计数活菌数量。
特点：能够区分活菌和死菌，但操作相对复杂，且需要选择合适的染料和染色条件。
（二）活菌计数法
（1）平板菌落计数法
原理：取定量稀释菌悬液涂布或倾注于固体培养基上培养，一个菌落通常由一个活菌长成，因此通过计算菌落数可以得出样品中的活菌数。
步骤：将待测样品稀释至适当浓度后，取一定量的稀释液涂布或倾注于固体培养基上，然后在适宜的温度下培养一段时间，最后计数菌落数。
特点：准确度高，能够反映样品中的活菌数量。在食品、卫生及杀虫菌等微生物工作中常用。但需要掌握好菌液浓度，并使菌悬液中的个体充分分散。
（2）最大可能数法（MPN法）
原理：对未知菌样进行连续稀释，取适量稀释液接种于培养基中培养，记录每个稀释度出现生长的试管数，然后根据泊松分布原理及查表得出菌样的含菌数。
步骤：将待测样品进行连续稀释，取适量稀释液接种于多个试管中，然后在适宜的温度下培养一段时间，最后记录每个稀释度出现生长的试管数。
特点：适用于食品中微生物的检测，如饮用水和牛奶的微生物限量检查。但操作相对烦琐，需要较多的试管和培养基。
（三）间接计数法
（1）比浊法
原理：菌体的生长可使培养液产生浑浊现象，因此可用比色计或分光光度计测定培养液的浊度（用透光率或光密度OD值表示），再对照标准曲线求出菌数。
步骤：将待测样品稀释至适当浓度后，接种于培养液中培养一段时间，然后测定培养液的浊度，并根据标准曲线求出菌数。
特点：简便迅速，但菌体生长的各个阶段透光率不相同，可能导致误差，且不能用于颜色太深的样品。
（2）生理指标法
原理：通过测定与微生物生长量相平行的生理指标（如酸碱度、含糖量、产气量等）来间接反映微生物数量。
步骤：将待测样品接种于培养液中培养一段时间，然后测定相应的生理指标，并根据标准曲线或关系式求出微生物数量。
特点：能够反映微生物的生长状况，但需要建立相应的标准曲线或关系式。
（3）DNA含量测定法
原理：由于DNA在细胞生长中起重要作用，因此测定DNA含量也是研究微生物生长的一种重要化学测定法。通过提取微生物DNA并进行定量测定，可以间接反映微生物数量。
步骤：将待测样品进行适当处理，提取DNA并进行定量测定。然后根据DNA含量与微生物数量的关系求出微生物数量。
特点：能够准确反映微生物数量，但操作相对复杂且成本较高。
（四）其他方法
（1）薄膜过滤计数法
原理：利用微孔薄膜过滤法来测定空气或水中的微生物数目。将定量样品通过薄膜后，菌体被阻留在滤膜上，取下薄膜进行培养并计数。
步骤：将待测样品通过微孔薄膜进行过滤，然后取下滤膜进行培养。培养一段时间后，计数滤膜上的菌落数。
特点：适用于空气或水中微生物数量的测定，但操作相对复杂且需要特定的设备和条件。
（2）比例计数法
原理：将已知颗粒浓度的液体与待测细胞浓度的菌液按一定比例混合，在显微镜视野中数出各自的数目，从而得出未知菌液的细胞浓度。
步骤：将已知颗粒浓度的液体与待测菌液按一定比例混合后，在显微镜下观察并计数，然后根据比例关系求出待测菌液的细胞浓度。
特点：操作相对简单且成本较低，但测定结果可能受到多种因素的影响（如颗粒大小、形状等），因此准确性相对较低。
2.筛选微生物的方法
（1）单菌落挑取法
原理：利用平板划线法或稀释涂布平板法将微生物接种在固体培养基表面，根据目的微生物特有的菌落特征，如形状、大小、颜色、隆起程度等，利用单菌落挑取技术来挑选所需的微生物。
步骤：准备固体培养基并进行高温高压灭菌处理，将待筛选的微生物样品进行适当稀释，采用平板划线法或稀释涂布平板法将稀释后的微生物样品接种在固体培养基表面，在适宜的温度下培养一段时间，直到菌落形成，根据菌落特征挑选目的微生物。
（2）选择培养法
原理：利用选择培养基对微生物进行选择培养，培养基中加入特定物质以抑制不需要的微生物生长，从而直接筛选出目的微生物。
步骤：准备选择培养基并进行高温高压灭菌处理，将待筛选的微生物样品接种在选择培养基上，在适宜的温度下培养一段时间，观察并选择生长良好的菌落，这些菌落很可能是目的微生物。
（3）鉴定培养法
原理：利用鉴别培养基使目的微生物菌落呈现特有的特征，如颜色变化、形态变化等，根据这些特征进行筛选。
步骤：准备鉴别培养基并进行高温高压灭菌处理，将待筛选的微生物样品接种在鉴别培养基上，在适宜的温度下培养一段时间，观察菌落特征，根据特征筛选目的微生物。
（4）序列共培养法
原理：能够序列共培养的微生物之间往往具有协同代谢关系。根据微生物对底物的利用能力不同，按先后顺序接种并培养。既能充分发挥微生物间的协同代谢效应，又可以避免微生物间的生长竞争和抑制，从而获得更高的生物量和产率。
步骤：根据微生物的代谢特性和底物利用能力确定接种顺序，按顺序接种微生物并进行培养，监测微生物的生长情况和代谢产物。
（5）共固定化细胞混菌培养法
原理：利用共固定化生物技术将各单菌制成固定化细胞，再混在一起进行培养。可以避免微生物直接接触，既能解除微生物间的生长抑制现象，又能充分发挥各微生物代谢物之间的信息传递，从而发挥最大的应用效能，提高产品的品质和产率。
步骤：准备各单菌并进行共固定化处理，将固定化细胞混合后进行培养，监测微生物的生长情况和代谢产物。
（6）间接共培养法
原理：不同的微生物的细胞不直接接触，而是置于不同的载体上，在同一环境和体系中培养。有利于研究微生物代谢产物对相互的刺激或抑制作用，对于揭示种间的协同代谢、群体感应现象和信号分子有重要的意义。
步骤：准备不同的载体和微生物样品，将微生物样品分别接种在不同的载体上，将载体置于同一环境和体系中进行培养，监测微生物的生长情况和代谢产物。
3.污水处理中尿素分解细菌的应用
（1）尿素分解细菌的作用机制
尿素分解细菌能够水解尿素产生氨。在尿素酶的作用下，尿素首先形成碳酸铵，碳酸铵再进一步分解为NH3、CO2和H2O。这一过程中释放出的氨氮是微生物生长和代谢的重要氮源，同时也有助于调节系统的pH。
（2）尿素分解细菌在污水处理中的具体应用
①提供氮源：
尿素作为一种富含氮元素的有机物，通过尿素分解细菌的分解作用，可以为微生物提供充足的氮源，支持其生长和代谢。
在污水处理过程中，微生物需要氮源来维持其生命活动，并促进有机物的降解。尿素分解细菌通过分解尿素，加快了有机物的去除速度，提高了污水处理效果。
②参与氮磷转化：
尿素分解产生的氨氮可以参与硝化、反硝化过程，有助于降低水体中的氮含量。
同时，尿素中的氮元素还能促进微生物对磷的吸收和转化，减少磷的排放。这有助于改善水质，减少水体富营养化的风险。
③维持微生物活性：
尿素分解细菌通过提供氮源，有助于维持微生物的活性。在污水处理过程中，微生物的活性对于有机物的降解和氮磷的转化至关重要。
尿素分解细菌还可以加快生物膜的形成，促进生物反应器的稳定运行。
④调节系统pH：
尿素水解产物氨氮对系统pH具有调节作用。由于污水的pH对细菌的代谢活性有很大影响，尿素的存在可以增强系统对于进水pH变化的缓冲能力，从而保护细菌的活性。
（3）注意事项
在实际应用中，需要注意尿素的投加量和投加方式。过量投加尿素可能导致出水氮含量超标，而投加量不足则可能影响微生物的生长和代谢效果。
尿素分解细菌的活性受多种因素影响，如温度、pH、溶解氧等。因此，在污水处理过程中需要优化这些条件，以确保尿素分解细菌的最佳性能。
与其他调节剂相比，尿素具有价格相对较低、易于获取和储存等优点，能够降低污水处理成本。然而，也需要考虑尿素分解过程中可能产生的副产物及其对环境的影响。第1章　发酵工程
第2节　微生物的培养技术及应用
一 微生物的基本培养技术
教学目标
1.通过让学生观看实验视频和分析资料，学生能够列出培养基的三大种类（固体、液体、半固体），区分选择培养基、鉴别培养基的特点，准确解释高温灭菌、化学消毒的原理及适用范围。（生命观念、科学思维）
2.通过让学生进行酵母菌的纯培养实验，学生能够掌握无菌操作、培养基配制、接种、培养全过程，提升实验设计、数据分析与批判性思维能力并培养合作交流精神。（科学思维、科学探究）
3.学生能够通过分析市场上不同类型酸奶的成分、宣传标语，运用批判性思维评价益生菌的作用及其市场宣传的科学性，培养社会责任感。（社会责任）
教学重难点
重点:掌握培养基的配制步骤、无菌操作规范、接种方法（平板划线法、稀释涂布平板法），准确操作酵母菌的纯培养全过程。
难点:掌握酵母菌纯培养中消毒和灭菌、接种无菌操作、培养条件控制（温度、氧气、pH）的关键技术。
教学方法
采用教法：启发式教学、案例分析法、实验教学法等教学方法,准备PPT、实验材料等教学用具。
课时安排
1课时
教学准备
实验材料：酵母菌培养液、马铃薯、蔗糖、琼脂。
实验用具：电子天平、小刀、滤纸、烧杯、量筒、电热炉、药匙、玻璃棒、纱布、培养皿、酒精灯、锥形瓶、棉塞、废报纸、橡皮绳、高压蒸汽灭菌锅、干热灭菌箱、接种环、恒温培养箱。
多媒体,白板,学案,PPT等。
导入新课
同学们，最近有科学家发现，影响酸奶质量的关键不仅在于原材料，还在于益生菌的纯度和活性。我们的“家庭发酵小作坊”也遇到了同样的问题：如何培养出高质量的发酵菌种？今天让我们一起探索微生物的培养技术，找到提升产品质量的秘诀吧！
(设计意图:由第1章的角色扮演情境导入,能激发学生的学习兴趣,同时连贯传统发酵技术的改进和引出本节课要解决的问题,效果较好。)
新课讲授
任务一、归纳培养基的种类和营养构成
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
归纳培养基的种类和营养构成 【播放视频】 资料1.配制培养酵母菌的培养基的操作视频。 【提供资料】 资料2.牛肉膏蛋白胨培养基的营养构成 组分含量提供的主要营养牛肉膏5 g碳源、氮源、磷酸盐和维生素等蛋白胨10 g碳源、氮源和维生素等NaCl5 g无机盐H2O定容至 1 000 mL水
【提出问题】 结合提供的资料和教材P9~10的内容，分析培养微生物的培养基的种类和营养构成，并回答下列问题。 1.培养基中加入琼脂的作用是什么 请按物理性质划分培养基的种类。 2.比较培养酵母菌的培养基和牛肉膏蛋白胨培养基组成成分的异同点，归纳培养基的营养构成。 3.举例说明培养基如何满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及O2的需求。 （1）培养乳酸杆菌，需要添加______________。 （2）培养霉菌，需要______________环境。 （3）培养细菌，需要______________环境。 （4）培养厌氧微生物，需要提供______________条件。 观看视频，关注配制培养基所加的成分、培养基的物理状态，并学习配制方法。 小组代表展示问题答案，小组间相互更正完善。 让学生在感性认知的基础上理性分析归纳培养基的营养构成，培养归纳概括的能力，进一步通过实践操作，加强对基础知识的理解。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据提供的实验材料配制培养酵母菌的培养基。 进行酵母菌培养基的配制，小组长完成酵母菌培养基的配制操作评价量表。 小组分工合作，根据实验材料，按照教材P12步骤完成酵母菌纯培养培养基的制备。 通过实践操作加深对基础知识的理解。
任务二、明确消毒和灭菌的原理及方法
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确消毒和灭菌的原理及方法 【提供资料】 资料3.介绍消毒和灭菌所使用的仪器设备及操作过程视频。 【提出问题】 结合提供的视频资料和教材P11资料卡的内容，比较归纳消毒和灭菌的原理及方法，完成表格。 观看视频，关注消毒、灭菌的原理、方法和适用物品。 结合提供的资料和教材P11资料卡的内容，比较归纳消毒和灭菌的原理及方法，完成表格。 展示表格答案，小组互评。 通过比较分析让学生明确两种无菌技术的差异，以便在实践中准确地应用。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据提供的实验器具对配制的培养基进行灭菌。 小组分工合作，对配制好的培养基和培养皿进行分装、标记、包裹，然后将它们与接种工具一起进行灭菌处理。体验灭菌操作。小组长记录实验操作评价表。 学生规范使用高压蒸汽灭菌锅和干热灭菌箱。 让学生亲身体验灭菌过程技术操作，能够提高学生的实践技能，培养合作意识和参与实践活动的自信心，以及加深对实验基础知识的理解。
任务三、明确倒平板和平板划线操作的要求
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确倒平板和平板划线操作的要求 【提供资料】 资料4.酵母菌接种实验视频。 【提出问题】 根据视频资料，回答下列问题： 1.灼烧接种环后，为什么要等其冷却后再进行划线？ 2.为什么总要从上一次划线的末端开始划线？ 3.为什么最后一次划线与第一次的划线不能相连？ 4.为什么在操作的第一步以及每次划线前都要灼烧接种环？划线操作结束时，还需要灼烧接种环吗？ 观看视频，关注酵母菌接种实验的过程、关键操作步骤和注意事项。 小组代表展示问题答案，其他小组质疑补充。 对实验操作的要点进行分析，有利于学生加深对基础知识的理解，同时有利于接下来的实验能正确操作。
探究实践 【指导实践】 引导学生根据提供的实验器具体验倒平板和平板划线操作，将接种后的平板放入恒温培养箱中倒置培养。 【提出问题】 1.设置未接种平板组的意义是什么？ 2.平板为什么需要倒置培养？ 小组分工合作，对上一个小组灭菌的培养基进行倒平板操作，并在上一个小组完成倒平板的培养基上进行划线操作。小组长完成实验操作评价量表。 学生规范完成倒平板和平板划线操作。 学生利用上一个小组的实验结果继续进行实验操作，培养了学生的合作探究精神，学生亲身操作，激发了他们的学习兴趣，有利于他们掌握基础知识。
思维训练 播放酸奶发展现状引导学生思考：低温酸奶好还是常温酸奶好？含益生菌越多的酸奶越健康吗？酸奶越贵越好吗？ 学生思考回答。 学生自主回答。 通过让学生评估酸奶发展的现状，发展学生的批判性思维。
当堂训练的题目主要针对制备培养基的基本步骤、灭菌与消毒的区别、微生物接种方法以及特定微生物的筛选与纯化等知识点对学生进行评价，通过这次练习，学生可以巩固和加深对微生物学实验的本质和背后的科学逻辑的理解。题目通过模拟实验步骤和原理的考查，帮助学生将理论知识与实际操作相结合，提升实验技能。
带领学生根据板书小结本节课内容。
设计观察记录表格，记录酵母菌培养结果。
本次课程的主要目标是让学生掌握微生物的基本培养技术，包括无菌操作、培养基的制备、接种与培养等基本步骤。通过课堂讲解、实验演示和学生动手实践，大部分学生能够理解并掌握这些技术。然而，仍有少数学生在无菌操作方面存在困难，需要进一步加强练习和指导。可在课堂上设置“无菌操作分层练习”，对不同基础的学生提供针对性的指导。
在课堂上，大部分学生能够积极参与讨论和实验，表现出浓厚的学习兴趣。然而，也有少数学生因为动手操作能力欠缺显得较为被动。为了激发学生的学习兴趣，在课堂上增加了互动环节，如“实验操作竞赛”“小组协作完成实验项目”等。这些措施在一定程度上提高了学生的参与度，但仍需进一步探索更多有效的教学方法。
在课程结束后，通过问卷调查和个别访谈的方式收集了学生的反馈。大部分学生对课程内容表示满意，认为通过实验操作加深了对微生物培养技术的理解。但也有学生提出了一些建议，如延长实验时间等。这些建议对于改进教学具有重要的参考价值。
第2节　微生物的培养技术及应用
一 微生物的基本培养技术
（一）培养基的种类和营养构成
（二）消毒和灭菌的原理及方法
（三）倒平板和平板划线操作的要求
1.微生物的培养方法
微生物的培养方法多种多样，主要根据微生物的种类、对养料及环境条件的需求，以及实验或生产的具体要求来选择。
（1）根据培养时是否需要氧气分类
好氧培养：也称“好气培养”，这类微生物在培养时需要有氧气加入，否则不能生长良好。实验室中，斜面培养通过棉花塞从外界获得无菌的空气；三角烧瓶液体培养则多数通过摇床振荡，使外界的空气源源不断地进入瓶中。常用的好氧培养法包括摇床培养法、浅盘培养法和深层培养法。
厌氧培养：也称“厌气培养”，这类微生物在培养时不需要氧气参加。在厌氧微生物的培养过程中，最重要的一点是要除去培养基中的氧气。实验室常用化学还原剂或抽气机吸除培养基中的分子氧，也有用静止状态的深层培养法。在生产中常用密封式发酵罐或不通风的固体发酵法。
（2）根据培养基的物理状态分类
固体培养：将菌种接至疏松而富有营养的固体培养基中，在合适的条件下进行微生物培养。固体培养法可分为浅盘固体培养法和深层固体培养法。固体培养的优点包括原料简单、经济实惠、防止污染、酶活性较高、通气状况良好等。
液体培养：将营养物质溶解在液体中作为培养基，然后接入菌种，通过一段时间的培养得到目的产物。液体培养法可使微生物迅速繁殖，获得大量的培养物，在一定条件下还是微生物选择增菌的有效方法。液体培养法可分为浅盘液体培养法和深层液体培养法。其中，现代主要采用深层液体培养法，该法向培养液中强制通风，将空气气泡微小化，使之尽量滞留在溶液中保证氧气充足供应，缩短发酵进程，提高目的产物生产效率。
（3）其他常见的微生物培养方法
平板划线法：将微生物接种在固体培养基上，用划线工具在培养基表面划线，使微生物在培养基上生长形成单个菌落。
稀释涂布平板法：将微生物悬液梯度稀释后均匀涂布在固体培养基表面，使微生物在培养基上生长形成单个菌落。
倾注法：将微生物悬液与熔化的培养基混合，倒入平板中，使微生物在培养基中生长形成单个菌落。
液体培养法：将微生物接种在液体培养基中，使其在液体中生长繁殖。
（4）特殊培养方法
载体培养法：利用载体（如脲烷泡沫塑料）培养霉菌、酵母菌、放线菌等微生物，可以提取多种产物，如天然色素、肌苷酸、酶、抗生素、酵素等。
间歇培养法（分批培养法）：把微生物接种于一定体积的培养基上，经过培养后一次收获的培养方法。
连续培养法：不断向培养基中补充新鲜养料，并及时不断地以同样的速度排出培养物。
恒浊连续培养法：不断调节流速而使菌液浊度保持恒定。
恒化连续培养法：通过控制恒定的流速，来保证微生物恒定的生长速率。
2.酵母菌纯培养实验注意事项
（1）实验准备与无菌操作
树立无菌意识：微生物实验极易受到环境因素的干扰，因此必须树立无菌操作的意识，并严格遵守无菌操作规程。
实验材料与设备准备：准备酵母菌种、培养基、无菌操作所需的仪器和耗材（如接种环、试管、培养皿、棉塞等）。确保所有器材已经过高压蒸汽灭菌处理，并在无菌条件下保存。
环境消毒：实验前应对实验环境进行消毒，如使用紫外灯照射或喷洒消毒剂等。
（2）培养基的配制与灭菌
培养基配制：根据酵母菌的营养需求，准确配制培养基。培养基应搅拌均匀，避免局部浓度过高或过低。
灭菌处理：将配制好的培养基进行高压蒸汽灭菌，以确保无菌状态。灭菌后，待培养基冷却至适宜温度后再进行接种操作。
（3）接种与培养
接种操作：在无菌条件下，使用接种环蘸取少量酵母菌液，迅速在培养基上划线或涂布。
接种环在使用前后均需灼烧灭菌，以避免交叉污染。
培养条件：将接种后的培养基置于恒温培养箱中，设定适宜的温度（如25~30℃）进行培养。根据酵母菌的生长特性，提供适量的氧气或保持无氧环境。
（4）观察与记录
观察菌落形态：定期观察培养基上的菌落形态，注意酵母菌的生长速度和菌落特征。
记录实验数据：详细记录实验过程中的各项数据，如接种时间、培养温度、菌落数量等。
（5）注意事项与常见问题处理
避免污染：实验过程中应时刻保持无菌操作，避免手、口等直接接触培养基或接种环。如发现培养基上有杂菌生长，应立即重新进行实验。
培养条件控制：严格控制培养箱的温度和湿度，避免温度波动过大或湿度过高导致酵母菌生长异常。
接种量控制：接种量不宜过多或过少，以免影响酵母菌的生长速度和菌落形态。
培养基质量检查：在使用前应对培养基进行质量检查，确保其无菌、无杂质且营养成分均匀。
3.酸奶产品中益生菌活性比较实验方案
（1）实验目的
比较不同品牌或种类的酸奶产品中益生菌的活性，为消费者提供关于益生菌活性的参考信息。
（2）实验材料
不同品牌或种类的酸奶产品若干（至少3种，以进行对比）、无菌培养皿、无菌接种环、培养基（适合益生菌生长的培养基，如MRS培养基）、恒温培养箱、显微镜（可选，用于观察益生菌形态）、超净工作台、计时器、记录本和笔等。
（3）实验步骤
样品准备：确保所有酸奶产品均在保质期内，并存储在适当的温度下。使用无菌接种环从每种酸奶产品中取样，注意避免交叉污染。
接种：将取样后的酸奶分别接种到无菌培养皿中的培养基上。使用无菌接种环在培养基上均匀划线，以确保益生菌能够均匀分布并生长。
培养：将接种后的培养皿放入恒温培养箱中，设置适当的温度（如37 ℃）进行培养。培养时间根据益生菌的生长速度而定，通常为24~72小时。
观察与记录：在培养期间，定期观察培养皿中益生菌的生长情况。记录益生菌的生长速度、菌落形态和数量等指标。可使用显微镜观察益生菌的形态，进一步确认其种类和活性。
数据分析：根据观察结果，比较不同酸奶产品中益生菌的活性水平。可以使用统计软件对数据进行进一步分析，如计算平均菌落数、标准差等。
（4）注意事项
实验过程中需严格遵守无菌操作规范，以防止杂菌污染。培养基和恒温培养箱等实验器材需提前进行灭菌处理。酸奶样品需在取样前充分搅拌均匀，以确保取样的代表性。实验结果可能受到多种因素的影响，如酸奶中益生菌的种类、数量、活性以及培养基的成分、温度等。因此，在实验过程中需尽量控制这些因素，以确保实验结果的准确性。
（5）结论
根据实验观察和数据分析结果，可以得出不同酸奶产品中益生菌活性的比较结论。这有助于消费者在选择酸奶产品时，根据益生菌活性水平做出更加明智的选择。同时，该实验方案也可为酸奶生产商提供关于益生菌活性的参考信息，以改进产品质量和满足消费者需求。第1章 发酵工程
第3节　发酵工程及其应用
教学目标
1.通过实例分析，让学生理解发酵工程是利用微生物的生命活动进行物质转化的过程，形成生物技术与生产生活密切相关的生命观念。（生命观念）
2.学生能够通过对比传统发酵与现代发酵工程的流程，运用逻辑推理分析不同发酵条件对产物产量和质量的影响，提出优化发酵条件的科学建议，提升批判性思维能力。（科学思维）
3.学生能够通过小组合作探究酸奶发酵实验，亲历科学探究的完整过程，包括提出问题、设计实验、收集数据、分析结果和形成结论，提升科学探究能力。（科学探究）
4.关注发酵工程在多领域的应用，使学生认识其对社会发展的贡献，思考产业发展与可持续性问题。（社会责任）
教学重难点
重点：1.发酵工程的基本环节。
2.发酵工程的应用。
难点：发酵工程的基本环节。
教学方法
直观教学法，实验法，讨论法，讲授法。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体，白板，学案，PPT，鲜牛奶，乳酸菌，恒温培养箱等。
导入新课
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。
思考：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
（设计意图：由具体情境导入，通过青霉素的发现和发展，激发学生对发酵工程的兴趣，引发学生思考，引出本节课的内容。）
新课讲授
任务一、发酵工程的基本环节
【师】呈现资料1：某大型谷氨酸发酵工厂生产过程中，首先，科研人员从土壤中筛选出优良的谷氨酸棒状杆菌菌种，对其进行基因改造。接着，将玉米浆、豆饼水解液、葡萄糖等原料按特定比例配制成培养基，经过高温高压灭菌处理之后，在种子罐中对菌种进行扩大培养，达到一定菌体量后，接入发酵罐。不断通入无菌空气并搅拌，保证菌体充分接触营养物质和氧气。发酵结束后，通过离子交换树脂法等技术分离提取谷氨酸。
【师】结合发酵工程的基本流程，提出相关问题。
思考1.为什么要对菌种进行筛选和改造？和传统发酵技术所用的菌种从来源方面看有什么不同？
思考2.为什么发酵工程的生产条件比较温和？
思考3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
思考4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？为什么？
【生】结合发酵工程的基本流程，回答相关问题。
思考1.改造菌种能增强其合成目标产物的能力，提高生产效率和产品质量。
传统发酵技术所用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种，而现代发酵工程用的菌种大多是单一菌种。
思考2.发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化，而微生物代谢是在常温常压下进行的，因此发酵工程的生产条件比较温和。
思考3.传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理。在发酵工程中，如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品；如果发酵产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。　
思考4.不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备，达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为发酵过程中产生的某些气体和废弃培养液可能对人及其他生物或环境有害。
（设计意图：学生结合发酵流程及重点关注环节对实际情境中的问题进行分析，培养学生迁移应用知识的能力。让学生思考巩固知识，让更多的学生参与到课堂展示中。）
【师】归纳概括：引导学生用箭头和文字归纳概述现代发酵工程的基本环节。
【生】
（设计意图：归纳发酵工程的基本环节，帮助学生将复杂琐碎的知识结构化，构建起知识框架。）
【师】提供实验材料，由学生所学的发酵工程的基本环节设计生产酸奶的生产流程和方案。（酸奶是大家日常生活中非常喜欢的饮品。请结合发酵工程的基本环节，利用老师提供的实验材料，设计实验室制作酸奶的流程，并在课堂上进行展示和说明）
【生】根据提供的材料和所学内容，设计实验方案和发酵流程，小组展示。
【师】教师对学生展示的发酵流程和实验方案进行评价和指导。
发酵环节：
实验流程：
1.消毒及灭菌：将不锈钢锅、玻璃棒、玻璃广口瓶等器具清洗干净后，放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌，牛奶采用巴氏消毒法消毒。
2.接种：冷却牛奶至40~42℃，加入50 mL市售原味酸奶并用玻璃棒搅拌。
3.密封发酵：标记好接种时间，然后将广口瓶密封，放入恒温培养箱，设置温度为40~42℃，发酵4~6小时。
4.收获产品：每间隔1小时，观察并记录酸奶状态，当酸奶达到合适凝固状态时，放入冰箱冷藏室（4℃左右）冷藏2~4小时，使酸奶口感更细腻、风味更浓郁。
【生】对酸奶的发酵流程和实验方案进行修正。
（设计意图：设计评价任务，从知识理解维度和知识应用维度设置问题，通过具体情境设计问题，学生分析和小组合作探究，体验科学探究的过程，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。）
评价设计：
评价要素 等级A 等级B 等级C 小组互评 教师评价
内容要求 能正确设计出进行酸奶发酵的流程图，结合材料呈现完整的实验方案设计 能较完整设计出进行酸奶发酵的流程图，结合材料呈现较完整的实验方案设计 不能较完整设计出进行酸奶发酵的流程图，不能呈现较完整的实验方案设计
任务二、发酵工程的应用
【师】呈现资料2：啤酒是以大麦为主要材料经酵母菌发酵制成的。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
【师】提出相关问题。
思考1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要先通气后密封？
思考2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果发酵罐密封不严会使啤酒变酸，这是发生了什么变化？
思考3.与传统的手工发酵相比，在上面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
（设计意图：联系实际，对比啤酒工业化生产与传统手工发酵的优点。分析问题，解决问题，提高学生学习的积极性。）
【合作交流】现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
（设计意图：联系实际，了解生活中“精酿”啤酒和“工业”啤酒的区别，从实际出发，巩固所学知识，学生利用所学知识对社会现象及问题作出科学的解释和判断，提升学生的批判性思维。）
【生】阅读教材P24~27，自主学习，分组讨论，举例概括发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业及其他方面的应用，并完成相关表格。
【师】通过表格的形式梳理发酵工程的应用。
（设计意图：使学生关注发酵工程在多领域的应用，认识其对社会发展的贡献，思考产业发展与可持续性问题，训练学生的概括总结能力。）
【师】设计实验操作任务：结合任务一中同学们设计完善的实验室制作酸奶的流程，小组合作，开展实验室中酸奶的发酵制作。
评价设计：
评价内容 等级A 等级B 等级C 教师评价
严格遵守无菌操作原则，防止杂菌污染
精准控制温度，规范称量过程
依照设计流程，小组成员分工明确
严格做好密封处理，有效做好标记
实验现象（酸奶是否凝固，是否有异味），结果分析（产品pH，口感和质地）
（设计意图：利用演示实验强调规范操作的要求和重要性，帮助学生加深对发酵工程基本环节和应用的理解。真正动手实践可以培养学生严谨、认真的态度和规范操作水平，提升学生的科学探究能力。）
【师】回顾、梳理和总结本节课所学知识。
【生】构建本节课的知识框架并展示交流。
完成学案中的当堂训练。
完成课后作业（30分钟）。开展小组研学活动，对当地的发酵生产企业从产品、效益等方面进行调研。
从生活情境引入，逐步深入到发酵原理、流程等核心知识，这种由浅入深的设计，激发了学生主动探索知识的欲望，课堂氛围活跃。实验室中自制酸奶实验方案的设计与实施成为一大亮点，学生全程参与，始终将学生置于主体地位，让学生掌握发酵流程及发酵工程的应用。
本堂课也存在不足。时间把控不够精准，实验操作耗时较多，导致发酵工程实际应用部分讲解仓促，学生讨论不够充分。在教学方法上，对基础薄弱学生关注不足，小组讨论时部分学生参与度不高，未能及时给予指导。通过“课前操作演示视频”缩短课堂实验操作时间，通过“小组讨论模板”提升学生讨论的深度和效率。同时，建议在教学过程中引入“时间控制环节”，例如通过倒计时提醒学生把控每个活动的进度。
第3节　发酵工程及其应用
一、发酵工程的基本环节
1.选育菌种
2.扩大培养
3.培养基的配制、灭菌
4.接种
5.发酵罐内发酵（中心环节）
6.分离、提纯产物
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
2.在医药工业上的应用
3.在农牧业上的应用
4.在其他方面的应用
一、影响发酵生产的因素
发酵生产过程中，以下因素会影响发酵效果。
1.菌种
发酵是利用微生物来生产产品的，因此菌种至关重要。现在工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，用于生产味精的微生物是谷氨酸棒状杆菌，用于生产柠檬酸的微生物主要是黑曲霉。这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。利用发酵技术生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，必须在实验室里对几百株、几千株微生物进行筛选。即使得到了产生特定产物能力的菌株，其生产能力和性能也不一定能够满足生产的需要，还须经过诱变选育得到高产、性能优良的菌种。即使利用基因工程构建的具有特殊生产能力的工程菌，也还要对其进行仔细研究，全面了解产生产物的规律、影响菌株产生产物的各种因素和它们之间的关系以及控制办法，并在实验室里进行验证和扩大规模的验证，才能够用于生产。在大规模工业生产上有了优良的生产菌种还不够，还必须通过适当的措施获取足够量的菌种。
2.发酵培养基
现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要，因为没有大量的细胞就不能产生大量的产物；但是细胞的过度生长会消耗大量的营养物，有时还会影响细胞的生产能力，会使产物的产量和产率下降，使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。因此，培养基的组成十分关键。
3.纯种发酵与灭菌
现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。
发酵涉及的设备，如发酵罐、空气过滤系统、管道、阀门、取样设备等均必须用120 ℃以上的高压蒸汽进行彻底灭菌，把存在的所有微生物杀死。配制好的培养基在进入发酵罐之前要加热到120 ℃以上进行灭菌，或进入时采用连续高温灭菌的方法进行灭菌，即将与发酵关联的所有系统进行灭菌，然后使系统降温到发酵温度后，接入菌种，开始发酵。只有这样才能保证接入的菌种不受污染，进行正常发酵。如果灭菌不彻底，哪怕有很少量的杂菌没有被杀死，也会在发酵过程中大量繁殖，造成污染，导致发酵失败。
4.温度对微生物生长的影响
温度主要通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。一方面，随着温度的升高，细胞内的酶促反应速率加快；另一方面，随着温度的进一步升高，生物活性物质（蛋白质、核酸等）发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。所以，每种微生物都有最适生长温度。作为整体，微生物可在-10~95 ℃范围内生长，极端下限为-30 ℃，极端上限为300 ℃。但对于某种特定的微生物来说，则只能在一定的温度范围内生长。温度下限和上限分别称为微生物的最低和最高生长温度。当低于最低生长温度或高于最高生长温度时，微生物就会停止生长，甚至死亡。
需要指出的是，微生物不同的生理活动需要在不同的温度条件下进行，所以，生长速率最快、发酵速度最快、代谢物积累速度最快的温度往往不是同一温度。例如，乳酸链球菌在34 ℃时繁殖速度最快，25~30 ℃时细胞产量最高，40 ℃时发酵速度最快。其他微生物也有类似的特点。
在较高温度下，细胞分裂虽然较快，但维持时间不长，容易老化；相反，在较低温度下，细胞分裂虽然较慢，但维持时间长，细胞的总产量反而较高。
同样，发酵速度与代谢物积累之间也有类似的关系。研究不同微生物在生长或积累代谢物阶段时的最适温度，采用变温发酵，对提高发酵生产效率具有重要意义。
5.pH对微生物生长的影响
培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷的变化，以及影响营养物质的离子化程度，从而影响微生物对营养物质的吸收；pH也会影响生物活性物质，如酶的活性。
与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、最适生长pH和最高生长pH。不同微生物对环境pH适应的范围不同。一般微生物生长的最适pH在4.0~9.0范围内。真菌生长的最适pH范围宽，细菌较窄，细菌、放线菌一般适于生活在中性偏碱性环境，而酵母菌、霉菌适于生活在偏酸性环境。最适生长pH偏酸性的微生物，称为嗜酸性微生物；其中不能在中性环境生长的称为专性嗜酸微生物，如乳酸杆菌和假单胞杆菌；既能适应酸性，也能在中性环境中生长的称为兼性嗜酸菌；最适生长pH偏碱性的称为嗜碱性微生物，如链霉菌。
同一种微生物在不同的生长阶段和不同生理生化过程中，对环境pH也有不同要求。如丙酮丁醇梭菌在pH为5.5~7.0时，以菌体生长繁殖为主；pH为4.3~5.3时，才进行丙酮丁醇发酵。
同一种微生物由于培养环境的pH不同，可能积累不同的代谢产物。如黑曲霉在pH为2~3的环境中发酵蔗糖，产物以柠檬酸为主，只产生极少量的草酸；当pH接近中性时，则大量产生草酸，而柠檬酸产量很低。又如酵母菌在最适pH时，进行乙醇发酵，不产生甘油和乙酸；如果环境pH大于8，发酵产物除乙醇外，还有甘油和乙酸。因此，在发酵过程中，根据不同目的，采用改变pH的方式，可以控制产物和生产效率。
大多数微生物能分解糖，产生酸性物质，造成pH下降。少数微生物能将尿素分解成氨，使环境pH上升，蛋白质脱羧反应也会使pH上升。所以，微生物的代谢活动会改变环境的pH，影响其生存。pH变化的程度与培养基的C/N比有关，C/N比高，则pH下降明显；反之，pH有可能会上升。有时为了控制发酵液的pH，需要加入酸或碱进行调节。
6.溶解氧的影响
工业上大部分为好氧发酵，如抗生素、氨基酸、维生素、多糖、有机酸（细菌发酵生产乳酸除外）等发酵均需要往发酵液中通入无菌空气，以满足微生物生长代谢过程对氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的细菌发酵为厌氧发酵，发酵过程不需要氧。
对于好氧发酵的工业生产，如何保证发酵液中氧的供给，满足微生物对氧的需求，使氧的供需矛盾不会成为生产的限制因素，是稳定和提高生产、降低成本的关键之一。在发酵过程中氧的供给够不够，仅凭通气量的大小是难以确定的。随着发酵过程中微生物的繁殖、营养物质的消耗和代谢物的积累，发酵液的物理、化学和生物学性质均会发生改变，这时尽管通气量不变，氧在培养基中的溶解速度和浓度均会发生变化。为了了解和掌握氧对发酵的影响，最简单有效的办法是就地测定发酵液中的氧浓度，从氧浓度的变化情况了解氧的供需规律和它的变化对生产的影响。
在好氧发酵时，氧的不足会造成代谢异常，产量降低。为什么氧会成为限制因素，而不是其他营养物 关键是与其他营养物相比，氧在溶液中的溶解度和溶解速度很低，如果不采取适当措施，氧的供给就会成为限制因素。
微生物在不同发酵阶段，因其生长、代谢水平的变化，对氧的需求量也有变化，因此，控制发酵液的溶解氧可以达到提高生产水平的目的。
发酵液中溶解氧浓度可以通过控制通气量、罐压、搅拌速度等控制。
可以看出，发酵过程对周围环境的物理和化学条件十分敏感，任何一种微生物发酵均需要适当的温度、pH、溶解氧、营养物等，保证最适的发酵条件是成功获得高产产品的关键。
二、发酵工程在能源开发利用方面的应用
能源是人类生存和发展的重要物质基础。煤、石油和天然气等不可再生的化石能源在满足人类需求的同时，也带来了很多污染问题。开发利用可再生清洁能源已成为不少国家能源发展战略的重要组成部分。发酵工程在沼气、燃料乙醇、氢气等新能源开发方面有重要的应用价值。
1.沼气发酵
沼气发酵是指有机物在厌氧菌的作用下产生沼气的过程。沼气是一种混合气体，主要成分是甲烷，还有二氧化碳、硫化氢、氮气等其他成分。沼气是一种清洁且高效能的气体燃料，经净化、提纯后，可作为生物天然气。沼气发酵过程可分为三个阶段：水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。第一阶段，某些细菌在厌氧条件下将多种有机物水解为可溶性有机物。这些参与发酵的细菌是复杂的混合菌群，大多数为专性厌氧菌，也有兼性厌氧菌。第二阶段，严格厌氧的产氢产乙酸菌将上一阶段的产物转化为乙酸、氢气和二氧化碳等，这些乙酸是后续产生大量甲烷的物质基础。第三阶段，严格厌氧的产甲烷菌利用一碳化合物、乙酸和氢气生成甲烷。这三个阶段相互连接、交替进行，各类微生物相互依赖又相互制约。我国从20世纪70年代就开始推广使用沼气，沼气工程的发展主要集中在酒厂沼气工程和禽畜粪便沼气工程两个方面。
2.微生物发酵制取燃料乙醇
微生物发酵制取乙醇是生产燃料乙醇的主要方法。用该方法生产乙醇的基本过程为先将原料转化为六碳糖和五碳糖，然后在无氧条件下，经过酵母菌等微生物的代谢产生乙醇，最终提纯乙醇。能将六碳糖和五碳糖发酵产生乙醇的微生物有所不同。工业上，应用较为成熟的六碳糖乙醇发酵菌种主要是一些酵母菌和细菌，以酿酒酵母和运动发酵单胞菌为代表，两者的转化途径不同。木糖是木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种五碳糖，有些酵母菌、细菌或丝状真菌能够代谢木糖。目前，用来生产燃料乙醇的原料主要是甘蔗、甜菜等糖料作物和木薯、马铃薯、玉米等淀粉作物，由于其中一些作物同时也是人类的粮食来源，因此不可能过多地用它们来生产燃料乙醇。近年来，用木质纤维素类生物材料生产燃料乙醇的发酵工艺取得了重大进展，该工艺使用了能产纤维素酶且能发酵产乙醇的双功能单一菌株，可以有效提高乙醇产量、缩短反应时间，具有很大的应用潜力。
3.微生物发酵制氢
氢气在燃烧过程中不产生二氧化碳，清洁无污染，被称为未来的理想燃料。生物制氢是通过高效产氢细菌把自然界储存于有机化合物中的能量转化为氢气的技术。生物制氢有多种方法，与发酵有关的方法包括光发酵产氢、暗发酵产氢等。目前，这些方法产氢效率都不太高，尚未进入产业化发展阶段。发酵工程
章末复习课
教学目标
1.通过对发酵工程原理和应用的复习，让学生理解微生物代谢与发酵工程的关系，构建生命活动的物质和能量观。（生命观念）
2.通过分析啤酒工业化生产的流程图，设计改进发酵效率的具体方案，培养学生的资料分析与实验设计能力。（科学思维）
3.回顾微生物选择培养与计数的实验操作，提升学生的实验设计、数据分析和结果讨论的能力，培养他们的科学探究精神。（科学探究）
4.基于发酵工程在食品安全、环境保护中的实例，提出可行性建议，体现社会责任感与可持续发展意识。（社会责任）
教学重难点
重点:1.传统发酵食品发酵的基本原理及制作泡菜、果酒、果醋。
2.微生物纯培养的基本操作，微生物选择培养的原理。
3.微生物的分离和计数。
4.发酵工程的基本环节。
难点:1.微生物纯培养的基本操作。
2.微生物的分离和计数。
教学方法
讲述法、谈话法、练习法等教学方法。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体，学案，PPT等。
情境导入
酒的发酵蕴含着深厚的优秀传统文化。《尚书》中便有关于酒的记载，古人用曲蘖酿酒，曲是糖化发酵剂，蘖则是发芽的谷物，这一独特工艺，领先世界数千年。从生物学原理看，酿酒利用了酵母菌的无氧呼吸，将糖类转化为酒精。这一过程既彰显了古人对微生物的巧妙运用，也承载着民族的智慧与情感。
（设计意图：以中国古代酒的发酵情境导入，展现中华民族智慧的结晶。在发酵工程教学中融入这些内容，能让学生深切感受到传统文化的魅力，增强民族自豪感与文化自信。从原料选择、微生物培养到发酵条件控制等，都为发酵工程提供了生动案例。）
任务一、传统发酵技术与发酵工程
请结合教材知识，阅读资料，完成学案内容。
【师】呈现资料1：黄酒是世界上最古老的酒类之一，源于我国，且唯我国有之，与啤酒、葡萄酒并称世界三大古酒。古遗六法中描述：“黍米必齐，曲蘖必时，水泉必香，陶器必良，湛炽必洁，火剂必得。”曲蘖主要指酒曲，湛炽是指浸泡和蒸煮。
提出下列问题：
（1）“陶器必良”和“火剂必得”的目的是什么？
（2）黄酒发酵过程中，不需要对黍米和陶器装置进行严格灭菌，却可以防止其他杂菌对发酵产生影响，为什么？
（3）“陈储”是指将榨出的黄酒放入储酒罐内存放待用，陈储要特别注意密封，为什么？
（4）黄酒的酒精度数一般为15度左右，酒精度数无法继续提高的可能原因是什么？
【生】结合发酵技术及其应用，回答以上提问。
（1）控制发酵过程的氧气和温度等条件。
（2）在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到抑制（且发酵产生的酒精对其他杂菌也有毒害作用）。
（3）若是密封不好，则醋酸菌容易将酒精转化为乙酸，使黄酒变酸。
（4）酒精浓度升高导致酵母菌活性下降。
【师】呈现资料2：我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，啤酒的工业化生产采用大规模自动化设备和先进工艺，能快速高效地完成从原料处理到包装的全过程，可大量生产啤酒以满足市场需求。
阅读教材“啤酒的工业化生产流程”，提出下列问题：
1.完善啤酒发酵的工业化生产流程及操作目的。
2.(1）制作过程需促使大麦种子萌发，发芽大麦合成大量淀粉酶直接促进糖化，淀粉糖化后啤酒酵母才能充分发酵，为什么？
（2）大麦发芽会消耗部分储存的有机物，影响产量，提高了生产成本，如何解决以上问题？
（3）与传统的手工发酵相比，在啤酒的工业化生产流程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
【生】结合发酵工程中的相关知识，回答相关问题
2.（1）酵母菌不能直接利用淀粉作碳源。
（2）用赤霉素处理大麦，可以使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶。
（3）接种单一高质量纯种、严格的消毒灭菌措施、培养基营养物质协调、严格的发酵条件控制等，都可使啤酒的产量和质量明显提高。
【师】依据所学内容，自主完成拓展训练1和归纳总结中“比较传统发酵技术与发酵工程”内容，完成后小组讨论进一步完善表格内容。
【生】自主完成拓展训练1、归纳总结中的表格，进行小组讨论完善答案，进行小组展示。
评价设计：
根据学生拓展训练1的作答情况及归纳总结表格的完成情况，通过学生互评、教师点评检测学生对传统发酵技术及发酵工程这部分内容的掌握情况。
评价要素 等级A 等级B 等级C 学生互评 教师评价
内容要求 能正确分析各个选项并能准确总结传统发酵技术与发酵工程的区别 能得出拓展训练1准确答案并大致说出传统发酵技术与发酵工程的区别 不能得出拓展训练1准确答案，不能说出传统发酵技术与发酵工程的区别
（设计意图：从本部分高考试题的考查点入手，对于酒的发酵技术的考查较多。通过设计酒的传统发酵与啤酒的工业化生产两个案例分析，回顾复习传统发酵技术及发酵工程的相关基础知识，进一步对所学知识进行应用迁移，培养社会责任意识。通过学生的自主归纳、实例分析，提高学生的合作探究能力。）
任务二、微生物的培养技术及应用
【师】呈现资料3：发酵生产啤酒的过程中，杂菌产生的微量副产物是啤酒“上头”的原因之一，可采用平板划线法对酵母菌进行纯化。在发酵生产啤酒的过程中，要随时检测培养液中的酵母菌数量、产物浓度等，以了解发酵进程。
A B
（1）上图中的两种纯化结果分别是用什么方法得到的？
（2）在划线操作结束时，仍然需要灼烧接种环吗？为什么？
（3）在稀释涂布平板法中，为何需要至少涂布3个平板？
（4）丙同学在稀释倍数为106的培养基中测得平板上菌落数的平均值为234个（涂布平板时所用稀释液的体积为0.1 mL），那么稀释倍数为106的试管中细菌的浓度是
个/mL，每克样品中的细菌数是 个。
（5）两种方法接种结束后，为什么都要将一个未接种的培养基和已接种的培养基放在一起培养？未接种的培养基表面如果有菌落生长，说明了什么？
（6）培养过程中抽样检测活菌数量时，应采用 （填“稀释涂布平板法”或“显微镜直接计数法”），其原因是什么？
【生】结合所学知识回答相关问题。
（1）A.平板划线法，B.稀释涂布平板法。
（2）需要；划线结束后灼烧接种环，能及时杀死接种环上残留的菌种，避免污染环境和感染操作者。
（3）作为重复实验，统计时取平均值，以减少偶然因素对实验结果的影响，增强实验结果的说服力。
（4）2.34×103 2.34×109
（5）培养未接种的培养基的作用是作对照，未接种的培养基经过培养后无菌落生长，说明培养基的制备是成功的；若有菌落生长，则说明培养基灭菌不彻底，或培养基被污染了，需要重新制备。
（6）稀释涂布平板法 用稀释涂布平板法在培养基上看到的每一个菌落都来自一个活细胞，而显微镜直接计数法会将死亡的细菌也计算在内。
【师】依据所学内容，自主完成拓展训练2和归纳总结中“区分选择培养基和鉴别培养基”的内容，完成后小组讨论进一步完善表格内容。
【生】自主完成拓展训练2、归纳总结中的表格，进行小组讨论完善答案，进行小组展示。
【归纳总结】
种类 特点 用途 举例
选择培养基 允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长 从众多微生物中分离所需的微生物 以尿素为唯一氮源的培养基分离得到尿素分解菌
鉴别培养基 根据微生物的代谢特点在培养基中加入某种指示剂或化学药品，进而产生特定的颜色或其他变化 鉴别不同种类的微生物 用伊红—亚甲蓝培养基鉴别大肠杆菌
评价设计：学生拓展训练2的完成情况和对选择培养基及鉴别培养基的总结。
评价要素 等级A 等级B 等级C 教师评价
内容要求 能正确分析各个选项并能准确总结两类培养基的特点、用途、实例 能得出拓展训练2准确答案并大致说出两类培养基的特点、用途、实例 不能得出拓展训练2准确答案，不能说出两类培养基的特点、用途、实例
（设计意图：回顾微生物选择培养与计数的实验操作，对纯化微生物的方法进行比较，掌握微生物的培养、分离和计数相关内容。利用拓展训练和归纳总结内容，对选择培养基和鉴别培养基的知识进行巩固，提升学生数据分析和结果讨论的能力，提升他们的科学思维。）
完成学案中的当堂训练。
完成课后作业（30分钟）。
在本节发酵工程的章末复习课中，以我国优秀传统文化中酒的发酵为大情境导入，构建各模块思维导图与小组讨论相结合的方式，引导学生梳理知识框架，成效显著。学生积极参与讨论，不仅加深了对重点知识的理解，还提升了团队协作能力。课堂上，还运用了大量实例，帮助学生将抽象的生物技术知识与生活实际联系起来，激发了他们的学习兴趣，提高了应用知识的能力。
课程也存在一些不足。一是时间把控不够精准，导致部分拓展内容讲解仓促，学生吸收效果不佳。二是对学生个体差异关注不足，基础薄弱的学生在复杂知识点上仍有困惑，后续辅导需要加强。三是课堂互动形式稍显单一，主要以提问和小组讨论为主，可增加更多样化的互动等，进一步提升学生参与度。可以在教学中设置好教学环节时间分配表，具体分析“讲解、操作、讨论、评价”各环节的时间比例，通过“压缩教师讲述时间、提升学生动手实践时间”优化课堂效率。设计“分层次实验任务”，为不同水平的学生设置“基础版”“挑战版”实验操作，帮助学困生在完成基础操作后逐步挑战更高阶任务。增加“互动形式的多样化”反思，例如引入“情境角色扮演”“实验情境模拟”等新颖的互动形式，通过“角色互换”“小组竞赛”等方法提升课堂参与度。
发酵工程章末复习课
一、传统发酵技术与发酵工程
1.传统发酵食品发酵的基本原理及制作
2.发酵工程的过程
3.传统发酵技术与发酵工程的比较
二、微生物的培养技术及应用
1..微生物纯培养的技术分析
2.微生物的计数
3.选择培养基与鉴别培养基的比较
一、发酵工程近五年考题分布
2020年山东卷第12题、2020年山东卷第20题、2021年山东卷第12题、2021年山东卷第14题、2021年山东卷第20题、2022年山东卷第14题、2022年山东卷第20题、2023年山东卷第12题、2023年山东卷第15题、2023年山东卷第20题、2024年山东卷第14题。
通过近五年试题分析发现,应用微生物的分离纯化技术可以解决很多社会关注度高的生产、生活、健康方面的热点问题，这使得生物技术与工程在赢得普通大众关注的同时,也赢得了高考命题专家的青睐,成为当下热门的“高频考点”。
二、相关高考题
1.（2023山东高考） 平板接种常用在微生物培养中。下列说法正确的是（ ）
A. 不含氮源的平板不能用于微生物培养
B. 平板涂布时涂布器使用前必须进行消毒
C. 接种后未长出菌落的培养基可以直接丢弃
D. 利用以尿素为唯一氮源的平板能分离出合成脲酶的微生物
【答案】D
【详解】不含氮源的平板可用于固氮菌的培养，A错误；平板涂布时涂布器使用前必须浸在酒精中，然后在火焰上灼烧灭菌，这种操作属于灭菌，不属于消毒，B错误；使用后的培养基即使未长出菌落也要在丢弃前进行灭菌处理，不能直接丢弃，以免污染环境，C错误；脲酶可以催化尿素分解，在以尿素为唯一氮源的平板上，能合成脲酶的微生物可以分解尿素获得氮源而进行生长繁殖，但是不能合成脲酶的微生物因缺乏氮源而无法生长，因此以尿素为唯一氮源的平板能分离出合成脲酶的微生物，D正确。
2.（不定项）（2023山东高考） 果酒的家庭制作与啤酒的工业化生产相比，共同点有（ ）
A. 都利用了酵母菌无氧呼吸产生酒精的原理
B. 都需要一定的有氧环境供发酵菌种繁殖
C. 发酵前都需要对原料进行灭菌
D. 发酵结束后都必须进行消毒以延长保存期
【答案】AB
【详解】二者均利用了酵母菌进行无氧呼吸产生酒精的原理，A符合题意；发酵前期，均需要一定的有氧环境，使酵母菌大量繁殖，B符合题意；果酒的家庭制作不需要对原料进行灭菌，C不符合题意；果酒的家庭制作不需要进行消毒，D不符合题意。
3.（不定项）（2022山东高考） 啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法正确的是（ ）
A. 用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶
B. 焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌
C. 糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵
D. 通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期
【答案】ACD
【详解】赤霉素能促进种子的萌发，据此可推测若用赤霉素处理大麦，可诱导α-淀粉酶相关基因的表达，促进α-淀粉酶的合成，进而使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶，A正确；焙烤可以杀死大麦种子的胚，但不使淀粉酶失活，没有进行灭菌，B错误；糖浆经蒸煮（产生风味组分、终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌）、冷却后再接种酵母菌进行发酵，防止高温杀死菌种，C正确；转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期，属于转基因技术在微生物领域的应用，D正确。
4.（2021山东高考） 解脂菌能利用分泌的脂肪酶将脂肪分解成甘油和脂肪酸并吸收利用。脂肪酸会使醇溶青琼脂平板变为深蓝色。将不能直接吸收脂肪的甲、乙两种菌分别等量接种在醇溶青琼脂平板上培养。甲菌菌落周围呈现深蓝色，乙菌菌落周围不变色，下列说法错误的是（ ）
A. 甲菌属于解脂菌
B. 实验中所用培养基以脂肪为唯一碳源
C. 可将两种菌分别接种在同一平板的不同区域进行对比
D. 该平板可用来比较解脂菌分泌脂肪酶的能力
【答案】B
【详解】根据题干信息“甲菌菌落周围呈现深蓝色”，说明甲可以分泌脂肪酶将脂肪分解成甘油和脂肪酸，脂肪酸会使醇溶青琼脂平板变为深蓝色，因此甲菌属于解脂菌，A正确；乙菌落周围没有出现深蓝色，说明乙菌落不能产生脂肪酶，不能利用脂肪为其供能，但乙菌落也可以在培养基上生存，说明该培养基不是以脂肪为唯一碳源，B错误；可将两种菌分别接种在同一平板的不同区域进行对比，更加直观，C正确；该平板可用来比较解脂菌分泌脂肪酶的能力，观察指标可以为菌落周围深蓝色圈的大小，D正确。
5.（2020山东高考） 在实验室中可利用酵母菌发酵的方式制作葡萄酒，下列说法正确的是（ ）
A. 葡萄糖在酵母菌细胞的线粒体内被分解
B. 制作葡萄酒时酵母菌先在有氧条件下大量增殖
C. 制作过程中酵母菌始终处于碱性环境
D. 酵母菌的发酵产物不会抑制自身的代谢活动
【答案】B
【详解】利用酵母菌发酵的方式制作葡萄酒时，酵母菌进行无氧呼吸，葡萄糖在酵母菌的细胞质基质内被分解，A错误；酵母菌繁殖需要空气，在完全隔绝空气的情况下，酵母菌繁殖几代就停止了，要维持酵母菌长时间发酵，必须供给一定的氧气，故制作葡萄酒时酵母菌先在有氧条件下大量增殖，B正确；酵母菌发酵的后期，由于产生的CO2和其他代谢产物的积累，发酵液呈酸性，C错误；酵母菌发酵产生的酒精会对酵母菌的生长产生抑制作用，D错误。第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
二 植物细胞工程的应用
教学目标
1.通过让学生分析植物细胞工程在农业、医药的应用，构建这些应用涉及的技术流程模型，并归纳出应用的优势。（生命观念、科学思维）
2.通过资料分析、问题讨论和模型构建，培养学生运用植物细胞工程技术解决实际问题的能力。（科学思维、科学探究）
3.培养学生保护濒危植物和可持续利用生物资源的意识，并提升沟通与合作能力。（社会责任）
教学重难点
重点：
1.单倍体育种和突变体育种的原理及优缺点。
2.通过紫杉醇生产的案例，掌握细胞产物工厂化生产的原理、流程及其在实际生产生活中的应用。
难点：
1.通过实验视频和模型构建，理解植物组织培养技术的操作细节和实际应用。
2.通过问题讨论和案例分析，理解单倍体育种和突变体育种的原理及优缺点。
教学方法
采用直观教学法、启示法、讨论法等教学方法，准备PPT。
课时安排
1课时
导入新课
展示“手指植物”的图片，提问：“手指植物”存活需要什么条件？
(设计意图:通过真实情境激发兴趣，明确学习目标，提高科学探究的角色代入感。)
任务一：植物繁殖的新途径
1.教学任务：学生能解释植物快速繁殖的原理，能描述作物脱毒的方法和意义。
2.教学实施
教师活动: 展示铁皮石斛和草莓的图片及资料，引导学生阅读教材第39~40页内容，引导学生分析植物组织培养在快速繁殖和作物脱毒中的应用，解决学案问题：“1.农场需快速繁殖铁皮石斛，植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？2.农场种植的草莓感染病毒，科学家建议用“茎尖脱毒技术”培养脱毒苗。培养过程中为什么要进行作物脱毒？如何进行作物脱毒？3.脱毒苗是否等同于抗病毒植株？为什么？”
（答案：1.植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行有丝分裂，细胞分裂速度较快，从而获得大量的组织细胞，然后不断地分割、移瓶、诱导再分化形成新植株。植物组织培养在实验室进行，受季节、气候等条件限制较小。2.对于无性繁殖的作物，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差。植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植物就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。3. 脱毒苗不等同于抗病毒植株。“脱毒”与“抗毒”不同，前者指的是本身病毒少，甚至无病毒，而后者指的是能抵抗病毒的感染。）
学生活动
①自主阅读教材第39~40页“植物繁殖的新途径”部分，结合资料思考并回答学案问题：
“1.农场需快速繁殖铁皮石斛，植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？2.农场种植的草莓感染病毒，科学家建议用“茎尖脱毒技术”培养脱毒苗。培养过程中为什么要进行作物脱毒？如何进行作物脱毒？3.脱毒苗是否等同于抗病毒植株？为什么？”
②分组讨论，总结植物组织培养技术在快速繁殖和作物脱毒中的优势。
③小组代表分享讨论结果。
3.评价设计：根据学生的讨论结果和分享内容，评价其对植物组织培养技术在快速繁殖和作物脱毒中的优势的理解程度。植物组织培养技术广泛应用于草莓、马铃薯等经济作物的脱毒繁殖，能够有效提高产量和品质。
（设计意图：通过案例分析和讨论，帮助学生理解植物组织培养技术的实际应用价值，并培养其批判性思维能力。）
任务二、作物新品种的培育
1.教学任务：组织活动让学生能准确完成玉米单倍体育种流程图的填空，能利用植物组织培养技术构建培育彩色马铃薯新品种的模型。
2.教学实施
教师活动
①展示玉米单倍体育种流程图，讲解单倍体育种的步骤。
提问：单倍体育种如何提高育种效率？在杂交育种中如何应用？
②提供彩色马铃薯培育的资料，引导学生利用植物组织培养技术构建突变体育种的流程模型，思考突变体育种的原理是什么？请结合基因突变类型分析，突变体在育种中的优点是什么？有哪些可能的局限性？
学生活动:
①阅读教材第40~41页“作物新品种的培育”部分，结合资料思考并回答学案问题。
“单倍体育种有哪些优点？突变体育种的原理是什么？突变体利用的优点、缺点是什么？ 在培养至愈伤组织时进行诱变处理的原因是什么？”
②展示玉米单倍体育种和彩色马铃薯诱变育种的案例，引导学生掌握单倍体育种流程图和利用植物组织培养技术构建突变体流程模型。
归纳总结，整理笔记
项目 单倍体育种 突变体的利用
原理 染色体变异和植物细胞的全能性 基因突变和植物细胞的全能性
优点 明显缩短育种年限 产生突变，大幅度改良某些性状
过程 花药离体培养→单倍体幼苗→人工诱导染色体数目加倍→纯合二倍体植株（以二倍体为例） 　　　　　　　
3.活动评价设计：
评价维度 分值 说明
内容完整性 4 展示内容是否涵盖所有关键步骤和要点
逻辑清晰度 2 展示内容是否逻辑清晰、易于理解
团队合作 2 小组成员是否分工明确、合作顺畅
表达能力 2 展示者是否表达流畅、语言准确
模型构建评价表
评价维度 分值 说明
设计合理性 4 模型设计是否符合技术流程的逻辑
创新性 2 模型是否体现创新思维和独特设计
细节呈现 4 模型是否清晰呈现关键步骤和技术要点
(设计意图:通过流程图分析和模型构建，帮助学生掌握作物新品种培育的关键步骤和技术要求。)
任务三、细胞产物的工厂化生产
1.教学任务：通过紫杉醇生产的案例，理解细胞产物工厂化生产的原理及优势。
2.教学实施
教师活动：
①展示红豆杉和紫杉醇的图片及资料，讲解紫杉醇的传统提取方式及其缺陷。
提问：紫杉醇属于哪种代谢物？生产中用到了哪些植物细胞工程技术？
②紫杉醇生产涉及哪些细胞培养阶段？如何控制其代谢产物的积累？
学生活动：
阅读资料并思考：“1.紫杉醇属于初生代谢物还是次生代谢物？ 2.紫杉醇的生产用到的植物细胞工程的技术手段是什么？ 在生产中通常要培养到什么阶段？为什么？3.细胞产物的工厂化生产具有哪些优势？”（答案：1.次生代谢物。2.植物组织培养技术、植物细胞培养技术；愈伤组织阶段；因为此时细胞分裂能力旺盛，代谢快，有利于产物生成。3.细胞产物的工厂化生产对植物资源的破坏小，不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制。）
②分组讨论工厂化生产的优势，并总结其在实际应用中的意义。
③小组讨论，完成植物组织培养和植物细胞培养的比较表格，并分享讨论结果。
比较项目 植物组织培养 植物细胞培养
目的 获得植物体 获得细胞产物
原理 植物细胞的全能性 细胞增殖
过程
应用 快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等 细胞产物的工厂化生产，如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇等
3. 评价设计
根据学生的讨论结果和总结内容，评价其对细胞产物工厂化生产优势的掌握程度。
(设计意图: 通过案例分析和讨论，帮助学生理解细胞产物工厂化生产的实际应用价值，并培养其科学思维能力。）
完成学案中的当堂训练
完成课后作业（30分钟）。
本节课的教学设计以小组合作探究为中心，注重学生的自主学习与合作探究。在课堂上教师采用了问题引导、实验引领的方式展开教学。在整个教学过程中，充分发挥学生学习的主动性，鼓励他们大胆去探究、主动地获取知识，打造高效课堂。反思整堂课，主要在以下几方面做得较好：（1）学生能够较好地理解植物细胞工程的实际应用。（2）案例分析和模型构建等活动激发了学生的兴趣和参与度。本节课也有不足之处：（1）部分学生对突变体育种的原理理解不够深入。（2）模型构建环节需要更多时间进行指导和反馈。
植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
1. 快速繁殖：植物细胞的全能性
2. 脱毒技术：茎尖培养
二、作物新品种的培育
1. 单倍体育种：流程与优点
2. 突变体育种：原理与优缺点
三、细胞产物的工厂化生产
1. 紫杉醇生产：技术手段与优势
2. 工厂化生产的应用前景
1.种植脱毒草莓前景广
脱毒草莓具有科技含量高、栽培容易、增产效果显著、周期短、没有风险和经济效益高等特点，是发展我国高效农业和绿色有机农业的首选经济作物。一般草莓目前由于普遍严重感染病毒病，果子变小，品质下降，畸形，叶子皱缩，生长缓慢，并逐年加重，每667平方米产值为2000元～3000元。而脱病毒草莓可达6000元以上，尤其是大棚脱毒草莓，每667平方米产值可达1.5万元～2万元，经济效益是一般草莓的10倍左右。
（1）草莓生产具有栽培容易、周期短和适应性广的优点
草莓是草本果品，一般从事农业和蔬菜生产的单位或农户均能立即转入草莓生产，当年就能产生效益。草莓对土壤和水肥条件的要求不高，栽培技术也比较简单，一般农户和果农均能很快掌握。草莓生产的劳动强度也不大，妇女和半劳力均可以胜任。草莓的适应性很广，全国各地都可以种植，且出现了不少高产典型。由于草莓是冬季和早春的首批上市水果，营养价值高，口味好，价格高，因此经济效益很高。
（2）草莓是国外最受欢迎的保健水果，具有不断增长的出口需求和发展前景
草莓被欧美国家誉为“水果皇后”，不仅含有比其他水果高10倍的维生素，而且果实中所含的鞣花酸具有抗癌效果，因此在欧美市场十分畅销，售价是苹果的5倍、葡萄的2倍，而且供不应求。日本、东南亚和欧美国家每年从我国进口上万吨速冻草莓，所以大力发展我国优质草莓生产，满足日益增长的出口需求将是利国富民的重要举措。
2.原生质体融合的方法
原生质体融合，可分自发融合和诱导融合两类。因自发融合的机率较低，故在处理过程中多采用许多不同的诱导融合方法，包括以下几种： 　
硝酸钠融合法 　
　 20世纪初，Kuster就发现机械法分离的洋葱质壁分离体在钠盐中得以重新融合。1970年，Power和Cocking创立了用硝酸钠（0.25mol/L）作为融合剂的离子诱导融合法，首次使燕麦和玉米的根尖原生质体融合。1972年，Carlson等以此为诱导剂，使两种烟草原生质体融合成功并首次再生出杂种植株。Cocking认为其诱导原理是钠离子能中和原生质体表面所带的阴电荷而促进了融合，但这种方法因诱导率较低（0.1%）而未被广泛采用。 　
高Ca2+—高pH融合法
　 1973年Keller和Melchers首次用高Ca2+（0.05mol/L）、高pH（pH 10.5）诱导烟草原生质体融合获得成功，诱导融合率为20%～50%。这是由于Ca2+能促进两种原生质体的结合，而高pH则能改变质膜的表面电荷性质，有利于融合。 　　
PEG融合法 　
高国楠和Michayluk于1974年创立了PEG（聚乙二醇）高聚分子的诱导融合技术，使原生质体融合率大幅度提高，特别是与高Ca2+—高pH融合法结合使用，可使融合率提高40%～50%，说明PEG是一种高效诱导融合剂。此外，它的最大优点是无特异性，甚至动植物界间的界限也可以打破。如使用得当，对原生质体也无伤害作用。Gleba等于1979年采用PEG法获得了烟草种间体细胞杂种植株。 　
电融合法 　
1979年Senda等发现用两个玻璃毛细管微电极可诱导原生质体融合，Vienken等（1981）用高强度的电场诱导原生质体融合，Yamada（1984）、Watts与King（1984）等设计并改进了电融合方法。由于电融合技术在融合过程中的各种参数易于控制，而且能显著提高异核体率，为此，电刺激融合为大家普遍接受，而且广泛采用。
多聚化合物法 　
1975年，Kanega用不同浓度的甘露醇处理烟草原生质体获得了20%以上的融合率；1978年，Nagata用聚乙烯醇（15%）+0.05mol/L氯化钙+0.3mol/L甘露醇组成的融合剂，成功地将烟草与大豆、烟草与萝卜等组成原生质体融合。此外，还有一些其他多聚合物也成功地用于融合原生质体。第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
一 植物细胞工程的基本技术
教学目标
1.通过引导学生观察和分析菊花组织培养不同阶段的图片，梳理植物组织培养的基本流程，并通过实验操作提升科学探究能力。（生命观念、科学思维、科学探究）
2.让学生通过分析植物体细胞杂交技术的要点，能构建植物体细胞杂交技术的概念和流程，认同植物体细胞杂交技术具有重要的应用价值。（生命观念、科学思维）
3.让学生探讨植物细胞工程在濒危植物保护、作物改良及资源节约中的应用，提升环保意识。（社会责任）
教学重难点
重点：1.植物组织培养的原理和过程
2.植物体细胞杂交技术的原理和过程
难点：菊花组织培养实验的操作步骤、无菌技术要求及影响再分化的关键因素。
教学方法
采用直观演示、实验探究、讨论交流等教学方法，结合PPT与视频资源，帮助学生理解关键概念。
课时安排
2课时
教学准备
多媒体、白板、学案、PPT等。
导入新课
菊花在自然条件下只能在秋天开放，那么如何使它在其他季节也能大量、快速地繁殖呢？科学家利用植物组织培养技术解决了这一问题，我们一起来探究该技术的原理和应用。PPT展示学习目标，让学生阅读了解本节课学习目标。
(设计意图:由诗文导入,能激发学生的学习兴趣,同时引出本节课要解决的问题,效果较好。)
任务一、植物组织培养技术
活动1　自主阅读教材第34页第一段的内容，思考并完成下列问题。
1.教学任务：通过阅读教材内容，理解植物组织培养的基本原理，进一步分析离体植物细胞表现全能性的原因，体内植物细胞未表现全能性的原因，引起进一步探究学习的兴趣。
2.教学实施
教师活动：展示菊花茎段韧皮部的一些细胞进行离体培养的流程图，引导学生阅读教材第34页第一段内容，并提出下列问题。
①这一科学实验证明了植物细胞具有什么特点？ ②上述菊花幼嫩的茎段细胞能发育成完整新植株的原因是？③菊花芽原基的细胞只能发育为芽，叶原基的细胞只能发育为叶的原因？
答案：①全能性 ②含有发育成为完整个体所需的全部遗传信息
③在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
学生活动：学生自主阅读教材第34页第一段的内容，思考完成上面三个问题，小组讨论后，根据展示答案反思总结，整理笔记。
3.评价设计
根据学生的回答，评价其对植物细胞全能性的理解程度，检测学生是否掌握了植物组织培养的基本原理。
（设计意图：通过问题引导学生理解植物组织培养的核心概念，为后续学习奠定基础。）
活动2 自主阅读教材第35~37的内容，思考并讨论以下问题
1.教学任务：引导学生观看菊花组织培养的流程实验视频，分析菊花组织培养的流程图并探讨总结植物组织培养的流程、原理。
2.教学实施
教师活动：引导学生阅读教材第35~37的内容，观看菊花组织培养实验视频，展示菊花组织培养的流程图，引导学生完成学案中的问题。
下列菊花的组织培养流程图正确的排序是？答案：①②④⑤③
②与叶肉细胞相比，图中的愈伤组织细胞不含有哪种细胞器？原因是什么？
答案：不含有叶绿体；因为外植体经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞。因此，愈伤组织细胞中不含有叶绿体。
③菊花的组织培养实验中为何要进行一系列的消毒、灭菌并要求无菌操作？
答案：为了防止细菌、真菌等微生物的污染。培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物就会与外植体争夺培养基中的营养物质，且其部分代谢产物对外植体有害，可能导致外植体死亡。
④离体的植物细胞是如何启动细胞分裂、脱分化和再分化的？
答案：在适宜的营养供给、适当比例的植物激素(主要为生长素和细胞分裂素)及其他适宜外界条件的诱导下，离体的植物细胞会启动细胞分裂、脱分化和再分化。
⑤在植物组织培养的过程中，植物组织培养的不同阶段如何调控光照条件？为什么再分化需要特定的光照？
答案：脱分化过程中一般不需要光照，但是再分化过程中需要给予适当时间和强度的光照。
⑥设计一个实验，来验证诱导形成愈伤组织的生长素/细胞分裂素的最佳比例，请写出实验思路。
答案：选择生长状态一致的植物的茎尖，将其均分为多个实验组，每组施加不同比例的生长素和细胞分裂素，将各组外植体置于相同且适宜的培养条件下，观察并记录各组愈伤组织形成情况。
⑦认真观察图中的实验结果，分析诱导生芽生根与什么因素有关？并完成表格。
生长素/细胞分裂素 植物组织的发育方向
高 有利于___的分化，抑制___的形成
低 有利于___的分化，抑制___的形成
适中 促进______的形成
答案：植物激素
生长素/细胞分裂素 植物组织的发育方向
高 有利于根的分化，抑制芽的形成
低 有利于芽的分化，抑制根的形成
适中 促进愈伤组织的形成
植物激素的种类及配比
学生活动：学生阅读教材第35~37的内容，观看菊花组织培养实验视频，观察流程图并结合教材知识完成学案问题，小组讨论后展示答案，总结绘制植物组织培养技术流程图。
外植体愈伤组织芽、根等―→试管苗完整植株。
3.评价设计
评价项目 标准 分值
完整性 流程图涵盖了外植体、愈伤组织、脱分化、再分化等所有步骤 5
逻辑性 流程图从左到右依次展示各步骤，顺序合理，符合实际操作流程 3
清晰度 图表设计简洁明了，文字说明清晰易懂，便于学生理解和记忆 2
（设计意图：通过流程图分析和实验条件探讨，帮助学生掌握植物组织培养的关键步骤和技术要求。）
任务二、植物体细胞杂交技术
以我国首批“太空娃娃”导入，激发学生学习兴趣。
阅读教材第36~38“植物体细胞杂交技术”部分，思考并回答学案问题。
1.教学任务：理解植物体细胞杂交技术的流程、原理、意义。
2.教学实施
教师活动：展示植物体细胞杂交技术流程图，引导学生阅读教材第36~38 “植物体细胞杂交技术”部分内容，引导学生完成学案问题。
①图中过程①②④⑤分别是什么？②应在_________(填“低渗”或“等渗”)溶液中获得原生质体时，理由是？③将若干a和b等量混合后，经过程②得到的细胞类型有几种？若只考虑两两融合，则融合细胞有哪几种？④从结果上看，杂种植株最终为几倍体？杂种植株一定能表现出两种亲本的优良性状吗？为什么？
答案：①去除细胞壁 诱导原生质体融合 脱分化 再分化 聚乙二醇(PEG)融合法高Ca2+—高pH融合法
②等渗 低渗溶液中原生质体易吸水涨破
③细胞类型有3种，即未融合的细胞、两两融合的细胞和多细胞融合体，其中两两融合的细胞为aa、bb和ab。
④异源四倍体。不一定，杂种植株具有两种亲本的遗传物质，但生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，故其不一定能表现出两种亲本的优良性状。
学生活动：学生观察流程图并结合教材知识回答学案中的问题，小组讨论后展示，根据展示的答案再总结归纳。
3.评价设计
根据学生对学案中的问题的回答和总结，评估其对体细胞杂交流程的理解。
（设计意图：通过流程图分析，帮助学生掌握植物体细胞杂交的关键技术和步骤。）
完成学案中的当堂训练
完成课后作业（30分钟）。
本节课的教学设计以小组合作探究为中心，注重学生的自主学习与合作探究。在课堂上教师采用了问题引导、实验引领的方式展开教学。在整个教学过程中，充分发挥学生学习的主动性，鼓励他们大胆去探究、主动地获取知识，打造高效课堂。
反思整堂课，主要在以下几方面做得较好：（1）学生能够较好地理解植物组织培养和体细胞杂交的基本原理。（2）通过流程图分析和问题讨论，学生对实验条件和技术细节有了更深入的认识。本节课也有不足之处：实验设计部分学生的参与度较低，需加强互动。
第1节 植物细胞工程
一 植物细胞工程的基本技术
一、植物组织培养技术
1.原理：植物细胞的全能性。
2.条件：①离体；②适宜的营养；③植物激素。
3.菊花的组织培养实验。
4.流程：外植体愈伤组织芽、根等―→试管苗完整植株
二、植物体细胞杂交技术
1.原理：细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。
2.步骤：去壁―→原生质体融合―→杂种细胞―→杂种植株
3.意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
1.愈伤组织
愈伤组织原指植物体的局部受到创伤刺激后，在伤口表面新生的组织。它由活的薄壁细胞组成，可起源于植物体任何器官内各种组织的活细胞。
在植物体的创伤部分，愈伤组织可帮助伤口愈合；在嫁接中，可促使砧木与接穗愈合，并由新生的维管组织使砧木和接穗沟通；在扦插中，伤口愈伤组织可分化出不定根或不定芽，进而形成完整植株。在植物器官、组织或细胞离体培养时，条件适宜也可以长出愈伤组织，其发生过程是：外植体中的活细胞经诱导，恢复其潜在的全能性，转变为分生细胞，进而形成愈伤组织，愈伤组织在一定条件下可进一步诱导器官再生而形成植株；在单倍体育种中，花粉产生的愈伤组织或胚状体分化成单倍体植株。故愈伤组织的概念已不局限于植物体创伤部分的新生组织了。
在植物组织培养中，从一块外植体形成典型的愈伤组织，大致要经历三个时期：启动期、分裂期和形成期。启动期指细胞准备进行分裂的时期，外源植物激素对诱导细胞开始分裂有较好的效果，通常使用比例为1:1的细胞分裂素和生长素来诱导外植体形成愈伤组织。分裂期是指外植体细胞经过诱导以后脱分化，不断分裂产生子细胞的过程。分裂期愈伤组织的特点是：细胞分裂快，结构疏松，颜色浅而透明。分化期是指在分裂的末期，细胞内开始出现一系列形态和生理上的变化，从而使愈伤组织内产生不同形态和功能的细胞，这些细胞类型有薄壁细胞、分生细胞、色素细胞、纤维细胞等。外植体的细胞经过启动、分裂和分化等一系列变化，形成了无序结构的愈伤组织。如果在原来的培养基上继续培养愈伤组织，培养基中营养物质不足或有毒代谢物的积累，会导致愈伤组织停止生长，甚至老化变黑，最终死亡。如果要让愈伤组织继续生长增殖，必须定期地（2～4个星期）将它们分成小块接种到新鲜的培养基上，这样愈伤组织就可以长期保持旺盛地生长。
在离体培养中，细胞在特定条件的诱导下会进入脱分化，经持续分裂形成细胞团，进一步发展成为不受亲本植株影响的愈伤组织。除茎尖分生组织培养和一部分器官培养以外，其他几种培养形式都要先形成愈伤组织，再由愈伤组织进一步形成再生植株。愈伤组织还常常是悬浮培养的细胞和原生质体，因此愈伤组织培养具有多种用途：一方面可研究植物生长发育及分化的机制、遗传变异规律，对植物遗传育种具有特殊意义；另一方面可用于细胞产物的大规模工厂化生产，或用于细胞培养筛选工业、农业、医药生产上有用的无性系，或作为原生质体培养中原生质体的来源等。实践证明，愈伤组织培养不仅是一种植物快速繁殖的新手段，同时也是植物改良、种质保存和有用化合物生产的理想途径。
2.植物激素在植物组织培养中对脱分化和再分化的影响
大量研究表明：在调节控制脱分化和再分化的过程中，除了植物材料本身的特性以及营养、光照、温度等条件外，植物激素起着十分重要的作用，其中影响最显著的是生长素和细胞分裂素。植物组织培养中常用的生长素类有吲哚乙酸（IAA）、萘乙酸（NAA）、2,4二氯苯氧乙酸（2,4-D）等；细胞分裂素类有激动素（KT）、6-苄基氨基嘌呤（6-BA）、玉米素（ZT）等。
通常，在外植体经脱分化形成愈伤组织的过程中，生长素和细胞分裂素是必要的。由于植物种类及所取部位的不同，诱导其形成愈伤组织所需的激素浓度和组合不同。双子叶植物一般采用生长素/细胞分裂素较高的配方；单子叶植物的细胞分裂则要求较高的生长素浓度，但对细胞分裂素无明显反应。在大多数情况下，只用2,4-D就可以成功地诱导外植体形成愈伤组织。
在再分化的过程中，激素的种类和浓度对愈伤组织的再生方式和器官发生的类型可产生不同的影响。例如，在矮牵牛茎、叶组织切块的培养中，用同一浓度（1mg/L）不同种类的生长素(IAA、NAA、2,4-D)处理，可得到不同的结构。IAA只引起愈伤组织的有限生长；NAA可引起根的大量形成；2,4-D则促进愈伤组织产生，培养两周后还有胚状体发生。用2,4-D作进一步浓度实验，发现0.1~0.5mg/L浓度的2,4-D，可诱导植物材料形成胚状体，提高2,4-D的浓度（2mg/L），可促进愈伤组织生长，但抑制胚状体形成。
生长素，特别是2,4-D是控制体细胞胚状体发生的重要因素。2,4-D对促进胚状体的发生虽有良好效果，但对胚状体的形成和发育有抑制倾向。所以，为了促进培养物分化，应及时除去或减少培养基中的2,4-D。
激素的调控作用不但取决于激素的种类和浓度，而且还取决于激素相互之间的配比和绝对用量。50年代，F.Skoog和C.O.Miller在烟草茎髓愈伤组织中发现激动素/生长素的比例高时，利于芽的分化；比例低时，利于根的分化；两者比例适中时，愈伤组织占优势。有大量的实验结果表明，激动素/生长素的比例控制器官发生的这种模式，在组织培养中（特别对双子叶植物的器官发生）具有较普遍意义，但激素之间的配比控制器官发生的类型还受激素绝对用量的影响。例如，在番茄叶愈伤组织培养中，用2mg/L IAA+2mg/L KT可促进根的形成；而促进茎和芽形成时，只能用4mg/L IAA+4mg/L KT。第2章　细胞工程
第2节　动物细胞工程
二 动物细胞融合技术与单克隆抗体
教学目标
1.通过分析动物细胞融合的概念和生物学原理，探究动物细胞融合的常用技术方法，培养学生的科学探究能力和生命观念。
2.建构单克隆抗体制备的基本流程图，阐释单克隆抗体制备流程。（生命观念、科学思维）
3.通过分析单克隆抗体的特点及其在临床上的应用价值，培养学生的科学思维能力和社会责任感。
教学重难点
重点:建构单克隆抗体制备的基本流程图，阐释单克隆抗体制备流程。
难点:单克隆抗体制备过程中杂交瘤细胞的筛选原理。
教学方法
1.讲授法：讲解动物细胞融合的原理、方法，单克隆抗体的概念、制备过程等基础知识。
2.直观演示法：利用图片、动画、视频等多媒体手段，展示动物细胞融合和单克隆抗体制备的过程。
3.讨论法：组织学生围绕单克隆抗体的应用价值、生物技术的伦理问题等进行讨论。
4.探究法：引导学生设计实验方案，解决实际问题，例如利用单克隆抗体检测某种疾病。课时安排
1课时
教学准备
多媒体、白板、学案、PPT等。
课前任务：请学生搜集单克隆抗体在疾病检测中的应用和“生物导弹”——ADC的药物种类及其在医疗领域中的应用实例。
导入新课
通过PPT展示课前让同学们搜集的资料：
资料1.AIDS、新型冠病毒抗原检测试剂盒及其检测原理：众所周知，正常情况下人体感染某种病毒以后，机体免疫系统会对该病毒作出识别，并反应性产生抗体，之后抗体可进一步与病毒抗原发生特异性结合，这种特异性结合在体外也可发生。AIDS、新型冠状病毒抗原检测试剂盒就是利用了抗体与抗原能发生特异性结合的原理来捕获特定抗原，进而初步判断有无新型冠状病毒感染，操作相对简单便捷，适合居家自测。
资料2.高效的细胞毒素类药物进行化疗可以有效杀伤肿瘤细胞，但细胞毒素没有特异性，在杀伤肿瘤细胞的同时还会对健康细胞造成伤害，这限制了它在临床上的应用。科学研究发现，将细胞毒素与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体结合，研发而成的抗体-药物偶联物（ADC），可有效实现对肿瘤细胞的选择性杀伤。
通过上述资料，引导同学们认识到抗体在医疗领域中的某些特殊应用价值。同时，请同学们结合已有免疫学知识思考：如何获得针对某种抗原的特异性抗体？
在同学们思考回答后，简要介绍传统抗体制备流程及其难以提纯的劣势，科学家们对通过体外培养B淋巴细胞来获取抗体的尝试及失败的原因。
复习回顾植物体细胞杂交技术的优势（打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，在培育植物新品种等方面展示出独特的优势）。可否参照此技术培育出集不同优势于一身的动物细胞，进而产生能够大量增殖且能产生特异性抗体的细胞呢？
(设计意图：结合免疫学和植物体细胞杂交的相关知识，由生活情境分析导入,引出本节课要解决的问题，既能激发学生的学习兴趣,又能引导学生深入了解主题，效果较好。)
过渡：PPT展示科学研究历程——19世纪30年代，科学家们相继在肺结核、天花、水痘、麻疹等疾病患者的病理组织中观察到多核细胞。1958年日本学者冈田(Okada)发现仙台病毒具有诱导动物细胞融合的效应。1962年，日本科学家发现日本血凝性病毒能引起艾氏腹水瘤细胞融合成多核细胞。1965年，英国科学家进一步证实了灭活的病毒在适当条件下也可以诱导动物细胞融合。
探究一、动物细胞融合技术
PPT展示动物细胞融合的流程示意图，学生阅读教材第48页“动物细胞融合技术”内容，并结合流程图独立思考以下问题。
1.融合之前为什么要先对目标细胞克隆化培养？
2.动物细胞诱导融合常用的方法有哪些？
3.在利用病毒诱导细胞融合时为什么要先灭活？灭活病毒诱导动物细胞融合的原理是什么？
4.诱导融合后的细胞为什么还要经过筛选？
5.科学实验发现，某些动物细胞融合形成杂交细胞后，虽然杂交细胞含有了两亲本细胞的遗传物质，但是却并未表现出预期的融合性状，试根据所学知识分析可能的原因。
学生独立思考后，组织进行小组交流并展示，教师予以点评补充。
（设计意图：通过结合动物细胞培养流程示意图，引导同学们带着问题阅读、整合教材基础知识，同时通过分析培养后筛选的目的，为下一环节单克隆抗体制备过程中的难点问题“为什么要进行两次筛选”做好铺垫。）
评价设计：教师展示学案【拓展应用】“动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较”表格的答案，小组成员互评，最后教师点评。教师点评环节重点突出动物细胞融合技术专用的融合方法及其结果和意义与植物体细胞杂交的区别。
植物体细胞杂交 动物细胞融合
原理 细胞膜流动性、植物细胞的全能性
细胞融合前的处理方法
诱导细胞融合的方法
结果
意义
探究二、单克隆抗体及其应用
PPT展示思考题，学生自主阅读教材第48~49页“单克隆抗体及其应用”及图2-16，思考并回答下列问题。
1.传统的给实验动物反复注射某种抗原后从血清中分离制得的抗体为什么纯度低、特异性差？
2.米尔斯坦和科勒在制备单克隆抗体的过程中，向实验小鼠注射特定抗原后能否立即从其体内获取B淋巴细胞，为什么？
3.米尔斯坦和科勒在制备单克隆抗体的过程中，向实验小鼠注射特定抗原时往往需要间隔一定时间多次注射，其原因是什么？
4.结合课本图2-16和给定的资料，设计从融合细胞体系中筛选能产生所需特异性抗体的杂交瘤细胞的实验方案。
资料1：克隆选择学说认为：免疫系统中的B细胞和T细胞表面的特异性受体具有独特的抗原结合位点。当某一B细胞或T细胞的受体与抗原匹配时，该细胞会被激活。激活的细胞通过克隆扩增，产生大量具有相同抗原特异性的细胞。激活的B细胞分化为浆细胞，分泌大量特异性抗体。激活的T细胞分化为效应T细胞，直接攻击被感染的细胞或辅助其他免疫细胞。部分激活的B细胞和T细胞分化为记忆细胞，长期留存在体内。当再次遇到相同抗原时，记忆细胞能迅速启动更强的免疫反应。
资料2：多孔板培养法是将培养中的动物细胞稀释后，制成细胞悬液，接种到96孔板中，保证每个孔中的细胞能够独立生长和增殖。将96孔板放在CO2培养箱中培养，定期收集上清液用于特定分泌物检测，将检测呈阳性的孔内的细胞保留，并用培养液稀释至每孔约1个细胞，然后接种到新96孔板后继续进行上述操作，即可实现所需细胞的选择纯化和扩大化培养。
资料3：研究表明，细胞合成DNA有D和S两条途径，其中D途径能被氨基蝶呤阻断。免疫的B淋巴细胞有这两种DNA的合成途径，但它不能分裂增殖，其本身也不能在体外长期存活。小鼠骨髓瘤细胞只有D途径，没有S途径，但它能不断分裂增殖，如果它的D途径被阻断，则会因不能合成DNA而死亡。
学生独立思考并完成后，教师组织进行小组交流，交流完成后小组展示，不同小组间相互补充，最后教师进行点评和补充：
问题1重点强调：传统抗体制备技术是从蛋白质种类极为复杂多样的血清中分离、提纯某种特异性的抗体，这对技术要求非常高，且分离得到的抗体产量低、纯度低、特异性差。
问题2、3重点强调：在从小鼠体内获取B淋巴细胞前，需要给小鼠多次注射抗原，以刺激小鼠的免疫系统，使其形成更多的能分泌特异性抗体的B淋巴细胞。
问题4为单克隆抗体制备过程中的难点问题，如果同学们思考和回答有困难，可以在探究一问题4的基础上给予同学们以下提示：筛选过程应该分两步，第一步是筛选杂交瘤细胞，由于诱导融合后产生的细胞并非都是杂交瘤细胞，因此需要用选择培养基筛选出杂交瘤细胞；第二步是筛选能分泌所需抗体的杂交瘤细胞，由于无法保证小鼠在实验前不接触其他抗原，因此从小鼠体内获取的B淋巴细胞的种类是多样化的，从而导致用选择性培养基筛选获得的杂交瘤细胞产生的抗体也是多样化的，故还需要通过抗体检测进行筛选。
在此基础上可进一步延伸讲解多孔板培养技术在分离纯化动物细胞上的应用。
（设计意图：通过精心设计问题，引导同学们将教材基础知识、给定的资料信息和教材流程图信息进行整合，在落实必备知识的同时进一步提升学生获取和加工信息的能力。）
评价设计：结合【拓展应用】问题回答情况，进行评价，参考标准如下
评价标准 成员1 成员2 成员3 成员4 成员5
A等8-10分：单克隆抗体优势特点分析全面准确，与临床应用对应分析逻辑严密。
B等4-8分：单克隆抗体优势特点分析全面，与临床应用分析基本对应。
C等0-4分：单克隆抗体优势特点能有分析但不全，与临床应用能基本对应。
结合当堂训练完成情况给予评价
教师用PPT展示学案背景材料及问题：
【材料】研究发现磷脂酰肌醇蛋白聚糖-3（GPC3）是一种细胞膜相关蛋白，其在肝癌细胞中高表达，而在正常肝组织中几乎不表达。因此，GPC3是单克隆抗体的理想靶点。
【问题】假设你是一家生物制药公司的研发人员，请结合本节课的学习内容，帮助公司设计开发一种新型单克隆抗体用于治疗肝癌。（要求尽可能完整的阐释研发流程）
利用该问题情境引导学生总结本节课相关知识，构建知识体系。
完成课后练习（30分钟）。
本节课的教学设计以学生探究为中心，注重学生的自主学习与合作探究。在课堂上教师采用了问题引导、情境分析等方式展开教学。在整个教学过程中，充分发挥学生学习的主动性，鼓励他们大胆去探究、主动地获取知识，打造高效课堂。反思整堂课，主要在以下几方面做得较好：(1)注重科学思维方式的教学，通过问题设计，引导学生运用教材相关素材、已有知识和给定资料解决现实生活情境中的实际问题。(2)课堂上通过开展学生探究讨论活动，激发了学生的学习热情。(3)通过学生的实地调研、资料整理、素材分析等多种策略，更加直观地帮助学生梳理相关知识，形成体系。
本堂课也有一些不足之处：课堂容量偏大，加上部分学生对免疫学相关知识理解不到位，某些问题分析起来有难度。如果多找些生活实例来强化学生对这部分内容的理解，学生掌握得会更好。
第2节　动物细胞融合技术与单克隆抗体
一、动物细胞融合技术
1.概念：两个或多个细胞融合成一个细胞
2.诱导方法：PEG融合法、电融合法、灭活病毒诱导法
3.应用：单克隆抗体制备
二、单克隆抗体及其应用
细胞选择→细胞培养→细胞融合→细胞筛选→细胞鉴定→扩大化培养
单克隆抗体的研发历程
单克隆抗体的研发历史可以追溯到20世纪中期，以下是其发展的详细历程：
早期探索（20世纪初）
抗体发现：20世纪初，科学家发现动物在感染病原体后会产生特异性抗体，这些抗体能够识别并中和病原体。早期研究主要使用多克隆抗体，即由不同B细胞产生的抗体混合物，虽然有效，但存在批次间差异和特异性不足的问题。
理论基础（20世纪中期）
克隆选择学说：1957年，澳大利亚免疫学家弗兰克·麦克法兰·伯内特提出克隆选择学说，解释了抗体如何通过B细胞克隆产生，为单克隆抗体的研发奠定了理论基础。
技术突破（1975年）
杂交瘤技术：1975年，乔治·克勒和塞萨尔·米尔斯坦成功开发杂交瘤技术，通过将B细胞与骨髓瘤细胞融合，产生能够无限增殖并分泌单一抗体的杂交瘤细胞，标志着单克隆抗体技术的诞生。这一突破性成果使克勒和米尔斯坦在1984年获得诺贝尔生理学或医学奖。
初步应用（20世纪80年代）
首个单抗药物：1986年，美国FDA批准首个单克隆抗体药物Orthoclone OKT3用于预防肾移植后的排斥反应，尽管存在副作用，但开启了单抗治疗的新时代。伴随着转基因技术的兴起，科学家开始通过基因工程改造抗体，减少免疫原性并提高疗效。
技术进步（20世纪90年代）
人源化抗体：20世纪90年代，人源化抗体技术出现，通过将鼠源抗体的可变区与人源抗体的恒定区结合，降低了免疫原性。
治疗性单抗：1997年，首个治疗性单抗Rituxan（利妥昔单抗）获批，用于治疗非霍奇金淋巴瘤，标志着单抗在癌症治疗中的成功应用。
快速发展（21世纪初）
全人源抗体：2002年，首个全人源单抗Humira（阿达木单抗）获批，用于治疗类风湿性关节炎，进一步减少了免疫原性。
广泛应用：单抗在癌症、自身免疫病、感染性疾病等领域得到广泛应用，成为生物制药的重要组成部分。
双特异性抗体：双特异性抗体能够同时结合两个不同抗原，增强了治疗效果。
抗体偶联药物（ADC）：将抗体与细胞毒性类药物结合，提高了抗癌药物的靶向性和疗效。
免疫检查点抑制剂：如PD-1/PD-L1抗体，在癌症免疫治疗中取得显著成果。
新冠治疗：单抗在COVID-19治疗中也发挥了重要作用，如再生元制药公司研发的REGEN-COV抗体组合。
新技术：CRISPR基因编辑和人工智能等技术将进一步推动单抗研发。
新应用：单抗在神经退行性疾病、心血管疾病等领域的应用潜力巨大。
单克隆抗体的研发经历了从理论到技术突破，再到广泛应用的过程，现已成为现代医学的重要工具，未来有望在更多疾病治疗中发挥关键作用。第2章　细胞工程
第2节　动物细胞工程
三 动物体细胞核移植技术和克隆动物
教学目标
1.通过分析动物体细胞核移植技术的概念和生物学原理，探讨哺乳动物体细胞核移植的技术挑战及其难度大于胚胎细胞核移植的原因。（科学探究、生命观念）
2.建构体细胞核移植技术的基本流程图，阐释体细胞核移植技术流程。（生命观念、科学思维）
3.通过案例分析，探讨体细胞核移植技术的应用前景和现阶段的技术瓶颈，理解其在社会发展中的潜在价值。（科学思维、社会责任）
教学重难点
重点:理解体细胞核移植技术的操作步骤，并构建相应流程图。
难点: 理解体细胞核移植技术的操作步骤，并构建相应流程图。
教学方法
1.讲授法：结合PPT图文信息和教材讲解动物细胞核移植的概念、原理、过程等基础知识。
2.直观演示法：利用图片、文字资料等多媒体手段，展示动物细胞核移植的过程。
3.讨论法：组织学生围绕动物细胞核移植的流程操作细节及原因等问题等进行讨论。
4.调查法：引导学生通过文献检索、案例分析等方式，探究克隆动物的经济价值、应用现状及推广的限制因素。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体、白板、学案、PPT等。
课前任务：请查阅相关书籍、专利文献等搜集信息：
1.我国科学家已成功地克隆了牛、羊和猪等多种哺乳动物，这些研究成果目前已经转化为生产力了吗？
2.哪些成果已经在生产实践中得以应用，其经济价值如何？哪些成果还没有在生产实践中得到推广，其限制因素是什么？
导入新课
教师通过PPT展示动画片《西游记》中孙悟空拔毫毛变小猴的相关图片和科学家培育的克隆猴的相关资料和图片。
图文资料1.“（悟空）拔一把毫毛，丢在口中嚼碎，望空喷去，叫一声‘变！’，即变作三二百个小猴，周围攒簇。”这是《西游记》中的一段描述，展示了中华先贤的想象力。
讨论：毫毛来自体细胞。在现实中，如何能用体细胞“变”出一个个体呢？
图文资料2.展示“中中”和“华华”照片，配以文字介绍：2017年我国科学家将《西游记》中的文学想象桥段变为了现实——成功培育世界上首例体细胞克隆猴“中中”和“华华”，它们的诞生轰动了全世界。
讨论：你知道它们是如何培育出来的吗？在这之前，科学家培育了胚胎细胞克隆猴，你知道两者有什么不同吗？
(设计意图：结合学生熟知的经典文学名著《西游记》片段和我国生物学家尖端科研成果对比展示导入,引出本节课要学习的问题，既能激发学生的学习兴趣,又能引导学生深入主题，效果较好。)
【过渡】其实，自1996年首个体细胞克隆动物多莉羊（Dolly）诞生以来，人类已经成功克隆了马、牛和猪等大型家畜，但为什么体细胞克隆猴的诞生能轰动世界呢？
任务一：动物细胞核移植技术概念
PPT投影展示克隆猴“中中”和“华华”操作流程示意图和问题，引导同学们自主学习教材第52页第二、三自然段内容，结合流程图思考问题。
提出问题：
1.克隆猴用到了什么技术？
2.为什么用供体猴的一个细胞核移植就可以培育出与它几乎一模一样的克隆猴？
3.胚胎细胞克隆猴与体细胞克隆猴有什么不同？ 为什么体细胞克隆猴的诞生能够轰动世界？
学生分为小组互相讨论并回答问题。
学生独立思考后，组织进行小组交流并展示，教师予以点评补充。
问题1：借助克隆猴的过程简图提出并总结动物核移植技术概念：将一个动物的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成胚胎，进而发育成动物个体的技术。该技术培育的动物又称为克隆动物。
问题2：因为动物的体细胞是由受精卵经过有丝分裂和分化形成的，因此，动物的体细胞核具有和受精卵一样的，能控制该物种生长发育和繁殖的全部遗传物质，因此具有发育的全能性，这是动物体细胞核移植技术的生物学原理。
问题3：胚胎细胞克隆猴选取的供体细胞核来自早期胚胎细胞，细胞分化程度低，全能性相对容易表达，而动物体细胞分化程度高，全能性表现十分困难，因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。
非人灵长类动物的体细胞核移植一直未能取得有效突破，其原因有二，一是供体细胞的细胞核不能在去核的卵母细胞中完全恢复分化前的功能状态，二是对非人灵长类动物胚胎进行操作的技术尚不完善。
我国科学家历时五年研究攻关，成功克隆出了世界首例体细胞克隆猴。因该技术对于构建非人灵长类动物模型、研究人类疾病等方面意义非凡，使得该研究在国际权威学术期刊《细胞》上以封面文章在线发表。《细胞》出版社首席执行官、《细胞》期刊主编Emilie Marcus评价“该成果是一项令人兴奋的重要工作，这是全世界科学家花了二十年时间才达到的技术里程碑，它有潜力引发动物研究的革命并帮助研发治疗人类疾病的新方法。”
（设计意图：通过结合克隆猴“中中”和“华华”培养流程示意图，引导同学们带着问题阅读整合教材基础知识，同时借助于我国创造了非人灵长类动物体细胞核移植的世界先例，树立同学们的科技自信。）
【过渡】PPT展示“中中”和“华华”的克隆流程图，提问：为什么非人灵长类动物的体细胞核移植技术难度如此之大，科研工作者又是如何突破重重困难的？带着问题进入任务二研讨。
任务二、体细胞核移植的技术操作流程
请结合上述克隆猴“中中”和“华华”的克隆流程图，阅读教材第52~53页“体细胞核移植的过程”及图2-18相关内容，思考回答下列问题。
1.克隆动物的过程用到哪些技术手段？
2.科学研究发现，自然状态下，动物的卵母细胞通常要在输卵管内发育到MⅡ期时才具备与精子受精能力，请据此推测，在将体细胞的核移植到卵母细胞之前，为什么必须先将卵母细胞培养到MⅡ期再进行去核操作？
3.为什么要对发育到M Ⅱ期的卵母细胞进行去核操作？
4.你认为用上述体细胞核移植技术培育的克隆动物，是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗？为什么？
5.体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比，有什么相似或不同之处？请你预测它们应用前景的差异。
6.研究人员实验发现，将组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA注入重构胚，同时用组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA处理，会有效提高重构的发育率和妊娠率。请结合所学知识推测，这两种物质发挥作用的机制是什么？除了这一操作外，在重构胚的形成激活过程常用的手段还有哪些？
7.用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞，想一想，这是为什么？
学生独立思考完成后教师组织进行小组交流，交流完成后小组展示，不同小组间相互补充，最后教师进行点评和补充。
问题1：克隆动物的过程中需要综合运用动物体细胞核移植、动物细胞培养、显微注射和胚胎移植等相关技术手段。
问题2：根据“自然状态下，卵母细胞需要在输卵管内发育到M Ⅱ期时才具备受精能力”这一信息推测：可能在卵母细胞发育到M Ⅱ期时，其细胞内激活重构胚使其完成细胞分裂和发育的物质的含量和活性最高，因此在此时进行核移植最有利于重构胚的发育。
问题3：为使核移植的胚胎或动物的核遗传物质全部来供体细胞，在供体细胞的细胞核移至受体细胞之前，必须将受体细胞的遗传物质去掉或将其破坏。
问题4：克隆动物绝大部分DNA来自体细胞供体（核供体）动物的细胞核，但其细胞核外的DNA，即线粒体中的DNA同时来自核供体细胞和受体卵母细胞。所以，用教材中所述的方法克隆动物不是对核供体动物进行完全相同的复制。
此外，即便动物的遗传基础完全相同，但由于动物的发育及一些行为、习性的形成与所处环境有很大关系，克隆动物所生活的环境与核供体动物生活的环境不会完全相同，所以从这一角度看，克隆动物也不是对核供体动物进行100%的复制。
问题5：都能生成干细胞，但过程完全不同。（1）通过体细胞核移植技术可以生成带有核供体细胞遗传物质的胚胎干细胞；诱导iPS细胞需要在细胞中表达几个关键基因，将细胞逆转到类似胚胎干细胞的状态。（2）体细胞核移植技术对核供体细胞有较高要求，一般情况下体细胞的分化程度越高，它重编程为干细胞的成功率就越低；可诱导成为iPS细胞的细胞来源相对广一些，研究表明成纤维细胞、B淋巴细胞、脂肪干细胞等都可以诱导成为iPS细胞。（3）体细胞核移植技术涉及采集卵母细胞、去核、融合等复杂的操作；诱导iPS细胞的技术流程相对简单，可能更适合用于生产实践。目前科学家还在研究由这两种技术生成的干细胞在基因表达、DNA甲基化等方面的差异，这些研究成果也将直接影响它们今后的应用。
问题6：这两种物质都是通过改变组蛋白的表观遗传修饰来调控基因表达。组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA可以表达组蛋白去甲基化酶，该酶能降低组蛋白的甲基化水平；组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA可以抑制组蛋白脱乙酰酶的作用，提高组蛋白的乙酰化水平。组蛋白的甲基化水平的降低和乙酰化水平的提高可有效提高重构胚的发育率和妊娠率。
除了上述处理方式外，科研工作者还常用电融合法诱导供体细胞与去核卵母细胞融合形成重构胚。用物理或化学方法（电刺激、Ca2+载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等）激活重构胚，使其完成细胞分裂和发育进程。
问题7：培养的动物细胞一般当传代至10～50代左右时，部分细胞核型可能会发生变化，其细胞遗传物质可能会发生突变，而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。因此，在体细胞核移植中，为了保证供体细胞正常的遗传基础，通常采用传代10代以内的细胞。
（设计意图：通过精心设计问题，引导同学们将教材基础知识、给定的资料信息和教材流程图解信息进行整合，在落实必备知识的同时进一步提升学生信息获取加工能力。）
评价设计：结合【拓展应用】问题回答情况，进行评价，参考标准如下表。
评价标准 成员1 成员2 成员3 成员4 成员5
A等8-10分：逻辑思路清晰，科学准确，能提出多条论据有效支持观点且没有任何科学性错误。
B等4-8分：逻辑思路清晰，能提出论据有效支持观点且没有任何科学性错误。
C等0-4分：能有基本思路，能提出论据有效支持观点。
【过渡】教师口述引导：体细胞核移植技术发展到今天，已经在多种动物身上试验成功，科学家们也尝试在多种不同领域推广应用，但在具体实践过程中也发现了一些问题。那么截止到现在，体细胞核移植技术都在哪些领域展开研究和应用，出现了哪些问题？
任务三、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
引导同学们请结合教材第54页“体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题”部分内容，完成下表。
应用领域 举例 存在的问题
畜牧生产 1._____________低，_______ __________有待于改进； 2.________研究滞后。 3.绝大多数克隆动物存在________问题，表现出_____ ________________。
医药卫生
科学研究
保护濒危物种
学生完成表格内容后，小组内交流核对问题答案。
教师理结合课件展示体细胞核移植技术在畜牧业、医药卫生等领域的相关资料和图片。
1.应用前景
（1）医药卫生方面
①建立转基因体细胞系，再利用此技术培育的转基因克隆动物可作为生物反应器生产珍贵的医用蛋白。
②治疗人类疾病时，转基因克隆动物的细胞、组织或器官，可作为异种移植的供体。
③患者的核移植胚胎干细胞经过诱导分化，能形成相应的细胞、组织或器官可用于移植以避免免疫排斥反应。
④研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程；
⑤克隆一批遗传背景相同的动物，可通过对比来分析致病基因；
⑥克隆特定疾病模型的动物，能为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。
（2）畜牧生产：加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育
（3）科研
①使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程
②分析致病基因
③研究致病机制，开发药物
（4）保护濒危动物：有望增加濒危物种的存活数量
在探讨体细胞核移植过程中存在的问题时，教师要引导学生辩证地看待技术的应用，发展学生的思维。
2.存在的问题：
（1）该技术的成功率非常低，各个技术环节有待进一步改进。
（2）相对于技术研究，核移植的理论研究较为滞后，需要与发育生物学、细胞生物学和分子遗传学等学科更深层次的理论研究相结合。
（3）绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷，如体型过大、异常肥胖、发育困难、脏器缺陷和免疫失调等。
评价设计：
结合【拓展应用】问题回答情况，进行评价。
结合当堂训练完成情况给予评价
教师用PPT展示学案背景材料及问题：
【材料】2003年，世界上第一只用体细胞克隆的哺乳动物——多莉，因患有严重的肺部疾病被实施了安乐死。它只活了7岁，而普通绵羊的平均寿命在12岁左右。多莉的死亡引发了关于克隆动物是否会发生早衰的争论。一些研究者认为，克隆动物的端粒比较短，基因表达不正常，早衰是一种必然现象。另一些研究者则认为，克隆动物的遗传物质是正常的，目前发现的早衰迹象是在克隆过程中的一些技术问题造成的；或者克隆动物在发育过程中出现了变异，早衰只是偶然现象。
【问题】你支持哪种观点？请你搜集资料，寻找支持你观点的研究证据。
利用该问题情境引导学生总结本节课相关知识，构建知识体系。
完成课后练习（30分钟）。
本节课的教学设计以学生探究为中心，注重学生的自主学习与合作探究。在课堂上教师采用了克隆猴的大问题情境，通过精心设计问题引导展开教学。在整个教学过程中，充分发挥学生学习的主动性，鼓励他们大胆去探究、主动地获取知识，打造高效课堂。反思整堂课，主要在以下几方面做得较好：(1)注重科学思维方式的训练，通过问题设计，引导学生运用课本相关素材、已有知识和搜集课外资料解决现实生活情境中的实际问题。(2)课堂上通过学生探究讨论激发了学生的学习热情。(3)通过学生资料整理、素材分析等多种策略，更加直观地帮助学生梳理相关知识形成体系。
本堂课也有一些不足之处：部分探究问题涉及较深的遗传调控机制，对学生而言理解门槛较高。后续可通过提供背景资料、分层引导等方式帮助学生逐步建立认知。
第2节　动物体细胞核移植技术和克隆动物
动物体细胞核移植为什么用发育到M Ⅱ期的卵母细胞作为受体细胞？
动物体细胞核移植（SCNT）是一种将体细胞核移植到去核卵母细胞中的技术，用于克隆动物或研究细胞重编程机制。在SCNT过程中，受体细胞的选择至关重要，而发育到M Ⅱ期（第二次减数分裂中期）的卵母细胞是最常用的受体细胞。究其原因主要有以下几方面：
1.卵母细胞具有重编程体细胞核的能力
M Ⅱ期卵母细胞含有丰富的重编程因子，这些因子能够将已分化的体细胞核“重置”为具有全能性的状态。体细胞核在分化过程中会发生表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰等），这些修饰限制了细胞的分化潜能。卵母细胞中的重编程因子（如Oct4、Sox2、Nanog等）可以逆转这些修饰，使体细胞核重新获得发育为完整个体的能力。
M Ⅱ期卵母细胞处于减数分裂的中期，此时细胞质中的重编程因子活性最高。相比之下，其他细胞（如受精卵或早期胚胎细胞）虽然也具有一定的重编程能力，但其效率远低于M Ⅱ期卵母细胞。
2. M Ⅱ期卵母细胞具有支持胚胎发育的细胞质环境
卵母细胞的细胞质中含有大量支持胚胎早期发育所需的物质，包括mRNA、蛋白质、能量代谢物质（如ATP）以及细胞器（如线粒体）。这些物质在受精后或核移植后能够迅速启动胚胎的发育程序。
M Ⅱ期卵母细胞的细胞质环境特别适合胚胎发育，因为此时卵母细胞已经完成了第一次减数分裂，并积累了足够的营养物质和发育所需的因子。此外，M Ⅱ期卵母细胞的细胞质能够激活移植的体细胞核，启动其基因表达程序，从而支持胚胎的后续发育。
3. M Ⅱ期卵母细胞的细胞周期与体细胞核的兼容性
在SCNT中，受体细胞的细胞周期状态与供体细胞核的兼容性是一个关键因素。M Ⅱ期卵母细胞处于减数分裂的中期，此时细胞周期停滞，细胞质中含有高水平的成熟促进因子（MPF）。MPF能够诱导移植的体细胞核进入M期，从而促进核膜破裂和染色体凝集，这是重编程过程的重要步骤。
如果受体细胞处于其他细胞周期阶段（如G1期或S期），移植的体细胞核可能无法与受体细胞的细胞周期同步，导致重编程失败或胚胎发育异常。M Ⅱ期卵母细胞的细胞周期状态使其成为最适合的受体细胞。
4. M Ⅱ期卵母细胞易于去核操作
在SCNT过程中，受体细胞的核需要被移除，以便为移植的体细胞核腾出空间。M Ⅱ期卵母细胞的核（即中期板）位于细胞质的一侧，且核膜已经破裂，染色体排列在纺锤体上。这种结构使得去核操作相对容易，可以通过显微操作技术（如吸出法）精确移除染色体，而不会对细胞质造成严重损伤。
相比之下，其他细胞（如受精卵或早期胚胎细胞）的核结构较为复杂，去核操作难度较大，且容易损伤细胞质，影响后续胚胎发育。
5. M Ⅱ期卵母细胞的可用性和成熟度
M Ⅱ期卵母细胞是卵母细胞发育的最终成熟阶段，在体内或体外成熟后即可用于核移植。这种细胞在哺乳动物中相对容易获取，尤其是在体外受精（IVF）技术中，M Ⅱ期卵母细胞是常用的材料。
此外，M Ⅱ期卵母细胞的成熟度使其能够迅速响应受精或核移植信号，启动胚胎发育程序。未成熟的卵母细胞（如GV期卵母细胞）虽然也可以用于核移植，但其重编程效率和胚胎发育能力较低。
6. M Ⅱ期卵母细胞的遗传稳定性
M Ⅱ期卵母细胞已经完成了第一次减数分裂，并排除了第一极体，其染色体数目为单倍体（1n）。在核移植过程中，移植的体细胞核（二倍体，2n）与卵母细胞的单倍体染色体组合，可以恢复正常的二倍体状态，从而保证胚胎的遗传稳定性。
如果使用其他细胞（如受精卵或早期胚胎细胞）作为受体细胞，可能会导致染色体数目异常，影响胚胎的正常发育。
7. M Ⅱ期卵母细胞在克隆技术中的成功应用
自1996年多莉羊诞生以来，M Ⅱ期卵母细胞作为受体细胞在克隆技术中得到了广泛应用。大量研究表明，使用M Ⅱ期卵母细胞作为受体细胞能够显著提高克隆胚胎的发育率和存活率。虽然克隆效率仍然较低，但M Ⅱ期卵母细胞是目前最可靠的受体细胞类型。
8.与其他受体细胞的比较
受精卵：受精卵虽然也具有重编程能力，但其细胞质环境已经启动了胚胎发育程序，可能无法有效重编程体细胞核。
早期胚胎细胞：早期胚胎细胞的细胞质重编程能力较弱，且去核操作难度较大。
未成熟卵母细胞（GV期）：GV期卵母细胞的重编程因子活性较低，且需要额外的成熟培养步骤，效率较低。
相比之下，M Ⅱ期卵母细胞在重编程能力、细胞周期兼容性、操作便利性等方面具有明显优势。
总之，M Ⅱ期卵母细胞作为动物体细胞核移植的受体细胞，具有重编程能力强、细胞质环境适宜、细胞周期兼容、操作便利等多方面的优势。这些特性使其成为SCNT技术中最常用的受体细胞类型。尽管克隆技术的效率仍有待提高，但M Ⅱ期卵母细胞的应用为动物克隆、干细胞研究和生物医学领域提供了重要的技术支持。未来，随着对卵母细胞重编程机制的深入研究，SCNT技术的效率和应用范围有望进一步扩大。第二章　细胞工程
第2节　动物细胞工程
第1课时 动物细胞培养
教学目标
1.结合人体内环境特征，推理动物细胞体外培养的必要条件。（生命观念、科学思维）
2.建构动物细胞培养的基本流程，并理解其在动物细胞工程中的核心地位。（生命观念、科学思维）
3.通过分析干细胞培养及其在医疗领域中的应用，客观分析其效益与风险，增强社会责任感。（科学探究、社会责任）
教学重难点
重点：
1.动物细胞培养的条件。
2.动物细胞培养的过程。
3.干细胞培养的技术原理及其在医学领域的应用。
难点：动物细胞培养的关键步骤及影响因素。
教学方法
采用直观教学法、讲述法、讨论法等教学方法。
课时安排
1课时
教学准备
课前搜集准备动物细胞培养相关视频介绍、图片、动画等数字资源，制作PPT。
导入新课
通过幻灯片展示“从社会中来”栏目中的情境，并配以图文：
1.在治疗中重度皮肤烧烫伤时，采用自体健康皮肤移植可大大提高移植成活率。
2.在大面积皮肤烧烫伤的情况下，往往面临自体健康皮肤非常有限的困境。在体内，皮肤细胞如何再生？如果脱离体内环境，细胞还能继续生长吗？
引导同学根据事例意识到在对大面积烧烫伤病人进行自体健康皮肤移植时，存在皮肤来源不足的问题。
幻灯片链接展示体内皮肤细胞再生环境（人体内环境的成分和理化性质），引导学生运用已有的生物学知识，思考：
1.怎样才能获得大量的自体健康皮肤？
2.能否用自体皮肤的单个细胞培养得到自体健康皮肤？
播放人工培养皮肤的视频，引导学生概括出动物细胞工程和动物细胞培养的概念。PPT展示学习目标，让学生阅读了解本节课学习目标。
(设计意图：结合已有的内环境及其稳态的相关知识，由生活情境问题分析导入，能激发学生的学习兴趣，同时引出本节课要解决的问题，效果较好。)
探究一、类比内环境成分及理化性质，分析动物细胞培养的条件
教师展示选择性必修一人体内环境成分及理化性质，引导学生结合皮肤细胞在体内的生长和增殖需要内环境为其提供充足的营养、氧气、稳定的理化环境、同时排出代谢废物，类比思考在体外皮肤细胞的生长增殖是否也需要类似的条件，我们又该如何营造环境来满足这些条件？ 请同学们阅读教材第43~44页“动物细胞培养的条件”相关内容思考并回答下列问题：
(1)体外培养动物细胞时需要提供哪些条件？
(2)如果培养基中缺少血清，动物细胞可能会出现哪些问题？请结合生物化学知识予以分析说明。
(3)为什么培养液需要定期更换？如何防止培养过程中的微生物污染？
(4)如何保证无菌、无毒的环境 ？
(5)动物细胞培养时通常需要将培养瓶置于充足O2和适量CO2混合气体环境中培养的目的是什么？
教师指导学生独立阅读教材相关内容思考问题后进行小组内交流，结合小组展示予以补充完善相关答案并总结：
1.①适宜的营养：糖类、氨基酸、无机盐、维生素、血清等营养条件；②无菌、无毒的环境；③适宜的温度（36.5+0.5℃）、pH（7.2~7.4）和渗透压；④适宜的气体环境：充足O2和适量CO2。
2.血清中含有细胞所需的人们尚未全部研究清楚的细胞生长增殖所需营养物质（蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等），因此使用人工配制的合成培养基培养细胞时，通常需要添加一定量的血清等天然成分。
3.定期更换培养液可以清除细胞代谢物，防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。可在细胞培养液中添加一定量的抗生素以防止微生物的感染。
4.①对培养液和所有培养用具进行灭菌处理；②培养过程需要在无菌环境下进行操作；③定期更换培养液，在细胞培养液中添加一定量的抗生素。
5. 动物细胞培养所需气体主要有O2和CO2 。O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。
评价设计：结合【拓展应用】对学生回答问题的完整性及科学性情况给予评价。
(设计意图：通过以提升能力素养为主要目所设计的问题来引导学生，认真阅读、整合、分析教材相关内容，自主整理得出动物细胞培养所需要的基本条件。)
探究二、建构动物细胞培养的流程图
动物细胞培养的过程是怎样的呢？教师展示图解，引导同学们阅读教材第44~45页内容，回答下列问题。
结合学生回答总结：
A处理：在从动物体取出的新鲜组织块中，细胞与细胞靠在一起，生长和增殖受限制。因此，在进行细胞培养时，首先要用机械的方法，或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等将动物组织块分散成单个细胞，并用培养液将细胞制成细胞悬液，置于适宜环境中培养。
由于动物细胞培养过程中需要多次分瓶处理，人们通常将分瓶之前的细胞培养，即动物组织经处理后的初次培养称为原代培养（图中B），将分瓶后的细胞培养称为传代培养（图中D）。在进行分瓶时，悬浮培养的细胞直接用离心法收集；贴壁细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心法收集后制成细胞悬液，分瓶培养（C处理）。
【思维拓展】请同学们结合动物细胞培养的条件和过程，以小组为单位讨论解决下列问题：
1.动物细胞培养过程中动物组织往往取自幼龄动物或分化程度低的细胞，这是为什么？
2.为什么要将动物细胞分散成单个细胞培养 该过程能否用胃蛋白酶代替胰蛋白酶？
3.在用胶原蛋白酶或胰蛋白酶处理动物组织块和处理贴壁细胞时一定要控制好处理时间，原因是什么？
4.动物细胞培养过程中为什么要定期分瓶处理？
5.请在上图基础上结合上述问题答案构建动物细胞培养流程图。
教师结合学生小组展示交流的基础上总结完善相关问题答案：
1.细胞的增殖能力与供体的年龄有关，幼龄动物的细胞增殖能力强，有丝分裂旺盛，老龄动物的细胞则相反。同样，分化程度越低的细胞，增殖能力越强。所以，一般来说，选取幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更容易培养。
2在从动物体取出的成块组织块中，细胞与细胞靠在一起，彼此限制了生长和增殖。因此，在进行细胞培养时，首先要将动物组织块分散成单个细胞。由于动物细胞培养的最适pH为7.2~7.4，在该pH范围内胃蛋白酶没有活性，而胰蛋白酶的活性较高，所以不能用胃蛋白酶代替胰蛋白酶来处理动物组织。
3.动物组织间隙和细胞膜上均存在大量蛋白质，因此用胶原蛋白酶或胰蛋白酶处理动物组织块和处理贴壁细胞时，一定要控制好处理时间，防止时间过长酶破坏细胞膜，导致细胞死亡。
4.体外培养的动物细胞根据在培养液中的生长增殖状态可以分为两大类：少数种类细胞能够悬浮在培养液中生长增殖，该类细胞随着培养时间的延长，会因细胞密度过大、培养液中营养物质缺乏和有害代谢物积累等因素而分裂受阻；大多数细胞则需要贴附于某些基质表面才能生长增殖，在培养瓶中培养时往往贴附在培养瓶的瓶壁上生长增殖，称为细胞贴壁。贴壁细胞在生长增殖到表面相互接触时，细胞通常会停止分裂增殖，该现象称为接触抑制。因此两类细胞在培养到一定程度时就需要对细胞进行分瓶培养，让细胞继续增殖。
5.见下图
【过渡】：PPT呈现动物细胞培养在生产干扰素、疫苗等生物大分子药物，生物生理、病理、药理研究，抗体制备，动物体细胞核移植，干细胞培养等领域的应用，引导学生理解动物细胞培养是动物细胞工程的基础。同时，解读干细胞具有分化成其他种类细胞的功能，因此干细胞的成功培养成为了动物细胞培养领域的重大成就，也吸引了众多科学家投入到相关研究中。
供参考：动物细胞培养的两种方式：悬浮培养（细胞不依赖基质，可自由生长）和贴壁培养（细胞必须附着基质表面）
建议：在课堂上展示两种培养方式的显微图片，帮助学生直观理解。
(设计意图：通过结合动物细胞培养过程，设计相关问题，引导学生在熟悉动物细胞培养流程的基础上，思考某些特定操作的目的和意义，最终利用思维导图的形式引导学生将相关知识归纳整理。)
评价设计：
评价标准 成员1 成员2 成员3 成员4 成员5
A等8-10分：问题回答流畅，生物学语言运用准确，构建的流程图逻辑清晰，布局合理、美观。
B等6-8分：问题回答基本流畅，生物学语言运用错误不超过两处，构建的流程图无逻辑错误，布局基本合理。
C等3-6分：问题回答错误不超过三处，构建的流程图基本完整，逻辑错误不超过两处。
D等0-3分：问题回答错误超过三处，构建的流程图错误超过两处。
探究三、分析干细胞培养及其应用前景
PPT展示资料：在治疗大面积烧伤病人时，通常取患者自身皮肤的成纤维细胞或皮肤干细胞，在体外培养。
提问：什么叫干细胞？它有哪些类型呢？
引导学生简要回顾必修教材中干细胞相关知识。然后展示问题，让学生带问题阅读教材第46~47页“干细胞培养及应用”部分，思考并回答问题：
1.什么是干细胞？它有哪些类型？这些类型的干细胞各有怎样的特点和哪些方面的应用？
2.科学家是怎样获得iPS细胞的？这种细胞与胚胎干细胞相比，有哪些应用优势？
3.干细胞应用于临床治疗可能存在什么问题？
教师结合学生回答情况进行总结：
1.干细胞概念：动物和人体内保留的具有分裂和分化能力的细胞；干细胞类型：包括胚胎干细胞和成体干细胞等
(1)胚胎干细胞
分布：存在于早期胚胎中
特点：具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能。
局限性：必须从胚胎中获取，涉及伦理问题；因而限制了其在医学上的应用。
(2)成体干细胞
分布：存在于成体组织或器官内。
特点：具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。
应用优势：有着自我更新能力及分化潜能的干细胞，与组织、器官的发育、再生和修复等密切相关。
(3)诱导多能干细胞（iPS细胞）
优点：①诱导过程无须破坏胚胎；②iPS细胞可以来源于病人自身的体细胞，将它移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应。
应用：定向诱导分化为多种体细胞，可治疗镰状细胞贫血症等在治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展。
2.诱导多能干细胞（iPS细胞）是科学家们通过体外诱导成体已分化的小鼠成纤维细胞，使其失去分化状态，形成的类似于胚胎干细胞的一种细胞。iPS细胞诱导过程无须破坏胚胎，而且来自病人自身的体细胞，理论上可以避免免疫排斥反应。
3.有肿瘤发生的风险
(设计意图：通过让学生结合问题深度阅读分析课本内容，加深学生对自干细胞机器培养相关知识理解，从而将学生学到的基础知识运用到现实情境中。)
供参考 ：增加“干细胞治疗的风险分析”任务，让学生在讨论后完成以下表格
评价设计：请同学们利用干细胞培养相关知识解决学案中【拓展应用】的问题。并结合同学们的回答情况予以评价。
教师结合板书内容总结讲述：通过本节课的学习，我们认识到了动物细胞培养是现代生物技术的重要组成部分，为科学研究和医学应用提供了重要工具。通过学习，我们掌握了动物细胞培养的基本原理、操作步骤及其应用领域，同时也认识到其局限性。未来，随着技术的进步，动物细胞培养将在更多领域发挥重要作用。最后，随着学习的进一步深入，希望同学们能够更深入的理解动物细胞培养的重要性，并对其在科学研究和实际应用中的价值有更深入的认识。
完成课后练习（30分钟）。
本节内容难度虽然不大但容量偏大，通过优化设计探究流程，有效调动了学生学习的积极性和主动性，课堂气氛十分活跃。主要表现在以下几个环节：第一，动物细胞培养的条件，学生已经具备了内环境及其稳态的有关知识，将动物细胞体外培养有效与体内生长增殖环境相比较，充分激发了学生学习热情，同学们都能够提出自己的见解并相互补充和评价，有助于理解动物细胞培养条件。第二，动物细胞培养流程的构建过程，通过先构建基本流程，后问题引导深度思考讨论的流程设计，有效解决了学生模型构建过程容易遗漏的问题。第三，关于干细胞的培养和应用，通过精心设计问题，让学生结合自身社会经历，带问题自主学习解决问题，深化了理解；同时联系实际提出干细胞培养及应用的建议，让学生学会珍爱生命。
但由于不同类型学校学生的学情不同，本节课课堂容量又偏大，因此教师在教学上要结合学生情况对时间作宏观调控，才能确保每个教学环节都有足够的时间来达成目标。
1.胚胎干细胞的培养与鉴定
胚胎干细胞（embryonic stem cell）简称ES细胞。在体外培养ES细胞时，要最大程度地抑制其分化、维持全能性，并促进其快速增殖、维持正常的二倍体核型。所以，在培养时，要给ES细胞提供足够的营养物质（如胎牛血清、各种嘌呤和嘧啶、非必需氨基酸等），还要加入抑制其分化的物质（如饲养层细、白病制因子等）。在实际应用中，常用饲养层细胞来培养小鼠的ES细胞。饲养层细胞是附着在培养体系底部的单层细胞，由于经过了射线照射或丝裂霉素C处理，它们的有丝分裂受阻，在培养基中分裂缓慢，但它们合成、分泌的细胞生长因子和细胞分化抑制因子，能有效促进ES细胞的增殖，并维持ES细胞的未分化状态和全能性。成纤维细胞、输卵管上皮细胞等都可用作饲养层细胞。由于小鼠胚胎成纤维细胞取材方便、培养成本低，所以最常用。
对于ES细胞的检测，常从形态学、表面抗原及细胞内酶活性等方面进行。形态学鉴定是鉴定ES细胞最直观、最常用的方法。体外培养时，ES细胞为圆形或扁圆形，结构相对简单；细胞核大，细胞质少，核质比高；细胞排列紧密，单层或多层呈集落状生长，边缘清晰，遮光性强。另外，由于ES细胞及早期胚胎细胞表面有一些特定的抗原，它们某些酶(如碱性磷酸酶)的含量和活性都比较高，所以可以通过检测特定酶活性的高低，或用相应抗体检测特定抗原的存在来鉴定ES细胞。
2.诱导多能干细胞的鉴定
诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell）简称iPS细胞。由于iPS细胞是一种类似ES细胞的细胞，所以ES细胞具有的自我更新能力和分化潜能，iPS细胞也都具备。目前鉴定iPS细胞的指标有很多，一些指标用来判断它与ES细胞是一样的状态，另一些指标用来判断它独特的重编程状态。例如，iPS细胞具有经典的ES细胞形态，细胞近圆形，形状比较规则；细胞核质比高；细胞集落紧密，因此可以对它们进行形态学鉴定。iPS细胞与ES细胞一样，能长期增殖，并保持未分化状态，因此可以对它们进行自我更新能力鉴定。ES细胞表面的某些特异性抗原标记以及高碱性磷酸酶活性，iPS细胞也是具有的，因此可以对它们进行相关检测。除此之外，iPS细胞是诱导产生的，它们可能具有某些特殊的启动子，据此可以对它们进行某些特异性的启动子分析；还可以对它们进行体外分化能力的鉴定等。
3.干细胞研究中面临的问题
干细胞具有强大的自我更新能力和多种分化潜能，所以它成为用细胞疗法或基因疗法治疗各类疾病时首选的靶细胞。随着干细胞分离、提纯技术的不断发展，干细胞在组织修复和再生医学领域的应用获得突破性进展，它有望在临床治疗中发挥重要作用。除此之外，干细胞在药物研发、分子影像示踪研究等领域也具有重要应用前景。尽管这样，在干细胞的研究中，还存在很多值得探索和研究的问题。
首先是基础理论研究和技术方面的问题。例如，人们对维持干细胞未分化状态的机制和干细胞定向诱导分化的调控机制还没有全部研究清楚，只在少数物种中建立了稳定的ES细胞系，对建立家畜、人类ES细胞系所需的最佳条件还未达成一致意见；科研人员还需要继续探索如何提高诱导ES细胞定向分化为人类所需要细胞的成功率。另外，虽然人类ES细胞在培养条件下可以形成多种类型的细胞和组织，但距离形成复杂的器官还很遥远，特别是大型的、有功能的人体器官，免疫排斥问题也有待解决。
其次是安全性方面的问题。ES细胞具有自我更新能力，所以在使用时有形成肿瘤的可能性。这也是人们一直担心的问题，在使用ES细胞进行治疗前必须解决这一问题。有人提议，可以把 ES细胞诱导分化为功能细胞或者某种细胞的前体细胞后再移植到体内；也可以设计自杀基因，当移植的细胞向肿瘤细胞方向发展时，让自杀基因发挥作用使细胞凋亡。
再次是伦理方面的问题。目前普遍认为，发育不超过14d的胚胎是无知觉的细胞团，不构成独立的社会道德主体，不具有与人同等的价值，对其研究并不侵犯人的尊严，也不是“毁灭生命”，但用于研究的胚胎最终会被遗弃，所以在这方面的研究还是引发了一些伦理道德争议。如何在对于细胞进行操作的各个阶段，充分维护其尊严；如何确保干细胞提供者的自由权与知情权以及进行精确的利益评估；如何防止用欺诈、诱导、胁迫或其他不正当手段招募受试者；如何保证受试者在研究的任何阶段可以退出研究且不会受到不公平对待，同时又能保证研究者的利益等，这些都是需要我们认真探讨的问题。第2章 细胞工程
第3节　胚胎工程
二 胚胎工程技术及其应用
教学目标
1.通过播放胚胎工程的相关视频，引导学生分析体外受精、胚胎移植和胚胎分割等技术的操作流程和原理。（科学思维、生命观念）
2.通过设计胚胎工程的实施方案，培养学生筛选合适技术、整合信息并形成完整方案的能力。（科学探究）
3.通过案例分析，理解胚胎工程在生物繁殖、育种和拯救濒危物种等方面的重要意义，并能运用所学知识评价其社会价值。（科学思维、社会责任）
教学重难点
重点:1.胚胎工程的主要技术及其原理。
2.胚胎工程在生产实践中的应用。
难点: 胚胎工程中胚胎移植的生理学基础和基本操作步骤。
教学方法
讲授法、案例分析法、讨论法、问题引导法
课时安排
1课时
教学准备
多媒体，学案，PPT等。
导入新课
牛的生育率虽然很低，但是一头母牛一生排出的卵细胞约200个左右，卵巢中卵母细胞的数量是它的1000倍（20万）；公牛平均每次射精5ml,精子数50亿。
母牛其实是有很强的生殖潜能的，只是没有激发出来。如何实现良种牛的快速繁殖呢
(设计意图：提出问题，引入试管动物的内容，同时激发学生对解决问题的兴趣。)
探究一、体外受精流程及分析
教学任务：建构体外受精流程并对几种受精方式进行辨析。
教学活动实施：
教师指导学生观看视频并结合教材P60相关内容，并完成体外受精流程图，学生展示回答。
教师指导学生完成学案中的表格，区分自然受精、人工授精和体外受精。
项目 自然受精 人工授精 体外受精
不同点 过程不同 雌雄动物交配完成 用人工的方法将公畜的精液注入母畜生殖道内，完成受精 人工获取精子、卵子，在体外培养液中完成受精过程
场所不同 雌性动物输卵管中 雌性动物输卵管中 体外培养液中
相同点 (1)精子获能、卵子成熟后方能完成受精过程； (2)都是有性生殖
评价设计：
设计跟踪训练，对相关知识进行应用，学生独立完成，教师公布答案，统计正答率，反馈做题效果并对班级同学做出评价。
【跟踪训练】下列有关哺乳动物体外受精的叙述，正确的是(　　)
A.给实验动物注射促性腺激素，使其产生更多的精子
B.从输卵管中采集的卵母细胞经培养后才能与获能的精子受精
C.获能的精子和成熟的卵子，要在相应的培养液中完成受精
D.试管动物的培育就是利用人工授精技术实现的
(设计意图：通过观看视频，让学生直观感受试管动物的相关操作过程，提高学生的生命观念；通过列表比较，激发学生的批判性思维，提高其归纳概括能力。)
探究二、胚胎移植流程建构及其生理学基础分析
教学任务：通过设计快速繁殖和牛的育种方案，建构胚胎移植的流程，并对胚胎移植实施的生理学基础进行分析。强调妊娠检查的必要性，并设置问题：“如果不进行妊娠检查，会带来哪些问题？”引导学生思考。
教学活动实施：
教师出示如下资料：和牛是品质优良的良种肉牛，其饱和脂肪酸含量很低，营养价值很高。现有多头供体公牛和母牛以及受体母牛，利用胚胎工程的相关知识，设计培育方案，实现和牛的快速繁殖。
学生分小组进行如下操作：
1.结合前面所学知识和自己的认知，尝试初步设计一个培育方案。完成后，小组展示，教师不要过多补充，让学生通过步骤2发现自己方案中的问题
2.教师播放胚胎移植视频，学生观看视频，并阅读教材P61内容
3．学生结合步骤2视频和教材内容，对步骤1构建的方案进一步完善和补充。
小组完成后展示，小组间进行补充，教师适时评价，最后出示课件，师生共同梳理胚胎移植的基本环节并强调相关问题：对供、受体如何选择？对供、受体怎样处理？超数排卵的处理方法？
过渡：在胚胎移植过程中，供体子宫内的胚胎为什么能够被收集起来？移入受体的胚胎为什么能正常发育和存活？受体孕育的个体遗传特性为什么与供体一致而与受体无关呢？
这些问题都涉及到胚胎移植的生理学基础。
教师引导学生进一步思考：
1．将检验合格的胚胎移植到任何一个受体的子宫内，胚胎都能正常发育吗？如果不能，在胚胎移植前应该对受体进行怎样的处理？
2．受体会不会对来自供体的胚胎发生免疫排斥反应？为什么？
3．胚胎移植后，经受体孕育的后代，遗传特性与供体还是受体保持一致？为什么？
学生小组讨论并展示，在此基础上，师生共同总结如下：
1.胚胎移植的实质是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移
2.胚胎移植过程中的两次处理和两次检查
两次处理：对供、受体进行同期发情处理；用促性腺激素激素使供体超数排卵。
两次检查：对收集的胚胎进行质量检查；对受体是否妊娠进行检查。
3.胚胎移植的生理学基础及意义（学案表格）
小组评价设计：
评价内容及标准（0-10分） 小组1 小组2 小组3 小组4
育种方案是否合理、技术环节是否考虑周到
语言表述是否符合逻辑，且关键点突出
小组成员是否认真交流，协调配合
（设计意图：通过设计育种方案的活动，让学生深入到解决问题的情境中，通过三个递进的步骤，让学生感悟知识的形成过程，同时也提高了学生的观察能力和语言表达能力，有利于提升科学探究能力和发展科学思维。）
探究三、胚胎分割的原理和应用
教学任务：分析胚胎分割过程，总结其操作细节及原理。
教学活动实施：
早期胚胎细胞具有很强的分裂能力，并保持着细胞全能性，可将一个胚胎分割成几份，从而提高胚胎的利用率。请观看胚胎分割的相关视频，结合教材第P62～63“胚胎分割”的相关内容，回答下列问题。
1．胚胎分割的对象是什么 选择此时期的胚胎进行分割的原因是什么
2．分割囊胚期的胚胎时为什么将内细胞团均等分割
3. 鉴定胚胎的性别做DNA分析时为什么取样的是滋养层
学生观看视频并结合教材，讨论回答上述问题。教师总结如下：
1. 桑葚胚或囊胚阶段的胚胎。桑葚胚阶段尚未出现细胞分化，具有全能性,囊胚阶段的内细胞团具有全能性。
2. 囊胚的内细胞团将来发育成胚胎的各种组织，滋养层发育为胎盘、胎膜。囊胚的内细胞团要均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
3. 取滋养层细胞做DNA分析鉴定性别，不会影响胎儿的发育。
教师引导学生辨析胚胎移植与胚胎分割，进一步总结本节两个重点内容
项目 胚胎移植 胚胎分割
概念
移植前的处理
生殖方式
作用及意义
教师出示下面资料，让学生理解胚胎工程在拯救濒危物种方面的应用。
北方白犀牛曾经广泛分布于非洲中部等地,但由于猖獗的盗猎和自然栖息地的丧失，它们的数量不断减少。2018年3月，世界上最后一头雄性北方白犀牛去世，该物种仅剩下两头雌性。在此之前，研究人员设法保存了北方白犀牛的精子。我们可以采用哪些现代生物技术繁育北方白犀牛？运用这些技术一定能繁育成功吗？请说出你的理由。
评价设计：
设计跟踪训练，对相关知识进行反馈，学生独立完成，教师公布答案，统计正答率，反馈做题效果并对班级同学做出评价。
【跟踪训练】
下图为经过体外受精和胚胎分割、移植培育优质奶牛的过程。下列叙述正确的是(　　)
A.采用胚胎分割技术产生同卵多胚的数量是有限的
B.进行胚胎分割时，应选择发育到原肠胚时期的胚胎进行操作
C.通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有不同的遗传物质
D.胚胎分割是一种有性繁殖
（设计意图：通过观看视频，将抽象的内容可视化，便于学生理解。通过设计思考题，引导学生回顾前面所学知识，提高了其应用所学解决问题的能力。）
完成学案中的当堂训练。
完成课后作业（30分钟）。
在教学过程中，通过创设情境问题，引导学生积极参与课堂探究，学生积极投入到问题的解决中，能够较好的理解胚胎工程的主要技术及其应用。对于胚胎工程技术综合应用的探究，部分学生在知识整合和实际应用方面存在一定困难，例如，在胚胎移植方案设计时，部分学生对供、受体处理的流程不够清晰等。在今后的教学中应多提供类似的案例分析，帮助学生提升知识应用能力。另外，在教学时间的把控上还需要更加精准，确保每个教学环节都能得到充分的展开和落实。
1.胚胎Willadsen分割法
进入20世纪80年代后，Willadsen在总结前人经验的基础上，对胚胎分割方法进行了系统的研究，创造出一套独具特色的毛细管分割法，其主要步骤为：
1．先将固定管吸住胚胎，用玻璃针在透明带上作一切口，再用一移植管把分裂球细胞从透明带中移出。
2．用一支直径只能勉强通过细胞团的分离管吸住细胞团使细胞间的联结变松，然后用另一支只允许一个细胞通过的分离管将细胞分开。
3．将分离完毕的细胞装入原透明带和备用透明带中。
4．将装入透明带的胚胎细胞用琼脂包埋后移入中间受体。
5．回收琼脂筒，去掉琼脂层，将胚胎移入同期发情的受体。
Willadsen用此法对绵羊2、4、8细胞胚胎18个二分胚的发育能力进行了研究，从中间受体回收后有92%的半胚发育正常，将30个发育良好的半胚移植于受体后，有24个发育为小羊羔。1981年，他进一步研究了绵羊4、8细胞四分胚的发育能力，成功地获得同胚四羔和同胚三羔。他还对8细胞奶牛四分胚的发育能力进行了研究，从中间受体回收后，91%以上的四分胚以正常速度发育，成功地获得同卵三犊。
Willadsen法具有较高的同胚多生的特点，但缺点是操作程序复杂，又需琼脂包埋和中间受体寄养，胚胎操作环节多，出现意外的机会也就多，其应用受到了很大限制。
Ozil在进行牛桑椹胚二分割时对Willadsen的方法进行了简化。他在分割胚胎并装透明带后，不进行琼脂包埋和中间受体培养，立即移植给受体。在一次实验中，14对半胚移植给14头受体母牛，有9头妊娠，其中6头怀双胎，结果非常令人满意。但是，在具体操作上，Ozil分割法要求显微操作仪要同时控制5支显微操作玻璃针管，难度仍大。
Gatica等进一步简化了分割方法，在用移植管将细胞团移出透明带后，用玻璃针切割，再用同一移植管装入透明带，减少了显微操作仪控制的玻璃管数量，实验结果也令人满意。在一次实验中，用该法分割17枚胚胎，移植17对半胚于17只受体，有9只妊娠，其中7只怀双胎。
Nagashima等先用链霉蛋白酶软化透明带后再用玻璃针分割小鼠胚胎，也获得令人满意的结果。
2.体外受精技术的研究进展
体外受精（In Vitro Fertilization，IVF）是指哺乳动物的精子和卵子在体外人工控制的环境中完成受精过程的技术。1982年，美国学者Brackett等培养出世界第一胎体外受精牛，此后，多种动物的体外受精都在不断研究并相继取得一定的成果。近年来，研究者在不断改良培养液、培养条件等，尽量模拟体内受精和发育环境, 以提高胚胎体外生产效率。但到目前为止，体外受精技术还存在一定的局限性，在完全体外化的条件下生产胚胎还有很多问题尚待解决。体外受精技术的完善可以实现胚胎移植技术在生产上的广泛应用；加快良种进化；为胚胎工程技术提供研究材料和技术支持，具有广阔的发展和应用前景。
不同季节母畜的卵巢机能活动不同。卵母细胞的采集应在母畜的繁殖季节，此时卵巢机能活动最活跃，卵泡生长发育较好，卵母细胞质量好，体外成活率高。卵母细胞的采集方法通常有三种。
一是从屠宰的母畜卵巢上采集卵母细胞。该方法是从刚屠宰的母畜体内摘取卵巢，洗涤后经30～37℃保温快速运回实验室，在无菌条件下用真空泵或注射器吸取卵巢表面一定直径卵泡中的卵母细胞，或卵巢切片收集卵母细胞。此方法获得的卵母细胞多处于生发泡期，需经成熟培养后才能与精子受精。这种方法的优点是材料来源丰富，成本低廉，但确定母畜系谱困难，卵巢质量难以保证，且受季节影响较大。
二是从活体卵巢中采集母畜卵母细胞。该方法是借助超声波探测仪、内窥镜或腹腔镜直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞。此方法在间隔一定时间后重复取卵，不影响母畜的繁殖性能，为充分利用良种母畜和珍惜动物提供了新途径。但是，活体采集的卵母细胞一般要经成熟培养后才能与精子受精。
三是进行超数排卵处理。该方法用促卵泡素和促黄体素处理母畜后，从输卵管中冲取成熟卵子并可以与获能精子受精。该方法关键是要掌握卵子进入输卵管和卵子在输卵管维持受精能力的时间，在其具有旺盛受精能力前进行；优点是可以提高家畜的利用率，并可控制体外受精的卵子发育阶段，进而提高体外受精效率。
根据卵丘的完整程度及形态将卵子分为4种类型：A类：有致密卵丘细胞层完全包裹着的卵子；B类：卵丘细胞层不完全包裹的卵子；C类：完全裸露的卵子；D类：卵丘细胞层呈现蜘蛛网状地附着在卵子上的卵子。研究表明，A、B类卵子体外的成熟率明显高于C、D类卵子。
未成熟的卵母细胞需在体外进行成熟培养方可与精子受精。卵母细胞成熟培养液为基础成熟液+血清+激素。目前常用的培养液有TCM 199、Ham’sF10 和Ham’sF12，其中TCM 199应用比较广泛。资料显示，用TCM 199对牛、绵羊、山羊和猪的卵母细胞进行体外培养，成熟率达80%以上。有研究证明，培养条件与受精率和囊胚发生率有较强相关性，因此，家畜卵母细胞成熟培养液的研制是胚胎体外生产的重要内容之一。近期卵子培养液主要进行了以下改进：（1）在培养液中加入母畜生殖道液或细胞成分等人工试剂无法完全模拟的成分；（2）在培养液中加入激素如FSH、HCG、LH等促进卵子体外成熟；（3）成熟培养液中血清用发情牛血清（ECS）取代胎牛血清（FCS）。添加成分对卵母细胞体外成熟的影响。
卵母细胞成熟培养的外部条件包括：气态、温度、湿度、空气和覆盖油等。气态条件一般分为两种：5%CO2的空气和5%CO2、5%O2和90%的N2。温度根据动物种类的不同而不同。卵母细胞成熟培养时要求饱和湿度以维持培养液的渗透压恒定。在使用5%CO2的空气为成熟培养气态条件时，空气的质量比较重要。紫外线消毒时空气中的O3含量升高会影响培养效果。进行微滴培养时，覆盖油通常有矿物油和石蜡油，效果无明显差异，且使用前都需要脱毒和孵育处理。
表1 不同动物培养条件一览表
动物种类 成熟温度 成熟时间 成熟液 培养方法
绵羊 38.5 24-26 M-199 微滴培养
牛 38.5 22-24 M-199
山羊 38.5 24 M-199
猪 37 48 F10 常量培养
动物的种类不同，其卵母细胞体外成熟时间、所需温度及培养基条件也不相同，成熟能力也有差异，如表1所示。
精子体外获能是体外受精技术中的关键环节之一。体外获能包括两个步骤：（1）精子的洗涤；（2）使用某些特定成分诱导精子获能和顶体反应。
表2 不同动物精子洗涤液/受精液一览表
动物种类 精子洗涤液/受精液
绵羊 BO SOF
牛 BO TALP TL
山羊 BO
猪 mTBM
由表2可以得到，不同种类动物，使用的精子洗涤液是不同的；而精子的洗涤方法常用的有4种：悬浮法、玻璃棉过滤法、 Percoll密度梯度离心法和直接离心洗涤法。
成熟的卵母细胞是体外受精能否成功的首要条件，精子获能是体外受精技术的核心环节，它同样影响着卵母细胞的受精、卵裂和受精卵的进一步发育。精子获能的意义在于使精子准备发生顶体反应和超激化，促使精子穿透卵子。为了与卵子受精，精子必须要有很强的活力，还要具备顶体反应的能力以及穿过卵子卵丘细胞和透明带、最后与卵膜融合的能力。精子不经获能是不会发生AR的。精子获能结果直接影响到体外受精的成功与否。
精子体外获能的主要方法有：（1）高离子强度溶液处理法；（2）钙离子载体法；（3）使用氨基多糖诱导获能；（4）与含血清蛋白的溶液长时间孵育。
卵子和精子相遇，精子进入卵子内部，激活卵子，精原核与卵原核融合而形成合子，这种生物学现象称为受精。体外受精, 即获能精子与成熟卵子的共培养, 除钙离子载体诱导获能外, 精子和卵子一般在获能液中完成受精过程。
早期胚胎的体外培养是体外受精技术的最后一个环节，也是卵母细胞体外成熟和体外受精两个技术环节最终效果的体现和检验。IVF后，受精卵在向囊胚发育过程中将要经历一系列的变化。这个过程包括（1）合子的形成；（2）第一次卵裂；（3）胚胎基因组的激活；（4）致密化；（5）囊胚的形成。这一过程中，外界环境的变化会导致基因表达发生改变，从而影响胚胎的正常发育及质量[22]。目前，哺乳动物早期胚胎的体外培养研究主要集中在改善培养液成分以满足不同发育阶段的胚胎的营养需求，以及克服体外培养引起的体外发育阻滞。体外培养法主要有5种方法中间受体法、共培养、序贯培养、简单培养液培养和胚胎培养密度法等应用比较多。
许多研究者发现取自屠宰场卵巢的卵母细胞可用于IVF的比例高于90%，活体采集卵母细胞可用率约为73%；前者囊胚率为28%，而后者仅为19.6%。然而多数情况下，为了充分利用良种或珍稀物种，活体采卵是生产良种胚胎的主要途径。但是活体采卵也存在一定的问题：（1）操作技术较难掌握；（2）体外受精的囊胚率仍较低；（3）供体母畜每次采集的卵母细胞数有限；（4）长期采卵对卵巢有无损伤尚需实验观察。
在卵母细胞成熟这一环节，还存在着体外成熟培养后的卵母细胞成熟质量较差，特别是胞质成熟不完善的问题，这严重制约了体外受精胚胎的发育率。
受精的关键在于精子的获能处理，常用的获能处理方法有四种：（1） BO+咖啡因+BSA预培养；（2）BO液+咖啡因+IA →BO+BSA；（3）BO+咖啡因+BSA+肝素；（4）上游法+肝素。上述四种方法处理效果不尽相同，第一种方法的受精率为63.0%～89.7%，第二种为91.1%，第三种为91.8%，第四种方法为75.3%。由于肝素价格低，处理方法简单，近年来各国的研究都趋向于采用肝素和咖啡因结合的获能处理方法。
早期胚胎的体外培养过程中，有50%～60%的卵裂卵在2～16细胞期退化，原因尚不清楚。另外，胚胎体外培养导致胚胎质量降低的问题仍制约着IVF技术在生产上的应用。
近年来对哺乳动物体外受精的研究已经取得了巨大的成绩，但是卵母细胞体外成熟、体外受精、体外发育的机制还存在很多问题没有搞清，需要经过进一步的研究使体外生产胚胎技术日臻完善。通过IVF技术可为这些高新技术及畜牧业生产提供数量更多、成本更低的胚胎。
胚胎的体外生产是对优良公、母畜的综合充分利用，对家畜育种学有着重大的意义。此项技术在育种的其他领域应用也很有价值。如珍稀动物的挽救和优良基因库的冷冻保存，遗传病的诊断，公畜精液受精力的测定等。可以预测，随着生物科学技术的不断进步，利用体外受精技术生产体外胚胎的应用前景将十分广阔。第2章 细胞工程
第3节　胚胎工程
一 胚胎工程的理论基础
教学目标
1. 通过引导学生对受精过程的探究，使学生能够运用结构和功能相适应的观点分析受精过程中透明带反应、卵细胞膜反应等生理变化的具体机制，及其防止多精入卵的意义。（生命观念）
2. 通过指导学生观察胚胎早期发育的过程，使学生能够辨析胚胎发育的不同阶段并描述其变化特征。（生命观念、科学思维）
3. 通过本节课的学习，使学生能够结合畜牧业或医学中的实际案例，分析胚胎工程的应用价值，并讨论该技术对社会发展的影响。（科学思维、社会责任）
教学重难点
重点:1.受精过程中精子和卵子的相互作用及生理变化。
2.胚胎早期发育的关键阶段（桑葚胚期、囊胚期和原肠胚期）的结构特点及其生物学意义。
难点: 受精过程中透明带反应和卵细胞膜反应的发生机制及其作用。
2.教学方法
采用讲授法、案例分析法、讨论法、问题引导法，结合视频演示和显微观察模型，帮助学生直观理解胚胎发育过程。
1课时
教学准备
1多媒体，学案，PPT等。
导入新课
牛的生育率很低，一头母牛一胎一般只产一头犊牛，一生约生育四五次。引进一头成年奶牛往往需要数万元，我们能否利用现代生物技术（如胚胎移植、体外受精等）来提高良种奶牛的繁殖率？这些技术的原理是什么？
教师引导学生分析可提出不同方案并给予评价：如动物体细胞核移植，这种方法可以保留母牛的优良遗传特性，但核移植过程非常繁琐，产生的克隆动物还有可能出现免疫力低，早衰等问题，从而引入解决方案——胚胎工程，教师引导学生回顾预习内容：胚胎工程的概念、理论基础及实质。
(设计意图：引导学生关注生产实际，能利用所学知识提出解决问题的方案，提升学生的思辨能力，激发学生解决问题的兴趣。)
探究一、受精过程中精子和卵子的准备及生理变化
教学任务：分析精子和卵细胞的准备阶段，受精阶段精子和卵子的生理变化。
教学活动实施：教师指导学生阅读教材P56～57“受精前的准备阶段”相关内容。
学生回答下列问题：
1.根据精子和卵细胞的结构示意图，分析二者在受精时如何体现结构与功能的适应性。
2.受精阶段前为什么精子和卵细胞存在准备阶段？
学生独立思考后回答，同学之间相互补充，最后得出答案：
1. 哺乳动物的精子由头部、颈部、尾部组成，其细长的尾部保证了其在女性生殖道内的快速游动，而卵子则以其庞大的体积储存着丰富的营养物质，为早期胚胎发育提供必需的支持。
2. 刚刚排出的精子不能立即与卵子受精，必须在雌性动物的生殖道内发生相应的生理变化，才能获得受精能力；哺乳动物体内受精时，动物排出的卵子成熟程度不同，都要在输卵管内进一步成熟，到MⅡ期时，才具备与精子受精的能力。
教师过渡：据统计，公牛平均每次射精5ml，精子数50亿，但最终与卵子结合的一般只有一个，其中的生理机制是什么呢？
教师指导学生观看受精相关视频并阅读教材P57“受精阶段”内容， 教师展示课内阅读资料和相应图片，让学生进一步明确受精阶段透明带和卵细胞膜发生变化的机制，然后引导学生思考：
1.受精过程中卵子的哪些结构发生生理反应可以防止多精入卵？这有什么意义？
2.怎么判断卵子是否受精？为什么？受精完成的标志是什么？
3.精母细胞在变成精子的过程中，很多结构会消失，而细胞核与线粒体都保留了下来，请尝试用你所了解的哺乳动物受精的相关知识来解释这一现象。
学生经过讨论，师生共同总结答案，教师引导学生注意区分受精和受精完成的标志，并引导学生关注教材旁栏信息。除此之外，教师提醒学生关注以下易错点：
(1)精子获能是指精子获得受精的能力，而不是获得能量。
（2）受精卵遗传物质的来源是少部分来自父方，大部分来自母方。
评价设计：
设计跟踪训练，对相关知识进行反馈，学生独立完成，教师公布答案，统计正答率，反馈做题效果并对班级同学做出评价。
【跟踪训练】下列有关受精的说法错误的是(　　)
A．可直接利用雌性动物的生殖道使精子获能
B．精子入卵后有核膜破裂和再生的现象
C．精子能释放多种酶以溶解卵细胞膜外的一些结构，同时借助自身的运动接触卵细胞膜
D．受精的实质是精子的头部进入卵子
(设计意图：通过观察视频，让学生直观感受受精作用的过程，学会用结构与功能相适应的观点解释相关问题，有利于提升学生的生命观念和归纳概括能力。)
探究二、胚胎早期发育的过程及特点
教学任务：胚胎早期发育的过程及特点分析
教师指导学生观看胚胎发育的视频，随后分组绘制胚胎从桑葚胚至囊胚的模式图，并尝试表述其特征。
小组合作：观看视频，尝试绘制桑葚胚和囊胚的模式图，并尝试表述其特征。
完成后小组展示绘图，并表述桑葚胚和囊胚的特征，在此过程中教师可多次播放视频，引导其他小组或小组内部成员进行补充和完善。
教师指导学生在观看视频的基础上，阅读教材P58后，结合视频，总结桑葚胚、囊胚、原肠胚的主要特点，并填写表格，以便更清晰地理解不同阶段的区别。
学生完成回答，在学生回答时教师结合课件，适时讲解和强调桑葚胚、囊胚和原肠胚的主要特点，并引导学生进一步思考如下问题：
1.受精卵的早期分裂称为卵裂。根据卵裂期的特点，完成卵裂期细胞或物质的变化规律表格内容。
2. 结合受精过程中精子和卵细胞的特点，分析早期胚胎发育过程中营养物质的来源是什么？
3. 胚胎发育过程中，开始出现细胞分化的阶段和细胞分化最显著的阶段分别是哪个时期？细胞分化的原因是什么？
过渡：不同动物受精卵的发育及其进入子宫的时间是有明显差异的。
总结：
（1）胚胎早期发育的场所是输卵管和子宫。
（2）桑葚胚及以前阶段的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能。
囊胚阶段细胞开始出现分化，囊胚阶段内细胞团的细胞具有发育的全能性。
（3）对多数动物而言，适宜进行胚胎移植的阶段是桑葚胚或囊胚。
教师引导学生阅读【拓展应用】相关背景资料，思考如下问题：
请结合本节课的内容，初步设计一个方案实现良种牛快速繁殖。在方案实施过程中，从胚胎工程的理论基础和实质角度分析，你认为应该注意哪几个方面的问题？
小组评价设计：
评价内容及标准（0-10分） 小组1 小组2 小组3 小组4
图示是否表示出不同胚胎时期的典型特征
表述是否具有逻辑性，术语或专有名称是否准确无误
小组成员是否认真交流，协调配合
（设计意图：通过这两个活动，引导学生层层深入到学习过程中，观察视频并尝试描述早期胚胎发育的特征，能提高学生的观察能力和语言表达能力，通过阅读教材和总结，能提高学生的归纳概括能力，进一步提升学生思维。通过拓展实例，有助于提高学生的科学探究能力，引导学生关注科技发展和应用，有利于提升社会责任感。）
完成学案中的当堂训练
完成课后作业（30分钟）。
本节课内容抽象，学生的感性认识不足，在授课过程中通过播放视频结合观察图片的方式使抽象的内容形象化，能够较好的落实教学目标。利用结构与功能相适应的观点引导学生自主学习受精过程，结合播放视频，遵循了从抽象到直观，先结构后生理变化的教学顺序，使学生循序渐进，从而突破难点。通过课堂反馈，学生能够说出受精的过程、胚胎发育的基本过程，但是雌雄原核形成、融合的过程，以及防止多精入卵的两道屏障发生的时间，学生掌握还不够准确，可通过增加示意图分析或动画演示，帮助学生厘清过程细节。
第3节　胚胎工程
一　胚胎工程的理论基础
一、受精
1.受精前的准备
精子获能：雌性动物生殖道或获能液
卵子准备：MII期具备受精能力
2. 受精阶段
二、胚胎早期发育
卵裂：细胞在透明带内分裂，胚胎总体积不增加
桑葚胚：全能细胞
细胞分化：滋养层——发育为胎盘、胎膜等，内细胞团——分化为各种组织，属于全能细胞
囊胚 孵化：囊胚扩大，透明带破裂，胚胎从其中伸展出来
原肠胚：三个胚层 （细胞分化最显著）
1.在精子入卵前发生的生理变化
获能后的精子与卵子相遇时，首先发生顶体反应。顶体是精子头部顶端的帽状囊泡结构。顶体反应发生时，顶体会膨大，精子外膜与顶体外膜局部发生融合，并在融合处形成许多泡状物，随后脱落；顶体外膜出现孔洞，使顶体内储存的与受精有关的酶释放出来，这些酶统称为顶体酶。顶体酶可以直接溶解卵丘细胞之间的物质，形成精子穿越放射冠的通路(放射冠是包围在卵子透明带外面的卵丘细胞群)。穿过放射冠的精子立即与透明带接触。透明带是围绕在卵子周围的一层透明的膜状保护层，上面含有特异性的精子受体，精子顶体上则含有结合蛋白，结合蛋白与精子受体的相互作用，使精子头部附着在透明带上，与透明带牢固结合。释放的顶体酶随后将透明带溶出一条孔道，精子借助自身运动穿越透明带，并接触卵细胞膜。此时，卵细胞被激活，使减数分裂得以完成。卵细胞膜下的皮质颗粒经胞吐作用释放其内容物到卵周隙(卵细胞与透明带之间的间隙)，这些物质可以改变透明带的结构，使精子受体失活和透明带硬化，从而引起透明带封闭以阻止后来的精子进入透明带，该生理反应称作透明带反应，它是防止多精入卵的第一道屏障。只有穿过透明带的精子才能与卵细胞膜接触。由于卵细胞膜表面有大量的微绒毛，当精子与卵细胞膜接触时，会立即被微绒毛抱合，随后精子外膜与卵细胞膜相互融合，精子入卵。精卵融合也会引起卵细胞膜下的皮质颗粒与细胞膜融合，发生胞吐作用，释放内容物分布到卵细胞表面，并扩散至卵周隙。这些物质中含有许多种酶，释放到卵细胞膜外后，能使卵细胞膜硬化形成受精膜，从而引起卵细胞封闭，拒绝其他精子进入卵内，该生理反应称作卵细胞膜反应，这是防止多精入卵的第二道屏障。
2.原肠胚
高等动物(包括人类)的胚胎发育都要经历桑葚胚期、囊胚期、原肠胚期等阶段，其中原肠胚期是一个重要的时期。当囊胚腔逐渐缩小并消失时，胚胎成为双胚层，外层为外胚层，内层为内胚层。由内、外胚层的接触而形成的空腔称为原肠腔，这是原始的肠道具有原肠腔的胚胎称为原肠胚，原肠腔的开口叫作原口或胚孔。当原肠胚逐渐延长的时候，胚孔逐渐缩小，最后成为留在胚胎尾端的一个小孔。随着胚胎发育的进行，原肠胚由两个胚层逐渐分化为三个胚层，即在外、内胚层之间还出现了中胚层。这三个胚层的细胞具有不同的发育潜能，外胚层细胞主要分化为表皮和神经系统，内胚层细胞主要分化为消化道上皮和消化腺，中胚层细胞产生心、肾、性腺、结缔组织及血细胞等。随后，各种器官原基相继形成，每种器官一般由一种以上的胚层细胞构成。第2章 细胞工程
章末复习
教学目标
1.引导学生回顾植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术的相关操作，提高其分析和解决有关植物细胞工程的实际问题的能力。（科学思维）
2.通过对比动物细胞工程相关技术的原理和方法，引导学生设计实验方案或评价实验结果，提高科学探究能力。（科学思维、科学探究）
3.通过开展具体案例的探究活动，使学生能运用细胞工程技术尝试设计方案解决农业、医学等领域的相关问题。（科学思维、科学探究）
4.运用生物学的基本概念和原理，基于具体案例（如干细胞治疗、克隆动物、基因编辑等），引导学生进行科学分析和判断。（科学思维、社会责任）
教学重难点
重点:1. 单克隆抗体的制备及分析。
2. 细胞工程在农业（植物组织培养）和医疗（单克隆抗体制备）等方面的具体应用。
难点: 单克隆抗体的制备及分析。
教学方法
讲授法、案例分析法、讨论法、问题引导法等。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体，学案，PPT等。
导入新课
请同学们思考如下问题：（1）马铃薯栽培种的抗病性和抗逆性较差，野生种的抗病性和抗逆性较好，但二者存在杂交不亲和性，利用野生种如何改进马铃薯栽培种？
（2）新型冠状病毒变异后，如何利用单克隆抗体技术快速制造针对新型冠状病毒的有效抗体？
（3）若某种动物现存只有两只雌性和保存的精子，如何繁育？
教师：无论是生产药物还是对抗病毒和保护濒危动物，细胞工程都发挥了重要的作用。
(设计意图：提出问题，概述细胞工程的应用，帮助学生回顾所学知识，激发学生解决问题的兴趣。)
探究一、植物细胞工程技术综合分析
教学任务：通过综合情境回顾植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术，并对相关问题做深入分析。
教学活动实施：
教师展示狼爪瓦松相关情境，设置一系列问题，指导学生思考下列问题。
（1）狼爪瓦松植株乙、丙、丁的获得都需要利用什么技术？①过程选择幼嫩的叶用于接种的原因是什么？④过程选用愈伤组织细胞进行诱变的原因是什么？
（2）诱导外植体脱分化形成愈伤组织的培养基，其成分中是否包含蔗糖等有机物？原因是什么？
(3)形成植株丁的过程中PEG的作用是什么？原生质体培养液中需要加入适宜浓度的蔗糖，原因是什么？
（4）黄酮类化合物是广泛分布于植物体内的含量较少的次生代谢物，研究发现，在愈伤组织培养过程中，通过调整生长素和细胞分裂素的比例，可以影响黄酮类化合物的合成。某同学认为，利用细胞产物的工厂化生产黄酮类化合物，主要是利用促进细胞生长的培养条件来提高单个细胞中黄酮类化合物的含量，进而增加其产量。你同意该同学的观点吗？说明相应的理由。
学生独立思考并回答，教师要强调：植物细胞培养的原理和操作。
师生共同总结并完成学案中的相关内容。
评价设计：
设计跟踪训练，对相关知识进行反馈，学生独立完成，教师公布答案，统计正确率，反馈做题效果并对班级同学作出评价。
【跟踪训练】
为拯救珍稀植物红豆杉，同时获得高抗癌活性物质——紫杉醇，某科研小组设计了如图所示实验流程。下列相关叙述正确的是(　　)
A.诱导红豆杉茎尖经过再分化过程形成愈伤组织
B.整个培养过程中生长素和细胞分裂素的比例固定不变
C.用液体培养基扩大培养愈伤组织生产紫杉醇时,通常要通入无菌空气
D.同一株植物不同部位的组织细胞经诱导培养获得的植株基因型一定相同
(设计意图：通过一个综合情境和设置一系列问题，让学生将植物细胞工程的应用有机地联系起来，便于对知识进行整体把握，同时提高了学生的思辨能力和归纳概括能力。)
探究二、动物细胞工程技术综合分析
教学任务：设置细胞融合的模型，对比细胞工程不同技术的操作，归纳单克隆抗体的相关内容并对相关内容做深入分析。
教学活动实施：
教师引导学生，完成细胞融合的相关问题。
（1）若A、B是动物细胞，一般取自动物胚胎或幼龄动物的器官或组织，用什么方法使其分散成单个细胞？从A、B到C的过程中，常用的但不用于诱导植物细胞融合的方法是什么？
（2）若该图表示抗丙型肝炎病毒的单克隆抗体制备过程中的一环，A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞表示什么？符合要求的C细胞应具有哪些特点？
（3）如果A、B分别是取自优良奶牛的卵细胞和精子，在进行体外受精时，一般要把A细胞培养到什么时期？B细胞则要经过什么处理才能与A细胞结合为受精卵？
（4）将C培养至囊胚阶段，若对其进行胚胎分割，如何操作？若需要做性别鉴定，应该怎样操作？
学生独立思考并回答，教师强调核移植过程中不是两个完整细胞的融合，所以不出现上述过程。
教师出示如下信息：埃博拉病毒(EBO)呈纤维状，EBO衣壳外有包膜，包膜上有5种蛋白棘突(VP系列蛋白和GP蛋白)，其中GP蛋白最为关键，能被宿主细胞强烈识别。人感染埃博拉病毒后会引起出血热，治疗该病的有效方法是注射抗体。如图为某学习小组设计的制备埃博拉病毒GP蛋白单克隆抗体的过程。
引导学生思考下列问题。
（1）该小组设计的方案是否合理？请说明理由。
（2）该小组有的同学认为，对小鼠同时注射包膜上的5种蛋白可刺激B细胞分化为产生5种抗体的浆细胞，用此种方式获得的杂交瘤细胞经过筛选培养，得到的单克隆单体效果最好。你认为这种说法有道理吗？为什么？
（3）研究表明，细胞合成DNA有D和S两条途径，其中D途径能被氨基蝶呤阻断。免疫的B淋巴细胞中有这两种DNA的合成途径，但它不能分裂增殖，其本身也不能在体外长期存活。小鼠骨髓瘤细胞中只有D途径，没有S途径，但它能不断分裂增殖，如果它的D途径被阻断的话，它会因不能合成DNA而死。请据此提出筛选杂交瘤细胞的方法。
学生分小组讨论，并展示回答。师生总结如下问题。
（1）比较植物体细胞杂交技术和动物细胞融合技术。
（2）单克隆抗体制备过程中的两次筛选。
小组评价设计：设计跟踪训练，对相关知识进行反馈，学生独立完成，教师公布答案，统计正确率，反馈做题效果并对班级同学作出评价。
【跟踪训练】
研究表明，髓系细胞触发受体2(TREM2)是一种免疫抑制受体，在肿瘤免疫逃逸中发挥重要作用。因此，TREM2抗体药物有望提高肿瘤免疫疗法的疗效。如图为TREM2单克隆抗体的制备流程图，下列说法正确的是(　　)
A．步骤①和步骤⑤分别向小鼠注射TREM2蛋白和分泌TREM2抗体的杂交瘤细胞
B．经步骤②诱导后融合的细胞既能分泌TREM2抗体又可无限增殖
C．步骤③和④的培养孔中均含有TREM2蛋白，依据的原理都是抗原—抗体杂交
D．步骤⑥和植物组织培养均需使用二氧化碳培养箱进行大规模培养
（设计意图：利用细胞融合模型，使学生对相关知识进行比较和归纳，通过对单克隆抗体设计方案的评价和进一步探究，提高学生的批判性思维和科学探究的能力。）
探究三、细胞工程在农业、医疗等方面的应用
教学任务：细胞工程和胚胎工程在农业生产、医疗卫生等方面有着广泛的应用，小组合作尝试设计相关方案满足实际生产需要，并对干细胞、克隆动物和胚胎移植等有关问题进行科学分析和判断。
教学活动实施：教师展示如下生产实际问题。
1.中医治疗疾病多用复方，三白草和鱼腥草是同科不同属的两种常见药用植物，二者因疗效相近且具有叠加效应常被用作“药对”，在我国全年可采收两次。研究者希望通过植物细胞工程技术，将三白草和鱼腥草的有效成分共同表达于同一植株，以提高药物效果。你认为可以采用哪些技术？如何实现？
2．自然情况下，牛的生育率很低，请结合动物细胞工程和胚胎工程的相关技术，设计两种方案实现良种牛的快速大量繁殖。
学生分小组，合作完成上述方案设计，完成后小组展示，并表述设计的依据和原理。
教师根据小组完成情况给予适时的评价。
之后教师展示如下资料，引导学生关注科学技术和社会发展的关系，并能利用所学知识，对相关问题作出分析和判断。
材料1：“三亲婴儿”是“三合一”胚胎人工授精技术诞生的婴儿，含有“一父两母”三人的遗传物质，可有效防止某些遗传病的发生。2015年，某国议会下院通过一项历史性法案，允许以医学手段培育“三亲婴儿”。
（1）培育“三亲婴儿”的过程中，用到了哪些技术？
（2）培育“三亲婴儿”的目的是什么？
（3）有人认为“三亲婴儿”过程中进行了基因的改造，未来可能被滥用；也有人认为此技术还不成熟，无法确定成年后是否会出现异常情况。对此，你有何看法？
（4）如果“三亲婴儿”技术被推广应用，你认为它应该受到哪些限制？在实际应用时，可能会遇到哪些社会或伦理问题？
材料2：利用iPS细胞治疗镰状细胞贫血的过程是首先制备患者的iPS细胞，再将其诱导形成造血干细胞，最终输给患者使其产生健康的血细胞。判断该过程是否能治疗镰状细胞贫血？并阐述理由。
评价设计：
评价内容及标准（0~10分） 小组1 小组2 小组3 小组4
方案设计是否合理、技术环节是否考虑周到
语言表述是否符合逻辑，关键点是否突出
小组成员是否认真交流、协调配合
（设计意图：通过设计育种方案，提高学生运用所学知识解决问题的能力，有利于提升科学探究能力和发展科学思维；对干细胞、克隆动物和胚胎移植等有关问题进行科学分析和判断，能引导学生关注科学技术与社会发展的关系，提升社会责任感。）
完成学案中的当堂训练
完成课后作业（30分钟）。
通过创设连贯的情境，将细胞工程的各个知识点有机结合起来，使学生能够更好地理解和应用知识，提高了学生的学习兴趣和参与度。小组探究活动让学生在交流和讨论中培养了合作能力和科学思维，对知识的掌握更加深入。在探究过程中，部分学生对于一些复杂的技术原理和操作流程理解得还不够透彻，可能是因为讲解不够详细或举例不够生动；时间控制上存在一定问题，导致最后关于伦理争议的讨论时间略显紧张，学生的观点未能充分表达和交流，学生对单克隆抗体制备流程的理解较弱，后续可通过动画演示或实验模拟提高理解效果。
第2章 细胞工程
章末复习
一、植物细胞工程技术
1.理论基础：植物细胞的全能性
2.相关技术：植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术
3.重要应用：细胞产物的工程化生产
二、动物细胞工程技术
1.单克隆抗体过程分析
2.单抗制备过程中的二次筛选及原理
三、细胞工程在农业、医疗等方面的应用
1.农业上的应用：设计育种方案
2.三亲婴儿、iPS在医学上的应用分析及评价
1. 干细胞研究中面临的问题
干细胞具有强大的自我更新能力和多种分化潜能，所以它成为用细胞疗法或基因疗法治疗各类疾病时首选的靶细胞。随着干细胞分离、提取、纯化技术的不断发展，干细胞在组织修复和再生医学领域的应用获得突破性进展，它有望在临床治疗中发挥重要作用。除此之外，干细胞在药物研发、分子影像示踪研究等领域也具有重要应用前景。尽管这样，在干细胞的研究中，还存在很多值得探索和研究的问题。首先是基础理论研究和技术方面的问题。例如，人们对维持干细胞未分化状态的机制和干细胞定向诱导分化的调控机制还没有全部研究清楚，只在少数物种中建立了稳定的ES细胞系，对建立家畜、人类ES细胞系所需的最佳条件还未达成一致意见；科研人员还需要继续探索如何提高诱导ES细胞定向分化为人类所需要细胞的成功率。另外，虽然人类ES细胞在培养条件下可以形成多种类型的细胞和组织，但距离形成复杂的器官还很遥远，特别是大型的、有功能的人体器官，免疫排斥问题也有待解决。其次是安全性方面的问题。ES细胞具有自我更新能力，所以在使用时有形成肿瘤的可能性，这也是人们一直担心的问题，在使用ES细胞进行治疗前必须解决这一问题。有人提议，可以把ES细胞诱导分化为功能细胞或者某种细胞的前体细胞后再移植到体内；也可以设计自杀基因，当移植的细胞向肿瘤细胞方向发展时，让自杀基因发挥作用使细胞凋亡。再次是伦理方面的问题。目前普遍认为，发育不超过14 d的胚胎是无知觉的细胞团，不构成独立的社会道德主体，不具有与人同等的价值，对其研究并不侵犯人的尊严，也不是“毁灭生命”。但用于研究的胚胎最终会被遗弃，所以在这方面的研究还是引发了一些伦理道德争议。如何在对干细胞进行操作的各个阶段，充分维护其尊严；如何确保干细胞提供者的自由权与知情权以及进行精确的利益评估；如何防止用欺诈、诱导、胁迫或其他不正当手段招募受试者；如何保证受试者在研究的任何阶段可以退出研究且不会受到不公平对待，同时又能保证研究者的利益等，这些都是需要我们认真探讨的问题。
2. 杂交瘤细胞的筛选
在制备单克隆抗体的过程中，诱导B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合后，在培养体系中会存在多种细胞；未融合的亲本细胞、融合的具有同种核的细胞以及所需要的杂交瘤细胞。B淋巴细胞在体外培养条件下只能存活几天，而且它不可能无限增殖，因此不会影响杂交瘤细胞的生长；但骨髓瘤细胞生长能力极强，增殖速度快，所以要筛选出杂交瘤细胞，就必须及时清除骨髓瘤细胞及骨髓瘤细胞自身融合的同种核细胞。筛选杂交瘤细胞要使用特殊的培养基，一般用HAT培养基。HAT培养基根据细胞内嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的生物合成途径设计，通过在DMEM(或RPMI-1640)培养基中加入次黄嘌呤、氨基蝶呤和胸腺嘧啶核苷3种关键成分配制而成。DMEM是Dulbecco，s Modified Eagle Medium的缩写，该培养基应用广泛，常用于贴壁细胞的培养。RPMI-1640培养基是美国洛斯维·帕克纪念研究所(Roswell Park Memorial Institute)研发的，RPMI由该研究所名称的首字母组成，1640是培养基的编号，该培养基也是一种常用的培养基，主要用于一些悬浮细胞的培养。哺乳动物细胞中合成DNA的途径有两条，一条是从头合成途径，简称D途径，该途径是指从氨基酸和其他小分子化合物合成核苷酸开始，合成DNA的过程。在D途径中，叶酸及其衍生物是必不可少的，它们参与嘌呤环和嘧啶甲基的合成。HAT培养基中加入的氨基蝶呤是叶酸的拮抗剂，因此它可以阻断细胞利用D途径合成DNA。另一条是补救途径(或称为替代途径)，简称S途径。该途径需要次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶(HGPRT)和胸腺嘧啶核苷激酶(TK)的参与，这两种酶可以催化次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷分别产生肌苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸，它们可以用来合成DNA。骨髓瘤细胞是经过人工筛选的基因缺陷型细胞，缺乏HGPRT和TK，当它处于HAT培养基中时，它合成DNA的D途径被氨基蝶呤阻断；同时，由于它缺乏HGPRT和TK，所以不能利用S途径合成DNA，会很快死亡。而杂交瘤细胞从B淋巴细胞中获得了HGPRT和TK，可以利用补充在培养基中的次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷经过S途径来合成DNA，这样在HAT培养基中它可以生存并增殖。第3章　基因工程
本章主要涉及概念5“基因工程赋予生物新的遗传特性”中的6个重要概念“概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学基础上发展而来的”“阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具”“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”“举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质”“概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质”“举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程”。本部分内容重要概念较多，是一个相对完整的版块，对学生学习的要求相对较高。通过对本章的学习，学生应能够阐明基因工程实施的基本原理和发展基础；阐明基因工程的工具酶及基本操作程序；能够针对人类生产和生活需求，选择基因工程恰当的技术和方法，提出初步的构想，进行简单的设计和制作；能够基于事实和证据，采用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等方法说明基因工程与社会的关系，在面对转基因食品等有争议的社会议题时，能利用基因工程的重要概念或原理，通过逻辑推理阐明个人观点和立场，尝试解决问题。在基因工程部分的学习过程中，既要重视知识的理解学习，也要注意动手操作，借助“DNA的粗提取和鉴定”“利用PCR扩增DNA片段并完成电泳鉴定”等实验，促进学生生物学学科核心素养提升；要重视训练学生的“科学思维、技术思维和工程思维”，培养学生提出问题、作出假设并设计方案的科学探究素养，训练学生基于证据、得出结论、作出决策的科学思维。
基因工程诞生于20世纪70年代,以它为核心的生物技术和相关产业现在已经成为许多国家研究的重点以及国际科技竞争和经济竞争的热点,利用基因工程生产的产品也早就融入了我们生活的方方面面。本章在必修课基础上,引导学生深入了解基因工程的基本原理和技术流程,了解基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面的应用及发展前景,还延伸了蛋白质工程的原理和应用。本章内容对学生基于基因工程应用的事实,运用基因工程的原理,理性参与有关社会热点议题的讨论具有重要意义。
本章内容分为4节。第1节基因工程操作中需要的基本工具是微观的“分子工具”,学生在日常生活中接触不到；第2节基因工程的基本操作精细、复杂，如果处理不好，会增加学习难度，学生很难理解和掌握。因此，教材设计了“DNA的粗提取和鉴定”“DNA片段的扩增及电泳鉴定”帮助学生学习和更好地理解。科学家花费了大量的时间和精力去研究基因工程,它也带来了巨大的价值，其对生产和生活产生的变革性影响也是我们能切实感受到的。因此第3、4节全面介绍了基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面的应用，以及随着科学技术的发展，在基因工程基础上崛起的第二代基因工程——蛋白质工程。
基因工程虽然是现代生物科技的热点技术，在生产生活中应用广泛，但是也存在一定的争议。教学时可联系必修2的具体章节，如“基因的本质”和“基因指导蛋白质的合成”等相关内容，帮助学生更好地理解基因工程技术的局限性。
基因工程实现了微生物、植物、动物之间的基因交流,人类以前不能实现的种种奇思妙想变为了现实。在日常生活中,学生通过网络、电视、广播、报刊、书籍等已对基因工程的内容有了一定的了解,转基因产品也早已来到了我们身边：超市中摆放着转基因大豆榨出的油;农田里种植着转基因抗虫棉;糖尿病患者使用着转基因微生物生产的胰岛素等等,这些都是学生学习本章知识可以联系的生活实际。
生物必修2教材中的一些知识内容可以作为学习本章知识的基础。在学习限制酶与DNA连接酶时,可与学过的有关DNA结构的知识紧密联系。有了DNA结构的基础知识,能更好地理解这两种酶的功能。在学习利用PCR获取和扩增目的基因时,可以联系学过的DNA复制的知识。在学习目的基因的检测时,可与学过的基因指导蛋白质合成的过程相联系,这样学生才能理解为什么要在以下三个层次上进行检测:检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因;检测目的基因是否转录出mRNA;检测目的基因是否翻译出蛋白质。
同时要注意，基因工程的原理看似简单，但从理论研究到工程实践是非常复杂的过程，特别是教材呈现的内容主要是一个基本框架，对具体操作和原理的介绍相对粗略，对于学生学习和理解有较大难度，在教学中应适当延伸，但同时也要把握好边界，不能过度补充。
教学重点
（1）重组DNA技术的基本工具。
（2）DNA的粗提取与鉴定。
（3）基因工程基本操作程序的四个步骤。
（4）利用PCR获取和扩增目的基因。
（5）基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
（6）乳腺生物反应器。
（7）蛋白质工程的基本原理。
（8）依据需要对蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
教学难点
（1）基因工程载体的基本条件。
（2）DNA的粗提取与鉴定。
（3）基因表达载体的构建与目的基因的检测。
（4）PCR技术的操作步骤。
（5）DNA片段的电泳鉴定
（6）乳腺生物反应器。
（7）依据需要对蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
第1节　重组DNA技术的基本工具 1课时
第2节　基因工程的基本操作程序 1课时
第3节　基因工程的应用 1课时
第4节　蛋白质工程的原理和应用 1课时
单元复习课（选） 1课时
第3章　基因工程
第1节　重组DNA技术的基本工具
教学目标
1.基于转基因荧光鱼的情境，利用生命的物质观，让学生理解三种分子工具的作用和特点，及其在重组DNA技术中的作用。（生命观念）
2.根据限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶等的作用，让学生利用比较与分析的科学思维方法，归纳总结出三者之间的区别。（科学思维）
3.让学生了解科学的进步对重组DNA技术发展的促进作用，认同科学和技术能够改善人们的生活质量和生活水平，拓展人们的科学视野。（社会责任）
教学重难点
重点:重组DNA技术的三种基本工具的作用。
难点:理解基因工程载体在导入外源基因时必须同时具备多个条件，尤其是标记基因的作用。
教学方法
采用直观教学法、讲述法、启示法、讨论法、实验法等教学方法，准备PPT、实验材料等教学用具。
课时安排
1课时
教学准备
带有碱基序列的红色环状纸带，含有目的基因序列的绿色纸带，订书机，剪刀，多媒体,白板，学案，PPT等。
导入新课
同学们已经学习了杂交育种、诱变育种和多倍体育种的相关知识，现在算是半个育种专家了，现在有一条热带鱼找到你，它觉得自己不漂亮，而荧光水母很漂亮，你能否让它拥有热带鱼发荧光这一性状呢？我们知道性状是由基因控制的，那么我们首先需要从荧光水母获得什么基因？用什么工具才能获得这种基因？又怎么把这个基因送入热带鱼的细胞中？
(设计意图:对前面和后面知识学习起到承前启后的作用，并激发学生的学习兴趣。)
新课讲授
任务一、明确限制酶的作用及特点
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
【知识过渡】 “根据刚才那位同学的描述，我们要让热带鱼发荧光首先要将荧光基因从热带鱼的DNA上提取出来，那么我们就需要一把剪刀，是这样一把剪刀吗？” 展示实用剪刀。 “肯定不是的，因为基因是分子水平的，我们必须用更精巧的工具，那就是限制酶。” 回答问题。 记录笔记。 导入限制酶相关知识的学习。
明确限制酶的作用及特点 【回扣教材】 提出以下问题，引导学生进行思考分析。 1.限制酶的作用特点是什么？ 2.EcoRⅠ和SmaⅠ两种限制酶识别的序列分别是什么？切割的位点在哪里？ 【讲解】 钥匙的形状和结构与锁的孔道和内部机制相匹配，只有匹配的钥匙才能顺利插入并转动，从而打开锁。类似地，限制酶的识别序列和切割位点与DNA中的特定序列相匹配，只有匹配的限制酶才能识别并切割该序列的DNA。 阅读教材P71，思考并得出限制酶能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。两种限制酶识别的序列不同，但是都能断裂磷酸二酯键。 独立思考抢答。 通过对几种限制酶的比较总结出其特点，并记录。 通过设问，让学生初步了解几种限制酶的作用，并总结出限制酶共有的特点。 通过抢答环节，提高学生学习的激情，活跃思维。
任务二、明确载体的作用及特点
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
【知识过渡】 “这样我们就得到了荧光基因，下面就应该将目的基因导入热带鱼的受精卵了。但是科学家发现，如果将这个基因直接导入它是不能表达的，必须借助一定的载体。” 过渡知识点，并使学生初步了解载体的作用。
明确载体的作用及特点 【提供资料】 资料1.外源基因难以进入细胞，即使进入细胞，也不容易稳定存在并表达。 资料2.中国科学院水生生物研究所朱作言院士团队将人生长激素基因导入鲫鱼等鱼类的受精卵中。转基因鱼表现出显著的快速生长特性，生长速度比对照组鱼快数倍。 资料3.转入鲫鱼细胞的重组质粒能够自我复制并表达。 资料4.科学家通过质粒中的抗生素抗性基因，从选择培养基中选择出转基因鲫鱼受精卵。 【提出问题】 1.外源基因与载体结合需要具备什么条件？ 2.外源基因要在受体细胞中存在，需要载体具备什么条件 3.如何筛选出已经导入外源基因的细胞？ 思考、回答问题,总结载体需要具备的条件:具有一个至多个限制酶切割位点,供外源基因插入其中;能在受体细胞中进行自我复制,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制,这样它携带的外源基因才能在受体细胞中复制,不至于丢失;具有标记基因，便于重组DNA分子的筛选。明确分工，每小组指定一名代表总结展示，其他组员可进行补充说明。 限时讨论后小组展示答案并由其他小组评价。 让学生通过分析资料，归纳总结载体的作用和特点，通过小组合作展示的方式能激发学生学习的积极性，并培养学生的合作意识。
任务三、明确DNA连接酶的种类及作用
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
【知识过渡】 “我们有了荧光基因，也有了相应的载体，下一步就是将这个目的基因插到载体上。” 动画展示插入过程。 “虽然插入了，但两个DNA片段之间的磷酸二酯键还没有连接，我们又需要借助一种工具，那就是DNA连接酶。” 观看动画。 根据动画内容巩固限制性内切核酸酶（限制酶）的作用部位和特点及载体的作用。 引入DNA连接酶相关知识的教学。
明确DNA连接酶的种类及作用 【回扣教材】 提出以下问题，引导学生进行思考分析。 1.DNA连接酶的作用是什么？ 2.基因工程操作中常见的DNA连接酶的种类及其作用是什么？ 通过阅读教材P72了解两种DNA连接酶，可以连接限制酶切出的相同黏性末端。 根据教材内容独立完成学案中设计的问题并展示。 全面提升学生的学习效果，巩固他们的基础知识，激发他们的学习兴趣，促进他们对知识的理解和应用，检测学习效果，并培养他们的自主学习能力。
模拟重组DNA分子的过程 【准备材料】 带有碱基序列的红色环状纸带，含有目的基因序列的绿色纸带，订书机，剪刀，展示构建基因表达载体的过程，并说明各个工具代表什么。 小组共同完成，并分组展示结果。 两名同学在讲台上操作。让学生点评自己手中的作品和讲台上学生的作品。 小组长完成模拟操作评价量表。 通过此次模拟活动，帮助学生认识将目的基因与载体结合的过程以及各成分发挥的作用，并培养学生的合作探究能力。
【教师点评】 “同学们做得都很好，我们把这个重组DNA分子导入热带鱼的体内它就能发光了，感谢大家为它所做的一切。” 老师为大家发放了相应的奖品——千岛沙拉酱。 学生获得奖品。 千岛沙拉酱的制作原料之一是转基因大豆油，为第3节基因工程的应用做准备。
拓展升华 【指导阅读】 让学生阅读本章教材“科技探索之路”的内容，思考科学家发现三种“分子工具”的意义。 阅读教材,认识到三种“分子工具”的发现使科学家能够在体外对DNA分子进行设计和施工,从而推动了基因工程从理论走向实践;认同基因工程是在分子生物学、生物化学和微生物学等学科的基础上发展起来的,它需要相关理论和技术的支撑。 学生根据资料明确分子工具的意义并在下节课中应用。 学生通过阅读相关内容,不仅可以理解发现三种“分子工具”的 意义,还能初步了解其他基因工程相关的理论和技术,为后续的学习做准备。
完成学案中的当堂训练
带领学生根据板书小结本节课内容。
完成学案中的素养专练
本节课用育种科普知识导入，吸引学生的注意力，激发学生的探究欲望。用具体的物体演示基因工程的过程，又一次吸引了学生的眼球，完全将学生的注意力留在课堂，激发学生的兴趣。整个课堂在老师适当的启发、引导、点拨下，有趣而有序地进行。主要表现为课堂气氛变得活跃、恰当选材可以吸引学生注意力、巧妙的课堂程序方便教学目标达成等。
学生对知识的掌握情况比较好，课堂问题基本都能够回答出来。在随后的随堂测验中，与基因工程相关的题目，学生完成得都很好。让学生动手操作重组质粒，都积极参与讨论。
本节课也存在不足，如：课堂节奏快，限制酶切割位点等抽象知识点未给予足够的解释，导致部分学生未能充分理解；课堂讨论环节过于活跃，未设置明确的规则，导致课堂纪律较难维持。
第1节　重组DNA技术的基本工具
一、明确限制酶的作用及特点
二、明确载体的作用及特点
三、明确DNA连接酶的种类及作用
1.胰岛素工业生产
（1）关键步骤
目的基因的获取。科学家可以从人类基因组DNA中直接切割出胰岛素基因片段，或者通过PCR（聚合酶链式反应）扩增技术获得目的基因。这一过程依赖于精确的DNA序列信息和高效的扩增技术。
基因表达载体的构建。获得目的基因后，需要将其与适当的表达载体连接，构建成重组DNA分子。常用的载体有质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒等。在构建过程中，通常使用限制性内切核酸酶来切割目的基因和载体，使它们产生相同的黏性末端，然后使用DNA连接酶将目的基因和载体连接在一起。
转化与筛选。将重组DNA分子导入受体细胞（如大肠杆菌、酵母菌等）中。这一过程通常使用化学方法（如氯化钙处理）或物理方法（如电穿孔）来实现。通过筛选获得含有目的基因的阳性克隆。这一过程依赖于载体上的标记基因（如抗生素抗性基因），使得能够在含有相应抗生素的培养基中筛选出成功转化的细胞。
表达与纯化。在适当的培养条件下，使受体细胞表达胰岛素蛋白。通过层析、电泳等生物化学方法纯化胰岛素蛋白，去除杂质，获得高纯度的胰岛素制品。纯化后的胰岛素需经过严格的生物活性检测，确保其降血糖效果。
（2）工具酶与载体选择
工具酶选择。限制性内切核酸酶：用于切割目的基因和载体，产生相同的黏性末端。
DNA连接酶：用于连接目的基因和载体，形成重组DNA分子，工业生产中通常使用T4 DNA连接酶。
载体选择。在胰岛素工业生产中，常用的载体是质粒。质粒是一种环状DNA分子，能够在细菌中自我复制，并且具有多个限制酶切割位点，便于目的基因的插入和表达。
选择合适的载体和受体细胞。选择与目的基因相容性好的载体和受体细胞，可以提高目的基因在受体细胞中的表达效率。
优化表达条件。通过调整培养基成分、温度、pH、诱导剂浓度等条件，优化目的基因在受体细胞中的表达环境。
筛选高表达克隆。通过筛选获得高表达目的基因的克隆，进一步提高胰岛素的生产效率。
稳定表达策略。可以采用构建自主复制型载体、将外源基因与选择标记基因的表达相结合、改造宿主细胞的特性等策略，确保目的基因在受体细胞中的稳定表达。
2.限制酶的发现及种类
（1）限制酶的发现
限制酶，又称为限制性内切核酸酶，是一类能识别双链DNA分子中特定核苷酸序列的DNA水解酶。限制酶的发现源于科学家对细菌防御机制的深入研究。
在20世纪60年代，科学家们发现，某些噬菌体（在细菌内寄生的病毒）在侵染特定细菌时，其DNA的增殖会受到“限制”。1962年，瑞士遗传学家沃纳·亚伯（Werner Arber）课题组发表了一系列论文，提出在细菌中存在一类“限制—修饰”系统。该系统包括两种酶：一种酶能够降解外来噬菌体的DNA，从而限制噬菌体在细菌内的繁殖；另一种酶则能够保护细菌本身的DNA不被破坏。
1968年，在美国科学家马修·梅塞尔森和罗伯特·袁的努力下，首次从大肠杆菌菌株中分离获得了限制酶EcoKI和EcoBI，这证实了亚伯的猜想。随后，美国生物学家汉弥尔顿·史密斯在研究流感嗜血杆菌的实验中，也发现了类似的现象。1970年，史密斯课题组成功地从流感嗜血杆菌中分离纯化出了另一种限制酶Hind II。
限制酶的发现为基因工程技术的发展奠定了重要基础。科学家们意识到，可以利用限制酶来切割DNA分子，从而实现基因的剪切、组合等编辑操作。这一发现极大地推动了分子生物学和遗传工程领域的发展。
（2）限制酶的种类
根据限制酶的结构、辅因子的需求、切位与作用方式，可以将限制酶分为多种类型。目前，最常见的分类方法是将限制酶分为第一型（Type I）、第二型（Type II）及第三型（Type III）三类。
第一型限制酶（Type I）
特点：由限制酶（R，由hsdR基因编码）、甲基化酶（M，由hsdM基因编码）和DNA特异性序列识别（S，由hsdS基因编码）三种蛋白组成的五聚体复合物（2R+2M+S），相对分子质量较大。切割方式：切割通常发生在距离识别位点很远的位置（有时甚至相距2千碱基对以上），且距离不固定。辅因子需求：需要ATP、Mg 2+和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为辅助因子。应用：由于切割位点难以预测，不适合作为基因工程工具酶。
第二型限制酶（Type II）
特点：大多数Type II限制酶和对应甲基化酶是独立的两个蛋白，但也有少数是限制酶和甲基化酶的融合蛋白。切割方式：切割位点位于识别序列内部，或者距离识别位点固定距离的位置。辅因子需求：大多数Type II限制酶只需要Mg 2+作为辅助因子。应用：由于能够生成准确可控的酶切产物，易于鉴定和重组表达，成为基因工程中主要使用的限制酶。目前，已发现的限制酶中，95%以上属于Type II。
亚类
Type IIP：识别对称的回文序列，切割位点位于回文序列内部或边界，产生对称的切割末端，包括5'突出的黏性末端或3'突出的黏性末端，以及平末端。
Type IIS：识别特定序列，并在识别序列之外固定距离的位置切割DNA，酶切产物一个特定方向的末端可以完全不包含识别序列。这一特性使其在Golden Gate无缝克隆、mRNA疫苗环状质粒模板线性化等场景中得到了广泛应用。
Type IIB、Type IIC和Type IIG：这些亚类的限制酶也是在识别序列之外切割DNA，但具有不同的切割方式和特点。
第三型限制酶（Type III）
特点：与第一型限制酶类似，同时具有修饰及认知切割的作用，可识别短的不对称序列，切割位点与识别序列约距24 ～26个碱基对。应用：由于切割位点难以预测，不适合作为基因工程工具酶。
此外，随着研究的深入，科学家们还发现了第四型限制酶（Type IV）等新型限制酶，但它们的应用相对较少。
（3）限制酶的命名
限制酶的命名通常根据其来源物种的分类决定，命名规则一般为属名首字母+种名前两位字母+血清型/菌株+同菌株的多种限制酶流水号罗马数字。例如，Hind III中的“H”代表属名Haemophilus，“in”代表种名influenzae，“III”用于区分来自Haemophilus influenza血清型d的其他限制性内切核酸酶。
（4）限制酶的应用
限制酶在分子生物学与遗传工程领域有广泛的应用，如基因克隆、基因表达调控、基因测序、疾病诊断与治疗等。限制酶的发现和应用，极大地推动了生命科学的发展，为人类探索生命的奥秘提供了有力的工具。第3章 基因工程
第2节 基因工程的基本操作程序
教学目标
1.引导学生结合生活或生产实例，举例说出基因工程及相关技术的基本原理。（生命观念）
2.让学生构建基因工程的操作流程模型和模拟表达载体的构建过程，归纳和整理目的基因检测与鉴定的方法，掌握基因工程基本操作程序的四个步骤。（科学思维、科学探究）
3.引导学生讨论与生物技术和工程有关的社会热点话题，培养学生的民族自豪感和社会责任感。（社会责任）
教学重难点
重点:基因工程基本操作程序的四个步骤
难点:基因表达载体构建过程中限制酶的选择、目的基因导入受体细胞的方法的选择及原理。
教学方法
采用教法：讲授法、讨论法、多媒体辅助教学以及案例分析等多种教学方法,
课时安排
1课时
教学准备
载体图、Bt基因片段、多媒体、白板、学案、PPT等。
导入新课
新疆棉事件大家听过吗？新疆棉是我国重要的经济作物，近年来因其品质和产量优势而引发了国际贸易争端。
其实早在20多年前这场经济战就已经就开始了，最后郭三堆研究员带领着我国取得了胜利，现在让我们来回顾下。
(设计意图:利用转基因抗虫棉作为背景进行情境导入,能激发学生的学习兴趣和民族自豪感，同时引出本节课要解决的问题,效果较好。)
任务一、目的基因的筛选与获取
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
目的基因的筛选与获取 【播放视频】 播放转基因抗虫棉产生背景。 【提出问题】 棉花为什么能够抗虫？ 培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？ 【资料分析】 资料1.1911年，德国人发现具有很强的杀虫能力的细菌——苏云金杆菌是一种能产生苏云金杆菌伴孢晶体蛋白(Bt抗虫蛋白)的革兰氏阳性细菌，Bt抗虫蛋白对鳞翅目害虫（如棉铃虫）具有高效毒性。 资料2.科学家将Bt基因导入棉花，使其具备抗虫性。Bt基因编码的Bt蛋白可在昆虫肠道中造成致命破坏。 【提出问题】 阅读教材P76～79并根据以下资料完成下列问题。 1.目的基因主要是指______________。 2.获取目的基因的方法有哪些？ 【过渡】 科研工作者在实际研究中利用了PCR来快速扩增Bt基因，让我们来看看这个过程吧。 【播放视频】 播放介绍PCR反应过程的视频，带领学生逐步分析。 【提出问题】 3.PCR技术与生物体内DNA复制的比较 4.PCR过程中为什么需要引物 5.PCR扩增目的基因时,复性温度的设定是成败的关键。复性温度过高会破坏引物与模板的碱基配对,复性温度过低又会造成引物不能与DNA模板链的特定部位结合。复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关。假设引物的长度相同,在GC含量高时,对复性温度的设定有什么要求 说明理由。 6.在利用PCR扩增目的基因时，从第几轮循环开始能稳定产生等长的目的DNA片段？画出过程简图进行说明。 观看视频思考并回答问题。 分析资料回答问题。 观看视频，学习PCR扩增过程并思考回答问题 能够从视频中获取信息，准确回答问题。 自主思考并回答问题准确。 小组合作完成思考题并展示 联系社会热点和生活实际，通过介绍我国科技成就增强学生的民族自豪感，利用问题启迪学生思维 让学生明确获取目的基因的基本方法，体会科学家研究思路。 借助动态视频呈现PCR反应过程，可以降低学生的学习难度，增加学习动力，便于学生理解。
任务二、基因表达载体的构建
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
基因表达载体的构建 【回扣教材】 阅读教材P80并完成下列问题。 【提出问题】 1.直接将合成的Bt基因导入到棉花细胞中可以吗？为什么？ 2.构建表达载体的根本目的是使外源基因在受体细胞中能够怎样？ 3.基于表达载体构建的目的，表达载体应含有哪些元件？ 【模型构建】 引导学生根据所提供的载体、Bt基因，尝试构建表达载体。 回顾上节课所学内容和课前预习内容并回答问题，进一步巩固上节课所学内容，并对预习内容进行检测。 合理推测基因表达载体构成。 小组合作完成模型构建，小组长完成评级量表。 能够独立完成思考题并展示，小组间相互评价。 小组合作完成模型并展示，组间相互点评更正。 通过分析基因表达载体具备的条件和构建的目的，归纳基因表达载体的构成，并将所学知识通过构建模型的方法融会贯通，学以致用。
任务三、将目的基因导入受体细胞
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
将目的基因导入受体细胞 【资料分析】 资料1.目前常用的将目的基因导入动物细胞的方法有三种，一是显微注射法即在显微镜下，利用微针将目的基因直接注射到动物细胞中；二是电穿孔法即通过短暂的高强度电脉冲，使细胞膜形成临时孔隙，允许目的基因进入细胞；三是病毒载体转染法即利用改造的病毒作为载体，侵染宿主细胞时将目的基因导入宿主细胞。 资料2.目前常用的将目的基因导入微生物细胞的方法主要是感受态细胞法即通过化学处理（如钙离子处理）使微生物细胞处于感受态，细胞膜通透性增加，易于吸收外源DNA；电穿孔法和病毒载体转染法也可用于目的基因导入微生物细胞。 【提出问题】 结合资料阅读教材P80～81内容回答下列问题： 1.梳理目的基因导入受体细胞的方法 受体细 胞类型方法说明特点植物 细胞　　 将目的基因插入农杆菌Ti质粒的T-DNA中→转入农杆菌→用农杆菌侵染植物细胞→将目的基因整合到植物细胞的染色体DNA上→目的基因表达适用于双子叶植物和裸子植物,尤其适用于双子叶植物　　 在植物受粉后,花粉形成的花粉管还未愈合前,剪去柱头→滴加DNA(含目的基因)溶液,使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞→目的基因表达我国科学家独创的一种方法动物 细胞　　 将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→注射了目的基因的受精卵,经胚胎早期培养后,移植到雌性动物的输卵管或子宫内→获得具有新性状的动物 将目的基因导入动物细胞最为有效的方法微生物 细胞　　　用Ca2+处理微生物细胞→感受态细胞→将基因表达载体与感受态细胞混合→在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子简便、经济、有效
2.农杆菌转化法能否直接用于单子叶植物？原因是什么？ 通过资料分析和阅读教材梳理将目的基因导入不同受体细胞的方法及特点 明确农杆菌转化法的流程和原理。 小组合作完成思考题并展示互评。 让学生通过阅读资料和教材基础知识，感受真实的科研操作过程，拓展视野，了解更全面的技术和科学家的开拓精神。
任务四、目的基因的检测与鉴定
学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
目的基因的检测与鉴定 【小组活动】 阅读教材82页内容，结合已经构建的表达载体图，设计筛选、检测、鉴定抗虫棉方案并回答下列问题。 【提出问题】 1.如何检测棉花的DNA上是否插入了Bt基因 2.如何检测Bt基因是否转录出了mRNA 3.如何检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白 4.如何鉴定转基因棉花最终获得抗虫的新性状 【归纳总结】 用思维导图的形式从分子水平、细胞水平和个体水平三个方面归纳目的基因检测和鉴定的方法 思考回答问题并从不同水平的角度了解检测与鉴定的方法。 小组合作完成思考题并展示互评。 形成思维导图并互评更正。 让学生结合已有的遗传学知识和基因表达相关知识推测和归纳检测与鉴定目的基因的几个水平，用思维导图的形式对知识进行整合，利于学生对知识的理解和掌握
完成学案中的当堂训练。
带领学生根据板书小结本节课内容。
完成素养专练（30分钟）。
以抗虫棉研发等真实情境为切入点，结合学生认知水平加工素材，设计梯度问题串，引导学生将学科知识应用于解决实际问题。例如，通过分析抗虫基因导入棉花细胞的技术流程，培养学生分析科学问题的思维。通过小组讨论、实验操作（如PCR模拟）等活动，强化学生的参与感和知识应用能力。通过流程图、概念图等工具，将抽象过程（如重组质粒构建）具象化，降低理解难度。课堂实施中，学生讨论积极，能深入思考问题并提出新见解，说明情境设计与问题引导有效激发了学生的科学思维。布置课前课后分享任务，引导学生关注基因编辑（如CRISPR-Cas9）、合成生物学等前沿技术，培养创新意识和社会责任感。例如，讨论转基因食品的伦理争议，提升学生的科学伦理素养。
课堂还存在不足，如教师讲解过多，建议今后采用“翻转课堂”等模式，提前制作微课视频让学生课前自主预习，课堂以小组探讨和实验设计为主，提高课堂效率与学生参与度。接下来可以采用“翻转课堂”模式，将基础内容录制成微课供学生预习，课堂时间聚焦难点讨论和实验设计，充分激发学生主动性。
第2节　基因工程的基本操作程序
1.目的基因的筛选和获取-前提
利用PCR获取和扩增、化学方法人工合成
2.构建基因表达载体-核心
目的基因、启动子、终止子、标记基因
3.将目的基因导入受体细胞-关键
农杆菌转化法(植物)、显微注射法(动物) 、感受态细胞转化法(微生物);
4.目的基因的检测与鉴定-保证
分子检测：是否插入、转录、翻译
个体水平：是否具有抗性以及抗性强度等。
1.合成生物学前言技术简介
合成生物学（Synthetic Biology）是21世纪兴起的交叉学科，结合生物学、工程学、信息学等，旨在通过设计、改造或从头合成生物系统实现特定功能。其核心策略是“设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环。设计是指利用生物元件库和计算机辅助工具规划基因、代谢通路或基因组。构建是指通过基因编辑（如CRISPR）、DNA合成等技术组装生物元件。测试是指验证构建系统的功能，如生产目标产物或响应环境信号。学习是指通过数据分析优化系统，进入下一轮循环。
（1）应用领域
医药：生产低成本药物（如胰岛素、疫苗），如利用微生物发酵合成青蒿素。开发基因疗法，如CAR-T细胞治疗癌症。
化工与材料：制造生物基塑料（如PHA）、生物燃料，替代化石能源。设计环保材料，如可降解包装膜。
农业：改良作物（抗旱、抗虫），如抗枯萎病金茶花。开发微生物肥料和生物农药，减少化肥使用。
食品：生产人造肉、奶等替代品，降低碳排放。合成食品添加剂（如天然香料）。
环保：利用微生物降解污染物（如石油泄漏）。设计固碳生物系统，助力碳中和。
（2）最新进展
技术突破：CRISPR基因编辑精度提升，可编辑多个基因。人工智能（AI）辅助设计生物元件，加速开发进程。
市场规模：全球合成生物学市场预计2028年达500亿美元，医疗健康为最大细分领域。
政策支持：中国将合成生物学列为战略性新兴产业，多地出台产业集群政策。
（3）其他前沿技术
基因编辑技术（CRISPR-Cas9）：利用RNA引导Cas9蛋白切割特定DNA序列，实现基因敲除、插入或修饰。目前主要应用于培育抗病作物（如抗虫棉）和治疗遗传病（如囊性纤维化）。
人工智能与生物技术融合：利用AI辅助设计预测蛋白质结构、优化代谢通路，提升合成生物学效率。利用机器人完成基因合成、细胞培养，提高实验通量。
生物传感器与生物电子器件：利用生物分子（如酶、DNA）与电子元件结合，实现高灵敏检测。目前主要应用于实时监测血糖、病原体和检测水质污染物。
（4）未来趋势
绿色制造：合成生物学推动化工、材料领域向低碳转型。
个性化医疗：结合患者基因数据，定制治疗方案。
伦理挑战：需平衡技术发展与生物安全，规范基因编辑应用。
2.基因枪法
基因枪法（Gene Gun Method），又称粒子轰击技术（Particle Bombardment）或生物弹道技术（Biobalistics），是一种通过高速金属微粒将外源基因直接导入细胞或组织中的基因转移方法。该技术自1983年由美国康奈尔大学（Cornell University）的John C. Sanford等科学家开发以来，已在植物、动物及微生物的遗传转化研究中得到广泛应用。
（1）基本原理
基因枪法利用高压气体（如氦气或氮气）产生的冲击波，将表面吸附有外源DNA的微小金属颗粒（通常为金粉或钨粉，直径0.5~5微米）加速至极高速度（约每秒数百米），轰击靶细胞或组织。金属微粒穿透细胞壁和细胞膜，将外源DNA直接送入细胞质，部分DNA最终进入细胞核并整合到宿主基因组中，实现基因转移。
（2）操作步骤
微弹制备：将外源DNA溶液与金属微粒（金粉或钨粉）混合，通过添加氯化钙
（CaCl ）或聚乙二醇（PEG）使DNA吸附在微粒表面。
微粒经无菌处理后，悬浮于无水乙醇中备用。
靶组织处理：选择适合的靶组织，如植物愈伤组织、胚性细胞、叶片或未成熟胚等，这些组织通常具有较高的分裂活性，易于接受外源DNA。
靶组织在轰击前需置于基因枪的轰击室中，保持适当湿度和温度。
轰击：将吸附有DNA的金属微粒装入基因枪的微粒载体，调整轰击参数（如气体压力、轰击距离和微粒速度）。启动基因枪，使微粒在高压气体驱动下轰击靶组织。
筛选与再生：轰击后的组织需进行筛选，以分离出成功转化的细胞。常用方法包括抗生素抗性筛选（如卡那霉素或潮霉素）或荧光标记筛选。将筛选出的细胞进行再生培养，获得转基因植株或细胞系。
（3）应用场景
植物转基因：基因枪法广泛应用于转基因植物研究，尤其是对农杆菌介导法不敏感的单子叶植物（如玉米、水稻）。成功案例包括抗虫棉、抗除草剂作物等。
动物与微生物转基因：用于将外源基因导入动物细胞（如哺乳动物神经细胞、肌肉细胞）及微生物细胞中，进行基因功能研究或遗传改良。
基因治疗研究：在基因治疗领域，基因枪法可用于将治疗性基因导入特定组织或细胞，探索疾病治疗新方法。
（4）优缺点
优点：具有广泛适用性，可应用于几乎所有类型的细胞和组织，包括难以通过其他方法转化的细胞。无宿主限制，不依赖农杆菌等载体，适用于单子叶植物及非植物受体。操作简便，无需复杂设备，实验步骤相对简单。可重复性好，实验条件易于控制，结果重现性高。
缺点：设备昂贵，基因枪设备成本较高，限制其普及。转化效率较低，通常转化率为8%~10%，低于农杆菌介导法。细胞损伤，高速微粒轰击可能对细胞造成物理损伤，影响细胞活性。随机整合，外源基因在基因组中的整合位置随机，可能导致位置效应，影响基因表达。第3章　基因工程
第3节　基因工程的应用
教学目标
1.通过梳理整合基因工程的典型应用案例，理解其基本原理，举例说出其在实际生活中的重要成果。（生命观念、社会责任）
2.通过分析材料并借助问题引导，构建基因工程操作流程模型，培养模型建构与问题解决能力。（生命观念、科学思维）
3.引导学生关注科学与社会，认同基因工程的应用对生产力的提高有促进作用。（社会责任）
教学重难点
重点:基因工程的应用及其取得的丰硕成果。
难点:理解基因工程应用背后的操作逻辑，并能够合理构建操作流程模型用于分析或设计实例。
教学方法
采用教法：讲授法、讨论法、任务驱动法、多媒体辅助教学以及案例分析等多种教学方法。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体、白板、学案、PPT等。
导入新课
请同学们想象：你们是未来生物科技公司的核心技术人员，需要向投资人推荐一个具有应用前景的基因工程项目。如何选题，如何讲清技术原理？今天我们就从应用角度出发，深入探讨基因工程的多领域实践。
(设计意图:利用角色扮演进行情境导入,能激发学生的学习兴趣,同时引出本节课要解决的问题,效果较好。)
任务一、基因工程在农牧业方面的应用
学生任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
归纳基因工程在农牧业方面的应用 【资料分析】 资料1.科学家将从苏云金杆菌中分离出来的编码苏云金杆菌Bt抗虫蛋白基因（简称Bt基因）导入棉花细胞，培育出了转基因抗虫棉。 资料2.科学家将番木瓜环斑病毒毒株的复制酶基因转入番木瓜细胞内，培育出具有很强抗病性能的转基因品系——“华农1号”。近年来，科学家利用基因工程技术将一些特定的基因，如病毒的复制酶基因和衣壳蛋白基因以及几丁质酶基因、植物抗毒素基因导入小麦、甜椒或番茄等作物，获得了抗病的小麦、甜椒或番茄等新品种。 资料3.科学家发现土壤农杆菌中的突变型EPSPS基因编码的酶对草甘膦的亲和力极低。将该基因转入大豆中，转基因大豆即使在草甘膦存在的情况下仍能合成必需氨基酸从而存活。 【提出问题】 在阅读教材P88～89内容和资料1～3的基础上，完成转基因作物的应用归类表。 1.完善表格 2.运用基因工程改良动植物品种的优点是什么？ 【思考提升】 转基因抗虫植物能杀灭害虫，与农药防治相比有很多优点，但与生物防治相比存在哪些缺点？ 阅读梳理教材和资料内容，填写表格并完成相应问题，认识到转基因技术在解决育种难题方面有着巨大应用优势。 能够正确完成思考题和思考提升题并展示，说明理由。 通过农牧业领域丰富的转基因产品，学生体会到转基因技术应用的诱人前景。 让学生了解已经应用的目的基因种类。
任务二、基因工程在医药卫生领域的应用
学生任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
归纳基因工程在医药卫生领域的应用 【资料分析】 资料1.1993年我国推出首个重组IFNα-1b（商品名“赛若金”），它打破进口药垄断，实现了规模化生产干扰素。科学家从人白细胞cDNA文库克隆IFNα-1b基因导入大肠杆菌中，使其能正常表达干扰素。 资料2.科学家发现，利用基因工程菌生产干扰素时会有一定局限性，如大肠杆菌因缺少相应细胞器故无法完成真核蛋白的加工修饰；大肠杆菌细胞壁脂多糖易随裂解释放，需额外步骤去除，增加纯化负担等等。科学家正积极探索替代办法。 【提出问题】 阅读教材P90并根据以下资料完成下列问题。 1.比较乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物的区别 2.绘制利用基因工程技术获得生产干扰素的乳腺生物反应器流程图。 【思考提升】 乳腺生物反应器有何缺陷？还可以用动物的什么部位替代生产？ 自主阅读教材，归纳总结。认识到乳腺生物反应器的生产流程，认识到基因表达的时间特异性由启动子决定。 完成思考题和思考提升题并展示，小组相互评价。 能够独立完成思考题并展示，小组间相互评价。 联系生活实际与科研成果，激发学生兴趣，培养社会责任感。 绘制流程图让学生综合掌握相关知识并增强学生知识梳理能力和获取能力。
任务三、基因工程在食品工业方面的应用
学生任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图
明确基因工程在食品工业方面的应用 【引导回扣教材】 阅读教材P91内容回答下列问题。 【提出问题】 1.凝乳酶的用途是什么？利用基因工程技术生产凝乳酶相比传统生产凝乳酶的优势有哪些？ 2.绘制利用基因工程技术生产凝乳酶的步骤概念图。 3.基因工程技术生产的工业用酶与从天然产物中提取的酶相比有何优点？ 【学以致用】 小麦是重要的粮食作物。它的根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥，这不但增加了生产成本，还可能污染环境。尝试从“引入外源基因”和“基因改造微生物”两个角度提出利用基因工程技术解决问题的方案，并分析每种方法的可行性、成本和生态风险，选择最优方案。 带着问题阅读教材P91内容并展示回答问题。 小组合作根据问题提示归纳了解基因工程在食品工业方面的应用。 通过小组合作和相互补充的方式归纳出基因工程在食品工业方面的应用。 联系食品工业实际，让学生进一步体会基因工程在生产和生活中的实际应用价值。
完成学案中的当堂训练。
带领学生根据板书总结本节课内容。
完成素养专练（30分钟）。
本节基因工程应用课程旨在通过资料分析与深度思考，帮助学生理解基因工程在农业、医药、工业等领域的革新价值。教学过程中，学生展现出对基因工程技术的强烈好奇心，尤其在讨论“生物反应器的改良”等案例时，思维碰撞激烈。但部分学生对技术细节理解存在困难，模型构建不完善，反映出基础知识需进一步巩固。
学生反馈积极但对伦理问题的讨论呼吁不多，应听取更多元的声音，建议引入跨学科视角。
第3节　基因工程的应用
1.转基因胰岛素的生产流程
（1）目的基因获取
通过PCR扩增或基因文库筛选，从人类基因组中提取胰岛素前体（含A链、B链和C肽）基因。需优化密码子以适应宿主细胞（如大肠杆菌）的偏好。
（2）载体构建
将胰岛素基因插入质粒载体，并添加强启动子（如Lac启动子）、分泌信号肽序列（引导蛋白分泌至胞外）和筛选标记（如氨苄青霉素抗性基因）。
（3）宿主选择
常用大肠杆菌或酵母菌。大肠杆菌繁殖快、成本低，但可能形成包涵体；酵母菌具有真核蛋白修饰系统，更接近人类胰岛素结构。
（4）转化与筛选
通过电穿孔或化学法将重组质粒导入宿主细胞，利用抗性标记筛选阳性克隆，并通过PCR或测序验证基因插入。
（5）发酵表达
在大型生物反应器中培养宿主细胞，控制温度、pH、溶氧量等条件。胰岛素前体以融合蛋白形式表达，便于后续纯化。
（6）提取与纯化
离心收集菌体，破碎细胞后通过亲和层析（如Ni-NTA柱）捕获融合蛋白，用蛋白酶切除融合标签，再通过离子交换层析和凝胶过滤得到高纯度胰岛素前体。
（7）体外折叠与加工
在体外模拟胰岛B细胞环境，通过添加二硫键异构酶和肽链内切酶，将前体切割为A链和B链，并形成正确的三维结构。
（8）质量检测
通过HPLC分析纯度，ELISA检测生物活性，确保产品符合药典标准。
2.转基因动植物存在的伦理问题
（1）生命伦理争议
自然完整性：跨物种基因转移被质疑违背自然规律，挑战生命本质定义。例如将荧光水母基因植入斑马鱼，引发"生命被工具化"的批评。
生物多样性风险：基因漂移可能污染野生种群，导致"超级杂草"或"基因单一化"危机，威胁生态系统稳定性。
（2）生态安全隐忧
非靶标效应：抗虫作物可能误伤传粉昆虫，Bt毒素在土壤中的残留影响微生物群落。
入侵物种风险：转基因三文鱼若逃逸可能挤占野生种群生态位，打破食物链平衡。
（3）健康风险争议
长期安全性：尽管科学界普遍认为转基因食品与传统食品同样安全，但公众对"潜在未知风险"的担忧持续存在。
抗生素抗性标记：早期转基因作物使用的抗生素抗性基因可能通过食物链传播，加剧医疗领域的耐药性问题。
（4）社会公平问题
专利垄断：跨国公司对转基因种子专利的控制，导致农民失去留种权，加剧资源分配不均。
文化接受度差异：欧洲"预防原则"与北美"实质等同原则"的监管分歧，反映不同文化对科技风险的容忍阈值。
（5）监管责任困境
跨国界污染：基因污染不受国界限制，但损害责任认定缺乏国际公约支持。
代际伦理：当前推广的转基因生物，其长期生态影响可能由未来世代承担，存在代际公平问题。第4节　蛋白质工程的原理和应用
教学目标
1.通过实例分析，引导学生理解蛋白质结构决定其功能，掌握从功能设计—结构优化—基因序列修饰的蛋白质工程核心路径。（生命观念）
2.通过实例构建蛋白质工程流程，引导学生掌握基因碱基排列顺序—蛋白质结构—蛋白质功能的关系，培养学生运用逆向思维分析和解决问题的能力。（科学思维）
3.通过了解蛋白质工程的典型应用，引导学生关注蛋白质工程在医疗、农业等领域的应用，树立科学服务于社会的理念。（社会责任）
教学重难点
重点：
1.蛋白质工程的基本原理。
2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
难点：
1.蛋白质工程的基本原理。
2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
教学方法
讲授法、案例分析法、讨论法、任务驱动法、问题引导法
课时安排
1课时
教学准备
学案，PPT。
导入新课
【师】承接“抗虫棉”情境，发现“真实”问题。教师提出转基因抗虫棉已在全球范围内取得了巨大成功，然而在某些地区害虫的抗性问题日益严重，这样的现实挑战还能靠传统基因工程解决吗？
【生】学生根据以前所学知识，从提高Bt基因表达、增加Bt抗虫基因数目、田间轮作、套作等角度提出解决策略。
【师】教师在肯定学生作答后，介绍当前蛋白结构研究方面的进展: 播放视频科学家戴维·贝克（David Baker）借助AI 技术对大数据分析的强大功能，开发出了能基于已有数据准确预测折叠蛋白质结构的软件，基于相关的研究戴维·贝克获得 2024 年获得诺贝尔化学奖。
(设计意图：通过情境导入使学生思考基因工程存在的不足及提出解决问题的办法，了解科学家使用生物信息学和物理学等方法来解决生物学问题，让学生认同重大的科学技术成就，往往是打破学科壁垒、在各种思维方式的交叉中产生的，随着学科之间的相互渗透，教会学生用全面、多角度的眼光来看待和解决问题，同时教师提出改造 Bt 蛋白的思路，引出蛋白质工程崛起的原因。)
讲授新课
任务一、蛋白质工程的基本原理
【师】资料1.Bt 抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽在碱性环境中与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，使害虫渗透压失衡而死亡。
资料2.Bt抗虫蛋白包含三部分结构，其中结构Ⅰ由多个α螺旋组成，5号α螺旋中央疏水且其螺旋长度足以跨过 3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ 、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域。
资料3.Bt抗虫蛋白结构Ⅰα5 螺旋通过6聚体的形式，即以α5螺旋的亲脂侧向外、亲水侧向内形成亲水离子通道，由于第168位的组氨酸残基存在于疏水表面的中间，对于6聚体的稳定存在非常重要，科研人员尝试用疏水性更强的精氨酸代替组氨酸来对Bt抗虫蛋白进行改造。
结合以上资料，回答相关问题：
1.结合资料1和2，推测 Bt抗虫蛋白的哪个结构可能与昆虫肠上皮细胞孔道的形成有关，阐述判断依据。
2.结合资料3，推测精氨酸代替组氨酸后，可能会对Bt虫蛋白功能造成什么影响。
3.从难易程度和可持续性角度考虑，你建议直接对蛋白质进行改造吗 阐述理由。
【生】根据课本内容及资料分析，思考并回答相关问题。
1.推测：结构Ⅰ可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成。判断依据：结构Ⅰ由多个α螺旋组成，且其螺旋长度足以跨过 3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ 、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域。
2.可能会对 Bt 抗虫蛋白功能造成的影响：可能会使6聚体的空间结构更加稳定。
3.不建议直接改造蛋白质。原因：①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。
②蛋白质无法遗传，基因可以遗传。建议对基因进行改造以持续获得新Bt蛋白。
【师】设计探究活动：改造 Bt 抗虫蛋白，增强杀虫效果。
活动 1.只改变DNA中一个碱基对，设法将 Bt抗虫蛋白第 168 位组氨酸替换为精氨酸，补充改造过程并总结改造Bt基因思路。
提示: CAU 是组氨酸的密码子，UUA 是亮氨酸的密码子，CUU 是丝氨酸的密码子，CGU、CGC、CGA、CGG 是精氨酸的密码子(四种密码子在棉花植株中均可使用)
【生】根据遗传信息的传递过程和特点，完成填空。
改造后的DNA核苷酸序列
——A A T G C A G A A G T A——
——T T A C G T C T T C A T——
改造后的RNA序列 ——U U A C G U C U U C A U——
改造后的氨基酸序列 ——亮氨酸——精氨酸——丝氨酸——
【生】总结改造 Bt基因序列的思路
从预期的Bt抗虫蛋白功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测出氨基酸的编码序列→推出mRNA序列→推出脱氧核苷酸序列→（基因定点突变技术）进行碱基的替换。
【师】采取学生评价和教师评价的方式对学生的总结情况进行点拨。
【师】活动 2.利用改造后的Bt基因，获得所需要的 Bt 抗虫蛋白。
1.完善思路：生产改造后的 Bt 抗虫蛋白流程。
2.建构概念：蛋白质工程
【生】1.完善思路：生产改造后的Bt抗虫蛋白流程：
改造后的抗虫蛋白基因序列→转录出相应的RNA→翻译合成改造后的Bt抗虫蛋白→行使预期的Bt抗虫蛋白功能。
2.建构概念：蛋白质工程
以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因(对象)，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质(实质)，以满足人类生产和生活的需求(目标)。
【师】学习到这里，我们就明确了蛋白质工程的概念和原理，现在我们来比较一下蛋白质工程和基因工程。
评价设计：
对比蛋白质工程和基因工程
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 操作对象 基因 基因
操作起点 预期蛋白质功能 目的基因
操作过程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质 可生产自然界没有的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质
结果 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
联系 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作
评价标准：100分
1.对蛋白质工程和基因工程的区别与联系理解全面且深刻，能够准确阐述两者在操作对象、操作起点、操作过程、实质和结果等方面的差异，并且能够清晰地说明蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，以及蛋白质工程离不开基因工程的基本操作。 （60分）
2.分析准确无误，逻辑严谨，条理清晰，能够运用所学知识进行深入的推理和论证。（20分）
3.表达清晰流畅，语言准确规范，术语使用恰当。（20分）
(设计意图：引导学生回顾中心法则中基因序列决定氨基酸序列、氨基酸的序列进一步决定蛋白质空间结构的规律。而在改造Bt 蛋白的过程中，则是先预期功能→预测相应结构→预测氨基酸序列→改造基因序列的过程，是中心法则的逆向思维，培养学生生命观念中的结构与功能观、生命信息观。通过由改造Bt蛋白的流程总结概括出改造一般蛋白质的流程，意在培养学生归纳推理的科学思维，并建构蛋白质工程的基本概念，体会蛋白质的功能与结构相适应、蛋白质的结构由氨基酸的序列决定、最终由基因序列决定的结构与功能观和生命信息观。)
任务二、蛋白质工程的应用
【师】请阅读教材P95内容，呈现资料，提出问题。
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
1.生产鼠—人嵌合抗体利用了哪种生物工程技术？该工程技术的目的是什么？
2.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是直接改造蛋白质本身吗？改造后鼠—人嵌合抗体有什么优点？
3.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
【生】结合教材蛋白质工程的应用内容及资料，回答相关问题。
1.蛋白质工程。目的是改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质，满足人类生产和生活的需求。
2.直接操作对象是基因，不是蛋白质。
改造后的鼠—人嵌合抗体可以有效降低人体的免疫反应，提高治疗的效果。
3.确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因；对基因的改造通常会用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
评价设计：
【归纳总结】举例说明蛋白质工程的应用。
应用 实例
【迁移拓展】T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸(异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC)，于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。关于上述过程的叙述错误的是(　　)
A.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴
B.上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现
C.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变
D.改造后的T4溶菌酶肽键数不变，二硫键的作用类似于DNA中的氢键
评价内容 优秀（90-100） 良好（75-90） 合格（60-75） 较差（60分以下）
能够准确、全面地总结蛋白质工程的应用领域，并列举多个具体实例，且实例具有代表性和科学性。
总结条理清晰，语言表达准确。
【师】前景展望：科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
(设计意图：通过案例分析、问题引导、知识总结和迁移拓展等多种教学策略，帮助学生深入理解蛋白质工程的原理、方法及其广泛应用，同时培养学生的科学思维、分析能力和知识迁移能力。通过案例驱动教学，激发学生的学习兴趣；通过问题引导探究，培养学生的自主学习和科学探究能力；通过知识总结与拓展，帮助学生系统化知识，提高知识迁移能力；通过多维度评价，全面评价学生的学习效果。)
完成当堂训练内容
天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。因此，科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。结合教材 P95相关知识和自行查阅的资料，设计速效胰岛素类似物的研发思路。
分析蛋白质的晶体结构，找到胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域→确定降低胰岛素分子间作用力的氨基酸序列→推测需要更换的氨基酸序列→找到并改变相应的脱氧核苷酸序列（基因）→获得所需要的速效胰岛素类似物。
完成素养专练。
在大概念的视角下，采用“转基因抗虫棉的培育和应用”情境贯穿本部分的学习，通过突出主干，保持学生学习的连贯性，在清晰的教学线索下，将问题链结合情境依次展开，不仅使学生保持新鲜感，也能使不同次位概念有机整合，通过解决真实情境中的真实问题来逐层推进，让学生清晰地感受概念发展和建构的过程，准确把握章节的主干知识，突出大概念的整体性。
但大概念教学也存在情境创设难度大和理论深度较高的问题，它要求教师更加系统地厘清各级概念之间的联系，设计出对应课标次位概念的核心子问题，通过对学习任务或活动的组织来落实对概念的深度学习。对一线教师来说，本节课设计较为合理，但部分教学任务的输出层级仍需提升，可以通过加强集体备课和讨论交流，关注学术前沿，注重积累一些更贴合教学主题、更有时效性、更能激发民族自豪感等的“生活实践”或“学习探索”的情境，为大概念教学提供教学的灵感。
第4节　蛋白质工程的原理和应用
1.2024年诺贝尔化学奖得主David Baker、Demis Hassabis和John Jumper
“David Baker成功完成了几乎不可能完成的壮举，制造出全新种类的蛋白质。Demis Hassabis和John Jumper开发了一种人工智能模型来解决一个50年前的问题：预测蛋白质的复杂结构。这些发现具有巨大的潜力。”蛋白质三维结构和功能的预测是现代生物化学和分子生物学中的一个重要研究领域。确定蛋白质结构的传统方法，如X射线晶体学和冷冻电子显微镜，既耗时又昂贵。近年来，人工智能和机器学习技术的发展，为蛋白质结果预测提供了一种可扩展的高效替代方法，对新药开发和理解生命过程具有深远影响。
2.对基因进行修饰或改造的方法
基因定点突变技术(site-directed mutagenesis)是一种在体外特异性地替换、插入或缺失DNA序列中任何一个特定碱基的技术。定点突变技术的基本操作是先合成一段含有突变碱基的DNA引物，并将这段引物杂交到含有目的基因的单链DNA上，该引物特定位点的碱基与模板上的碱基不互补配对，但是其余大多数碱基与模板能够配对。然后用DNA聚合酶将剩余片段进行延伸，得到的双链DNA分子转入宿主细胞并被克隆，最后用特定的筛选方法将突变分子筛选出来。要精确设计DNA引物，达到实现基因定点突变以及改变蛋白质氨基酸序列的目的，就需要知道特定蛋白质的氨基酸序列或编码基因的碱基序列。现在的科学技术已经能够实现准确测定蛋白质的氨基酸序列和基因的碱基序列。
基因融合技术能够将不同的基因进行组合，构成融合基因，表达出具有复合功能的融合蛋白。基因剪接技术可将编码一种蛋白质的部分基因剪切下来，移植到另一种蛋白基因上，这样就可以将不同蛋白质的特性集中到一种蛋白质上。基因融合和基因剪接技术可以显著地改变蛋白质的特性。
3.蛋白质工程与酶工程的区别与联系
酶工程是将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于工业生产、医疗诊断和环境保护等方面的一项生物工程。与蛋白质工程重点关注对蛋白质的改造或制造新的蛋白质不同，酶工程重点关注的是酶制剂的生产和应用。它的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；用蛋白酶处理毛纺织品，可以防止水洗后缩水，还可以提高染色效果，减少污染；用蛋白酶、脂肪酶等处理皮革，可以缩短皮革鞣制过程，减少污染和提高产量；青霉素酰化酶能催化青霉素的水解反应，可以用来制备半合成青霉素等。我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等也都是酶工程的产品。酶制剂主要的来源是微生物，因此一般通过微生物发酵的方法来生产酶制剂。目前，一些重要的酶制剂都是用基因工程菌发酵生产的。
对酶进行改造和修饰属于酶工程的范畴。我们可以用化学方法改造酶的一级结构，或者对酶分子的侧链基团进行化学修饰；也可以用蛋白质工程的方法，通过改造酶的基因来获得具有优良性状的新酶。随着蛋白质工程的发展，将会有更多的成果应用到酶工程领域。第3章 基因工程
章末复习课
教学目标
1.通过复习基因工程的基本原理和操作流程，结合抗虫棉研发案例，强化学生的生命观念与科学思维能力，提升对基因工程核心原理和操作逻辑的理解。（生命观念）
2.通过分析基因工程在抗虫棉研发中的应用，梳理基因工程操作流程的逻辑关系，提升学生运用科学思维解决实际问题的能力，提升学生对基因工程原理和应用的系统性理解。（科学思维）
3.通过对蛋白质工程改造抗虫蛋白的复习，让学生回顾实验设计的关键步骤，提升在复习中整合知识、设计实验方案的能力，进一步提升科学探究素养。（科学探究）
4.结合基因工程和蛋白质工程在农业等领域的应用实例，让学生回顾基因工程技术和蛋白质工程技术对社会和人类健康的积极影响，增强对科学知识应用的社会责任感。（社会责任）
教学重难点
重点：
1.基因工程的基本工具与操作流程（包括PCR扩增目的基因）。
2.基因工程和蛋白质工程在农业等领域的典型应用。
难点：
1.限制酶和载体构建的双酶切策略。
2.PCR扩增过程的关键条件。
教学方法
讲授法、讨论法、练习法等教学方法，准备PPT。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体，学案，PPT等。
情境导入
中国农科院郭三堆研究员为代表的科研人员通过基因工程的方法，培育出转基因抗虫棉，不仅有效控制了棉铃虫和红铃虫的危害，而且打破了抗虫棉主要依赖美国进口的局面。我国培育出多种类型的转基因抗虫棉新品种，这些新品种不仅保证了棉花高产、稳产、优质，还较好地保护了生态环境，提升了我国农业高新技术的国际竞争力。
尽管 Bt 微生物制剂和转基因抗虫棉已经在全球范围内取得了巨大成功， 但是抗虫蛋白存在毒力有限、抗虫谱较窄、害虫对 Bt 抗虫蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt 抗虫蛋白在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。
（设计意图：通过抗虫棉研发案例，自然引入基因工程单元的学习内容，展示基因工程在农业领域的重大成就，帮助学生理解其在解决实际问题中的重要价值。通过引导学生思考“如何通过改造Bt蛋白提升抗虫性能”这一问题，串联基因工程的工具、操作及其应用逻辑，为后续复习任务奠定思维基础。）
任务一、基因工程的基本工具
请结合教材知识，阅读材料，完成学案内容：
【师】资料1：将从苏云金杆菌中获取的Bt基因转入棉花细胞内培育转基因抗虫棉的过程中，需借助多种分子工具且经历多个操作步骤。实验人员使用限制酶EcoR Ⅰ和Nhe Ⅰ切割质粒。如图表示常用的限制酶识别序列和切割位点以及质粒上的限制酶切割位点。请思考以下问题：
(1)请用图示法写出限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割后形成黏性末端的过程。
(2)切割图示中的目的基因应选用哪类限制酶？请说明理由。
(3)用两种不同的限制酶切割目的基因的优点是什么？
【生】限制酶EcoR Ⅰ：
限制酶Nhe Ⅰ：
（2）用限制酶MunⅠ和SpeⅠ切割目的基因。限制酶MunⅠ和EcoRⅠ切割后形成的黏性末端相同，限制酶NheⅠ和SpeⅠ切割后形成的黏性末端相同，实验人员使用限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割质粒，应选用MunⅠ和SpeⅠ切割目的基因。
（3）防止质粒和目的基因的自我环化及质粒和目的基因的反向连接。
【师】深度思考：若目的基因内部存在MunⅠ酶切位点，应该如何调整实验方案？
【生】①寻找与 Mun I 产生相同黏性末端的其他限制酶（同尾酶），以避免内部切割。
②重新设计引物引入新的酶切位点：通过 PCR 引物设计，在目的基因的两端引入新的酶切位点，避开 MunI的切割位点。
【师】依据所学内容，自主完成迁移拓展1和归纳总结中“限制酶的选择”的相关内容。
【迁移拓展1】(2023·新课标卷，6)某同学拟用限制酶(酶1、酶2、酶3和酶4)、DNA连接酶为工具，将目的基因(两端含相应限制酶的识别序列和切割位点)和质粒进行切割、连接，以构建重组表达载体。限制酶的切割位点如图所示。
下列重组表达载体构建方案合理且效率最高的是(　　)
A.质粒和目的基因都用酶3切割，用E.coli DNA连接酶连接
B.质粒用酶3切割、目的基因用酶1切割，用T4 DNA连接酶连接
C.质粒和目的基因都用酶1和酶2切割，用T4 DNA连接酶连接
D.质粒和目的基因都用酶2和酶4切割，用E.coliDNA连接酶连接
【归纳总结】限制酶的选择
(1)不破坏目的基因原则：如图甲中可选择 ，而不选择 。
(2)保留 原则：质粒作为载体必须具备标记基因，所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中不选择 。若载体上有两个及以上的标记基因，则可合理对其中一些标记基因进行酶切破坏，从而达到比一个标记基因更高的筛选成功率，防止只有一个标记基因时出现的“假阳性”(即未成功导入目的基因的载体也能正常表达标记基因，造成无效筛选)。
(3)善用“双酶切”，注意方向性：目的基因所在序列和载体上存在多种酶切位点时，一般需要选择在目的基因所在序列和载体上都存在切割位点的两种不同的限制酶，对目的基因所在序列和载体进行剪切，即“双酶切法”。其优点是
即用DNA连接酶连接后形成的重组DNA分子上，目的基因和载体启动子的方向(或描述为“RNA聚合酶的移动方向”)必须是相同的，否则目的基因导入后无法正常表达。如图甲、乙也可选择 和 两种限制酶。
(4)巧用“同尾酶”：同尾酶指来源不同，但能产生相同黏性末端的限制酶。当不适合选择某种限制酶时，可用其同尾酶替换，以获得相同的黏性末端。
【生】自主完成迁移拓展1、归纳总结中的内容，进行小组讨论完善答案，进行小组展示。
【迁移拓展1】C
【归纳总结】
（1）PstⅠ SmaⅠ
（2）标记基因、启动子、终止子、复制原点 SmaⅠ
（3）①防止目的基因环化；②避免目的基因与载体反向连接 Pst Ⅰ EcoR Ⅰ
评价设计：
根据学生迁移拓展1的作答情况及归纳总结的完成情况，通过学生互评、教师点评检测学生对基因工程的基本工具这部分内容的掌握情况。
评价要素 等级A 等级B 等级C 学生互评 教师评价
内容要求 能正确分析迁移拓展1的各个选项并能准确总结选择限制酶的标准 能得出迁移拓展1的准确答案并大致准确总结选择限制酶的标准 不能得出迁移拓展1的准确答案、不能准确总结选择限制酶的标准
（设计意图：巩固基础知识，通过限制酶切割和黏性末端的图示，帮助学生复习和巩固基因工程基本工具的使用。培养分析能力，通过选择限制酶和调整实验方案，培养学生分析和解决实际问题的能力，提升科学探究能力。）
任务二、基因工程的基本操作程序
【师】活动一：利用PCR技术扩增Bt基因
资料2：Bt抗虫蛋白基因(简称Bt基因)是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因，筛选Bt基因后可以利用PCR技术对其进行大量扩增。回答下列问题：
(1)什么是引物？DNA复制时为什么需要引物？
(2)PCR扩增Bt基因需要知道Bt基因的全部核苷酸序列吗？
(3)为检测Bt基因在转基因抗虫棉细胞中是否转录，科研人员提取棉花细胞中的总RNA，经逆转录过程获得总cDNA，通过PCR技术可在总cDNA中专一性地扩增出Bt基因的cDNA，原因是什么？
(4)PCR扩增过程中的循环图示与规律如图所示，若一个Bt基因在PCR中经过n轮循环，理论上得到多少个DNA分子？含引物的DNA分子多少个？含其中一种引物的DNA分子多少个？同时含两种引物的DNA分子多少个？共需要消耗多少个引物？含不等长脱氧核苷酸链的DNA分子多少个？含等长脱氧核苷酸链的DNA分子多少个？
(5)PCR扩增Bt基因的过程中需要解旋酶吗？并说明理由。所需要的DNA聚合酶应具有什么特点？
【生】结合所学知识回答相关问题
（1）引物是指一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。在DNA扩增时，DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，只能从引物的3′端延伸DNA链，因此复制DNA时应加入两种引物。
（2）不需要，只要知道Bt基因两端的部分核苷酸序列即可(以便根据这部分序列合成两种引物)。
（3）引物是依据Bt基因的一段已知序列设计合成的(或引物能与Bt基因的cDNA特异性结合)。
（4）经过n轮循环，得到2n个DNA分子，含引物的DNA分子2n个，含其中一种引物的DNA分子数(2n－1)个，同时含两种引物的DNA分子(2n－2)个，共需要消耗(2n＋1－2)个引物。含不等长脱氧核苷酸链的DNA分子2n个，含等长脱氧核苷酸链的DNA分子(2n－2n)个。
（5）不需要解旋酶，因为PCR过程中，DNA双链在高温下即可完成解旋。由于PCR过程温度较高，故所需要的DNA聚合酶应具有耐高温的特点。
【师】活动二：利用农杆菌转换法培育抗虫棉
（1）农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入的目的分别是什么？
（2）为了保证目的基因在受体细胞中能正确表达，对目的基因在质粒中的插入位点有什么要求？
（3）该实例中，导入目的基因的方法是农杆菌转化法。为什么目的基因可以整合到染色体的DNA上？
【生】（1）第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的T－DNA上，第二次拼接(非人工操作)是指插入目的基因的T－DNA拼接到受体细胞的染色体DNA上；第一次导入是将含目的基因的Ti质粒导入农杆菌，第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的T－DNA导入受体细胞。
（2）目的基因应插入启动子与终止子之间。
（3）由于Ti质粒上的T－DNA可转移到受体细胞且能整合到受体细胞的染色体DNA上，而目的基因又插入T－DNA，所以目的基因可以整合到受体细胞的染色体DNA上。
【师】深度思考
（1）在抗虫棉培育过程中，为了防止花粉随意传播导致的“基因污染”，可以采取什么措施？
（2）为了优化Bt基因的表达，提高转基因抗虫棉的抗虫效果，科研工作者选择不同的启动子开展实验，启动子的作用是什么？如何检测效果情况？
【生】深度思考（1）①叶绿体转基因技术：将目的基因转入作物的叶绿体基因组中。由于植物的花粉一般只含有核基因组，而不含叶绿体基因组，因此通过该技术获得的转基因植物花粉本身不含转基因，从而限制了转基因通过花粉传播。
②雄性不育技术：利用雄性不育植株，将抗虫基因导入这些植株中。雄性不育植株的花粉无法正常发育或传播，从而限制了基因通过花粉的传播。
（2）启动子的作用：启动子是基因表达调控的重要元件，位于基因的上游，是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。
检测方法：①抗原—抗体杂交法：通过特异性抗体检测Bt蛋白在转基因棉花中的表达水平。
②个体性状检测：将棉铃虫幼虫放置在转基因棉花叶片上，观察其生长发育情况和死亡率，评估抗虫效果。
【师】依据所学内容，自主完成迁移拓展2和归纳总结中“启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别”的相关内容。
【迁移拓展2】制备荧光标记的 DNA探针时，需要模板、引物、DNA聚合酶等。在只含大肠杆菌DNA 聚合酶、扩增缓冲液、H2O和4种脱氧核苷酸（dCTP、dTTP、dGTP 和碱基被荧光标记的 dATP）的反应管①～④中，分别加入如表所示的适量单链DNA。已知形成的双链 DNA 区遵循碱基互补配对原则，且在本实验的温度条件下不能产生小于9个连续碱基对的双链 DNA区。能得到带有荧光标记的DNA探针的反应管有（ ）
A.①② B.②③ C.①④ D.③④
【归纳总结】启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别
项目 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子
本质
位置
功能
【生】自主完成迁移拓展2、归纳总结中的内容，进行小组讨论完善答案，进行小组展示。
【迁移拓展2】D 【解析】题干中给定的条件为“在反应管中只含大肠杆菌DNA聚合酶、扩增缓冲液、H2O和4种脱氧核苷酸”，其中缺少引物和模板，所以加入的单链DNA既要提供模板，又要同时作为引物。分析给定的四组DNA，均可以形成双链DNA，且②④两组的引物还可以自身折叠，结合题干信息“本实验的温度条件下不能产生小于9个连续碱基对的双链DNA区”可知自身折叠部分无法形成，所以给定引物均可以两两结合形成双链DNA区作为模板和引物进行延伸，需要注意的是提供的原料中只有dATP的碱基被荧光标记，故要想得到带有荧光标记的DNA探针，扩增的模板链中应含碱基T。
分析反应管①～④中加入的单链DNA，看哪种情况下可得到符合要求的双链DNA，即带有荧光标记的DNA探针，如表所示：
①中两条单链DNA分子之间具有互补的序列，但双链DNA区之外的3'端无模板，因此无法进行DNA合成，不能得到带有荧光标记的DNA探针；②中单链DNA分子内具有自身互补的序列，根据题干信息“在本实验的温度条件下不能产生小于9个连续碱基对的双链DNA区”，故一条单链DNA分子不发生自身环化，但两条单链可以形成双链DNA区，由于合成DNA的链中不含碱基A，不能得到带有荧光标记的DNA探针；③中两条单链DNA分子之间具有互补的序列，且双链DNA区之外的3'端有模板和碱基T，因此进行DNA合成能得到带有荧光标记的DNA探针；④中单链DNA分子内具有自身互补的序列，一条单链DNA分子不发生自身环化，两条链可以形成双链DNA区，且双链DNA区之外的3'端有模板和碱基T，因此进行DNA合成能得到带有荧光标记的DNA探针。
【归纳总结】启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别
项目 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子
本质 DNA DNA mRNA mRNA
位置 目的基因上游 目的基因下游 mRNA首端 mRNA尾端
功能 RNA 聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出 mRNA 使转录在所需要的地方停下来 翻译的起始信号(编码氨基酸) 翻译的结束信号(正常情况下,不编码氨基酸)
评价设计：
根据学生迁移拓展2的作答情况及归纳总结的完成情况，通过学生互评、教师点评检测学生对基因工程的基本操作程序这部分内容的掌握情况。
评价要素 等级A 等级B 等级C 学生互评 教师评价
内容要求 能正确分析迁移拓展2的各个选项并能准确总结启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别 能得出迁移拓展2的准确答案并大致准确总结启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别 不能得出迁移拓展的2准确答案、不能准确总结启动子、起始密码子、终止子、终止密码子的区别
（设计意图：针对近几年山东卷的重点考查内容，通过具体任务和问题，引导学生复习基因工程的基本操作程序，包括PCR技术和农杆菌转化法。通过活动一和活动二的问题设置，帮助学生理解PCR扩增、目的基因转录检测、农杆菌转化法的原理和操作步骤，以及启动子、终止子等基因元件的作用。同时，通过深度思考和迁移拓展，培养学生分析问题和解决问题的能力，提升科学思维和探究素养。）
任务三、基因工程与蛋白质工程的应用
【师】呈现资料，提出问题：
资料3：近年来，科学家们通过引入双价抗虫基因，进一步提高了抗虫棉的抗虫效果。双价抗虫基因是指将两个具有不同杀虫机制的基因（如Bt基因和CpTI基因）共同转入棉花。Bt基因编码的Bt毒素能够杀死或抑制害虫的生长和繁殖，而CpTI基因编码的蛋白酶抑制剂可以抑制害虫消化道中的蛋白酶，阻止其消化功能，从而增强抗虫效果。
资料4：亚洲玉米螟因APN受体发生Q212L突变，导致Cry1Ac蛋白抗虫效果下降。科研团队计划利用蛋白质工程对Cry1Ac的β-片层区（450-470位氨基酸）进行改造，以恢复其与突变受体的结合能力。
（1）上述抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？为什么？
（2）从环境保护和抗虫效果角度出发，分析双价抗虫棉与单基因转基因抗虫棉、普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些。
（3）请结合资料4，利用蛋白质工程对上述蛋白进行功能改造，提升抗虫棉的抗虫效果。
【生】思考并回答相关问题
（1）不能。抗虫基因具有专一性，体内未导入抗病毒、细菌和真菌的基因。
（2）与单基因抗虫棉相比，增强了对害虫的杀伤力，还延缓了害虫对单一抗虫基因产生抗性的速度。与普通棉相比，减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。
（3）从预期功能出发（恢复Cry1Ac与突变APN受体的结合能力） → 设计蛋白质结构（调整β-片层区的化学性质） → 推测氨基酸序列 → 改造或合成基因（通过基因定点突变）→ 获得所需要的蛋白质。
通过ELISA结合实验（原理抗原—抗体结合，检测Cry1Ac蛋白和APN受体的结合能力）和活体饲喂实验，验证Cry1Ac-M的结合效率及杀虫效果。
【师】【合作交流】基因工程和蛋白质工程用到了苏云金芽孢杆菌，请结合所学知识对二者在其利用方面存在的不同和联系进行归纳。
【生】不同之处
1.操作对象和层面
基因工程：主要是对基因进行操作。例如，从苏云金芽孢杆菌中获取具有杀虫作用的Cry基因，然后将其导入到植物细胞中。这个过程主要是通过基因重组技术，将目的基因（Cry基因）与载体（如质粒）结合，再将其导入受体细胞（如植物细胞）。
蛋白质工程：主要是对蛋白质进行改造。例如，通过对Cry蛋白的氨基酸序列进行改变，使其对害虫的毒性更强或者稳定性更高。这个过程需要对基因进行定点突变，从而改变蛋白质的结构和功能。
2.技术手段
基因工程：常用的技术手段包括基因克隆、基因重组、限制酶切割和DNA连接酶连接等。例如，利用限制酶切割目的基因和载体，然后用DNA连接酶将它们连接起来，构建基因表达载体。
蛋白质工程：常用的技术手段包括基因定点突变、PCR技术等。例如，通过PCR技术引入特定的突变位点，改变Cry蛋白的氨基酸序列。
3.应用目标和结果
基因工程：主要目标是将苏云金芽孢杆菌的杀虫基因转移到其他生物中，使其具有抗虫特性。例如，将Cry基因导入棉花细胞，培育出抗虫棉。
蛋白质工程：主要目标是优化苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白，提高其性能。例如，通过对Cry蛋白的改造，使其对某些害虫的毒性更强，或者使其在更广泛的环境条件下保持活性。
联系
1.基础联系。基因工程是蛋白质工程的基础。蛋白质的合成是由基因控制的，通过对基因的操作可以间接影响蛋白质的合成和功能。例如，基因工程中对Cry基因的改造可以直接影响其编码的Cry蛋白的性质。
2.共同目标。两者在利用苏云金芽孢杆菌时，共同的目标是提高其杀虫效果，开发更高效、更环保的生物农药。例如，基因工程和蛋白质工程都可以通过改造Cry基因或Cry蛋白，提高其对特定害虫的杀虫活性。
3.相互促进。基因工程为蛋白质工程提供了基因资源和表达系统。例如，通过基因工程将Cry基因导入到大肠杆菌中，使其高效表达，为蛋白质工程提供了大量的Cry蛋白进行改造。
蛋白质工程的成果也可以通过基因工程进行应用。例如，经过蛋白质工程改造的Cry基因可以通过基因工程导入植物或微生物中，进一步提高其应用价值。
评价设计：基因工程和蛋白质工程用到了苏云金芽孢杆菌，请结合所学知识对二者在其利用方面存在的不同和联系进行归纳。
评价要素 等级A 等级B 等级C 等级D 教师评价
内容要求 知识掌握全面，分析理解能力强，表达清晰，具有创新思维。 知识掌握较好，分析理解能力较强，表达较清晰，有一定的创新思维。 知识掌握基本正确，分析理解能力一般，表达不够清晰，缺乏创新思维。 知识掌握不准确，分析理解能力弱，表达混乱，缺乏创新思维。
【师】归纳总结：判断基因工程和蛋白质工程
【生】(1)如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换、增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
(2)如果合成的蛋白质是自然界中已存在的蛋白质(天然蛋白质)，则是基因工程；如果合成的蛋白质与天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
完成学案中的素养专练
完成课后作业（30分钟）。
在基因工程章末复习课中，以抗虫棉的培育和改良为大情境，整体教学效果较为理想，但也暴露出一些需要改进的地方。结合抗虫棉对生态环境的保护作用以及我国在该领域的成就，增强了学生对科学知识应用的社会责任感和民族自豪感，实现了知识与情感态度的双重教育目标。知识整合与应用：通过抗虫棉案例，学生能够将基因工程的基本工具、操作步骤与实际应用紧密结合，提升了对知识的整体把握和系统性理解，有助于学生构建知识体系。思维能力培养：设计的深度思考和迁移拓展问题，有效锻炼了学生的分析和解决问题的能力，培养了学生的科学思维和创新意识，使学生能够从不同角度思考问题。
发酵工程章末复习
一、基因工程的基本工具
限制酶的合理选择
二、基因工程的基本操作流程
1.PCR技术扩增目的基因的操作流程
2.构建抗虫棉的基因表达载体
3.利用农杆菌转化法导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
三、基因工程和蛋白质工程的应用
1.基因工程方法提升抗虫棉抗虫效果
2.蛋白质工程方法提升抗虫棉抗虫效果
一.发酵工程近五年考题分布
2020年山东卷第5题，2020年山东卷第15题，2020年山东卷第25题，2021年山东卷第13题，2021年山东卷第25题，2022年山东卷第13题，2022年山东卷第25题，2023年山东卷第25题，2024年山东卷第13题。
通常以具体情境，考查基因工程的原理、工具和基本操作程序，启动子的含义和功能，PCR技术的原理，限制酶的作用、基因表达载体的组成、启动子的作用等，题目难度系数大；其中启动子的插入位点和插入方向、报告基因的表达等都需要学生有很强的理解信息、获取信息的能力、以及综合运用知识解决问题的科学思维和科学探究能力，通过基因工程考查学生的结构与功能观。
二.相关高考题
1.（2020山东高考） 双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）与脱氧核苷三磷酸（dNTP）的结构如图所示。已知ddNTP按碱基互补配对的方式加到正在复制的子链中后，子链的延伸立即终止。某同学要通过PCR技术获得被32P标记且以碱基“C”为末端的、不同长度的子链DNA片段。在反应管中已经有单链模板、引物、DNA聚合酶和相应的缓冲液等，还需要加入下列哪些原料？ （ ）
dGTP，dATP，dTTP，dCTP ②dGTP，dATP，dTTP
③α位32P标记的ddCTP ④γ位32P标记的ddCTP
A. ①③ B. ①④ C. ②③ D. ②④
【答案】A 【解析】PCR扩增DNA时，需要dGTP、dATP、dTTP、dCTP作为原料，而脱氧核苷三磷酸（dNTP）连接到子链上时，会断掉2个高能磷酸键，为了获得被32P标记且以碱基“C”为末端的、不同长度的DNA片段，32P标记应位于ddCTP的α位，加入ddCTP后会终止子链的延伸，获得不同长度的子链DNA片段，故需要①③，A正确。
2.（2023山东高考） 科研人员构建了可表达J-V5融合蛋白的重组质粒并进行了检测，该质粒的部分结构如图甲所示，其中V5编码序列表达标签短肽V5。
（1）与图甲中启动子结合的酶是____________。除图甲中标出的结构外，作为载体，质粒还需具备的结构有________________（答出2个结构即可）。
（2）构建重组质粒后，为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确，需进行PCR检测，若仅用一对引物，应选择图甲中的引物___________。已知J基因转录的模板链位于b链，由此可知引物F1与图甲中J基因的_____________（填“a链”或“b链”）相应部分的序列相同。
（3）重组质粒在受体细胞内正确表达后，用抗J蛋白抗体和抗V5抗体分别检测相应蛋白是否表达以及表达水平，结果如图乙所示。其中，出现条带1证明细胞内表达了__________，条带2所检出的蛋白______________（填“是”或“不是”）由重组质粒上的J基因表达的。
【答案】（1）RNA聚合酶 限制酶切割位点、标记基因、复制原点等
（2）F2和R1或F1与R2 a链
（3）J-V5融合蛋白 不是
【解析】(1)基因表达载体的构建启动子是为了启动下游基因的“表达”，表达首先需要转录，因此RNA聚合酶识别和结合的部位才是转录的起始。作为运载体必须具备的条件：①要具有限制酶的切割位点；②要有标记基因（如抗性基因），以便于重组后重组子的筛选；③能在宿主细胞中稳定存在并复制；④是安全的，对受体细胞无害，而且要易从供体细胞分离出来，图中甲有启动子和终止子等，因此质粒还需具备的结构有限制酶的切割位点、标记基因、复制原点等。
(2)据图甲可知，引物F2与R1或F1与R2结合部位包含J基因的碱基序列，因此推测为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确，进行PCR检测时，若仅用一对引物，应选择图甲中的引物F2和R1或F1与R2。b是模板链，而根据图上启动子和终止子的位置可知转录方向是图上从左向右，对应的模板链方向应该是3'→5'，非模板链（也就是a链）是5'→3'；考虑到DNA复制的方向是子链的5'→3'，引物基础上延伸的方向肯定是5'→3'，所以引物结合的单链其方向是3'→5'；图中F1是前引物，在左侧，所以其配对的单链是3’→5'的b链，故其序列应该与a链相应部分的序列相同。
(3)据图乙可知，用抗J蛋白抗体和抗V5抗体分别检测，均出现条带1，说明条带1是J-V5融合蛋白。抗J蛋白抗体检测出现条带2，抗V5抗体检测不出现条带2，说明条带2所检出的蛋白不是由重组质粒上的融合的J基因表达的。第4章　生物技术的安全性与伦理问题
本章主要涉及概念6“生物技术在造福人类社会的同时也可能会带来安全与伦理问题”中的6个重要概念“举例说出日常生活中的转基因产品”“探讨转基因技术在应用过程中带来的影响”“举例说出生殖性克隆人面临的伦理问题”“分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验”“举例说明历史上生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害”“认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散”。转基因产品的安全问题和克隆人是社会焦点问题，通过对转基因、克隆人和生物武器等问题的探究，培养学生的信息加工能力、论证能力、批判性思维与辩证思维，发展其社会责任等学科素养。通过本部分内容的学习，学生不但能举例说出日常生活中的转基因产品、生殖性克隆人面临的伦理问题，还要有能力探讨转基因技术在应用过程中带来的影响，分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验；要知道什么是生物武器，生物武器对人类的威胁，我国对生物武器的态度。通过学习使学生理解生物学知识是生物工程的设计基础，通过生物工程进行产品的开发、提高人类生活质量应在法律和伦理的约束下进行。在面对生产、生活中与基因工程相关的问题和“克隆人”“生物武器”时，能全面搜集材料、理性甄别，熟练运用科学思维方法开展探讨、论证，作出科学判断、阐明个人立场，自觉抵制封建迷信和伪科学，养成健康的生活方式，珍爱生命。
本章内容聚焦于与现代生物技术的发展直接相关的、尤为突出的三个问题(转基因产品、克隆人和生物武器)安排了3节相对独立的内容，第1节转基因产品的安全性，第2节关注生殖性克隆人，第3节禁止生物武器，进行深入讨论学习。本章位于《基因工程》模块的结尾，是前面技术与工程内容通向社会实践与伦理思考的桥梁，突出了“技术—社会”维度的拓展，是对学生综合思维与责任意识的重要培养环节，也为今后相关职业道德、科技伦理等的养成奠定基础。本章内容与选择性必修3模块前三章的内容联系密切，是对前三章知识、技术和工程层面内容与社会的联系，直指科学技术的社会责任问题。从令人叹为观止的转基因技术和对转基因产品安全性的辩论，到审视生殖性克隆人所面临的伦理问题，再到认识生物武器对人类生命、财产安全造成的严重威胁与伤害。为了达成学习目标，本章设计了包括辩论、调查、思维训练、参观等在内的多样化教学活动，在培养学生理性分析能力和批判性思维的同时，强化学生的辩证思维、养成质疑的学习习惯，不信谣、不传谣，有助于养成遵守法律、坚定正确的立场和积极承担社会责任的意识。这样的安排能够激发学生沉浸于学习全过程的兴趣，符合学生的认知规律，对于培养学生的表达能力和适应社会发展有着重要意义。
学生在初中已经学习过生殖和发育、遗传与变异等知识，在必修2学习过减数分裂等相关知识，本模块又学习了“克隆”“胚胎工程”“基因工程”等内容，对相关技术有了较为深入的了解，各类媒体中关于转基因安全和克隆人等伦理问题也有大量报道，但这部分知识的复杂性仍然给学生的学习和认知带来了较大挑战。教师可借助学生已有的知识和经验及搜集媒体素材等作为创设教学情境的理想素材，帮助学生更好地将现代生物技术的产生、应用和发展与现实生活切实联系起来，并提高其生物科学素养和对学习的兴趣。同时，借助多样化的活动,帮助学生理性地看待生物技术的安全性和伦理问题，培养学生运用相关知识做出正确决策的能力,并锻炼学生的应变能力和表达能力。引导学生以自主学习为主,结合搜集到的资料分析、讨论等相关活动，帮助学生澄清模糊认知，坚定科学立场，树立积极参与社会事务的责任意识。
教学重点
（1）理性看待转基因技术。
（2）我国不赞成、不允许、不支持、不接受任何进行生殖性克隆人实验的原因。
（3）生物武器对人类造成的威胁与伤害。
教学难点
（1）搜集证据并组织对转基因食品安全性的辩论。
（2）我国不赞成、不允许、不支持、不接受进行任何生殖性克隆人实验的原因。
（3）生物武器的特点。
第1节　转基因产品的安全性 1课时
第2节　关注生殖性克隆人 1课时
第3节　禁止生物武器 1课时
单元复习课（选） 1课时
第4章 生物技术的安全性与伦理问题
第1节　转基因产品的安全性
教学目标
1.引领学生列举日常生活中的转基因产品，理解转基因技术的基本原理及其在转基因微生物、转基因动物、转基因植物等方面的应用，培养学生的生命观念和科学思维。（生命观念、科学思维）
2.指导学生阐述转基因产品的安全性问题，包括其对人类健康、生态环境等方面可能产生的风险，学会从多角度评估转基因技术的安全性，提升学生科学探究的能力。（科学探究）
3.引导学生关注转基因产品的安全性问题，理解其对社会、伦理和环境的影响，使学生认同对生物技术安全性问题进行科学讨论和公众参与的必要性，培养学生的批判性思维和社会责任感。（社会责任）
教学重难点
重点：1.转基因技术的基本原理及其在农业生产、医药研发等领域的应用
2.关注转基因产品的安全性问题，认同对生物技术安全性问题讨论的必要性。
难点：利用转基因技术的基本原理，阐述生产各种转基因产品的基本步骤。
教学方法
采用直观教学法、讲述法、启示法、讨论法、角色扮演法等教学方法，准备PPT。
课时安排
1课导入新课
“同学们了解你身旁的转基因食品吗？你们是否注意到超市中有些食品包装上注明了‘非转基因’字样？为什么会有这样的标识？转基因食品已经走进了我们的生活，日常生活中还有哪些转基因产品？转基因产品是否安全？你在自然产品和转基因产品间更倾向于选择哪种？通过问题的思考激发学生的生活联想，增强情境真实感。展示一些常见的转基因产品（如转基因蓝玫瑰、番茄、大豆油等），让学生意识到转基因技术已经广泛应用于日常生活中。
(设计意图:由现实实例导入,能激发学生的学习兴趣和认知冲突,效果较好。)
探究一、转基因成果令人叹为观止
请阅读教科书P101~102内容，思考学案中的1~3题。
教学任务：
引领学生自主阅读教科书P101~102内容，通过设置疑问：你知道有哪些转基因产品？其优势是什么？总结近年来取得的转基因产品成果的相关知识。
教学实施：
【师】教师引导学生阅读教科书3分钟，并完成学案探究一，通过第一部分内容的学习，学生了解转基因产品在微生物、植物和动物方面的应用成果。
【生】学生完成学案后，小组内相互交换订正答案。
【师】教师投影展示一个学生的答案，通过评价对答案进行规范，同时归纳总结转基因产品带给人们的成果。
【生】完成学案的【判断】与【思考】内容
评价设计：①学生完成学案问题并展示答案，观测学生对教科书的阅读情况。
②通过学生对判断题的作答情况检测学生对学习内容的掌握情况。
③完成转基因番茄培育过程，检测学生对基因工程基本步骤的掌握情况。
(设计意图：通过教师设疑并引领学生完成学案内容，让学生了解转基因成果的广泛性。通过学案内容的书写、判断与思考题的完成，检测学生对教科书的阅读情况，检测学生对基因工程基本步骤的掌握情况，进一步回顾基础，提高学生生命观念和科学探究的能力。)
探究二、对转基因产品安全性的争论
阅读教科书P103，结合对转基因技术的理解，回答下列问题。
教学任务：
引领并组织学生通过查阅材料，搜集证据，以大胆质疑、小心求证的方式进行辩论，提高学生科学思维的严谨性，增强社会责任感。
教学实施：
【师】制作多媒体课件（转基因争议事件时间轴-附在备课资源），准备辩论素材（世界卫生组织报告、环保组织观点-附在备课资源）
【生】分组查阅资料（教师提供的资源或者提前准备的网络资源），分别收集支持/反对转基因安全性的科学依据、案例和社会观点。
学生角色扮演，教师规定辩论流程：
1.每组陈述观点（3min/组）
2.自由辩论（10min），教师引导追问：“环保组织提到的‘基因污染’，科学家组如何回应？”
3.总结陈词（2min/组）
【师】教师归纳争议焦点（健康风险、生态影响、伦理问题等）。强调科学共识（如国际权威机构的安全性评估）与未解决的问题。
过渡：同学们和人民大众关心的问题是一致的，如基因污染的问题，那么我们应如何减少基因污染带来的影响呢？
【师】请同学们阅读学案【拓展延伸】内容，并完成思考题1和2。
【生】阅读学案中的【拓展延伸】基因污染，完成相关问题。
评价设计：
辩论表现评分表（语言逻辑、证据质量、团队合作）。
课堂笔记检查（是否记录正反方关键论据）。
(设计意图：通过角色辩论将抽象争议具象化，帮助学生理解“安全性”的多维性，区分“个人担忧”与“科学风险”，如对比“谣言”与“经同行评议的研究”，提升学生科学思维能力，提升社会责任素养。)
探究三、理性看待转基因技术
阅读教科书P103~104，回答下列问题。
教学任务：通过解决学案上的问题，理解转基因作为一项技术本身是中性的，各个国家都制定了符合本国利益的法规和政策。
教学实施：
【师】请完成学案上的三个问题，了解我国制定的转基因方针政策、符合本国利益的法规和政策有哪些 目的是什么
【生】完成学案，展示答案。
评价设计：对我国法规和政策的理解程度，学生的参与度。
(设计意图：通过此设计，学生既能掌握科学知识，又能形成基于证据的决策能力，避免"绝对安全"或"绝对危险"的极端判断，强调"风险-收益"综合分析框架。)
完成学案中的当堂训练
完成素养专练（30分钟）
在“转基因产品的安全性”教学中，一大亮点是采用了丰富多元的教学素材 。引入了国内外转基因作物种植的实际数据，以及生活中常见的转基因食品案例，像转基因大豆油、转基因番茄的具体分析等，既复习了基因工程的基本步骤，又把抽象知识具象化，激发了学生的探索兴趣。课堂上组织的小组辩论活动也成效显著，学生围绕转基因技术的利弊各抒己见，不仅锻炼了批判性思维，还提升了团队协作与表达能力。通过引导学生分析正反双方观点，促进他们对知识的深度理解，从单纯知晓转基因概念，深入到思考其在社会、伦理、环境等多层面的影响。
教学过程中也存在明显不足。例如，部分学生在辩论中引用证据不足或表达略显情绪化，需在课前加强规范表达与资料整理的训练。时间把控不够精准，在小组辩论环节耗时过多，导致后续对一些复杂的转基因技术原理及潜在风险的深入剖析匆匆收尾，学生未能充分消化。另外，在教学深度上有所欠缺，对于转基因技术背后复杂的分子生物学机制，只是浅尝辄止，没能满足基础较好、求知欲强的学生的需求。而且在引导学生将理论知识与现实应用紧密结合方面做得不够，没有充分拓展到如何在政策制定、市场监管层面保障转基因产品的安全性，使得知识应用的教学环节不够完善 。
转基因产品的安全性
一、转基因成果令人叹为观止
1.转基因微生物方面：微生物作为转基因材料的优点、转基因在微生物方面的应用。
2.转基因动物方面：培育生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜；培育抵抗相应病毒的动物新品种；建立转基因动物模型。
3.转基因植物方面：培育具有抗虫、抗病、抗除草剂、耐储藏等新性状的作物。
二、对转基因产品安全性的争论
1.陈述各自的观点。
2.提供可靠的证据，符合逻辑的推理判断。
三、理性看待转基因技术
1.如何理性看待？
2.我国对转基因技术的方针、法规。
【资料1】在转基因生物体内，外源基因的存在可能会干扰受体生物基因的表达，影响受体生物的正常生命活动，对受体生物造成伤害。释放到环境中的抗虫和抗病类转基因植物，除对害虫和病菌致毒外，对环境中的有益生物也将产生不利影响甚至致其死亡，从而破坏生物的多样性。转基因植物可能因抗性增强而成为入侵性杂草，或者可能造成基因污染（转入的目的基因通过杂交转移到近缘野生物种），导致超级杂草的产生。这些都可以对本地物种产生竞争排斥，造成本地物种种群数量或生物量下降，甚至灭绝，从而使生物多样性下降。
【资料2】转基因生物对生态系统可能存在长期而复杂的影响。例如超级杂草产生后，对当地生态系统的物质循环、能量流动、信息传递等过程与功能的执行，可能会有一个长期效应，需要一定时间后才能观察到其影响。大面积种植转基因作物，可能会对生态环境中非转基因植物的生存构成威胁，从而破坏生态系统内的生态平衡。
【资料3】转基因食品可能有害人体健康。转基因技术在大大提高食品产量和品质的同时，也可能引起食品成分非预期的改变，对人体的健康产生潜在危害。外源基因的转入可能会使生物体原有的“沉默基因"开启，导致生物体内产生有毒物质或过敏原；有人怀疑，首例转基因动物三文鱼转入的生长激素基因有可能会对青少年的生长发育产生不利影响；转基因食品从出现至今仅20多年，不少人担心其安全隐患可能会在若干年后出现。
【资料4】在转基因植物体内转入的仅是一种或几种基因，对受体生物本身造成的影响极其有限。转基因产品从研究到获准上市，需要经过一系列严苛的评估，以确保其安全性。植物花粉的生命力短暂，传播距离有限，只要将不同作物的生育期错开，或者较远距离种植，就可避免花粉在近缘物种间扩散；技术上，可采取“细胞质转基因技术” “负压”（低于外界大气压）等多种实验室操作方法，有效控制转基因生物的潜在风险。同时，转基因生物的生命力远不如人们想象的那么强，多数转基因生物在自然界无法长期生存，并不具备形成基因污染的条件。
【资料5】盘点国际上权威组织对转基因的态度
1. 安全性评估
世界卫生组织（WHO）：市场上的转基因食品通过严格安全评估，未发现对人类健康有害的证据。
欧盟委员会：130多项研究证实，转基因技术风险不高于传统育种。
美国科学院：分析30年数据后，认为转基因作物与传统作物在健康风险上无差异。
2. 环境与健康影响
英国皇家学会：转基因作物对环境无害，食用安全。
毒理学学会：转基因食品的安全性与传统食品相当，未发现不可预知的风险。
3. 全球科学界支持
多国科学院（中、美、英等）联合声明，转基因技术可提高食品营养和稳定性，惠及全球消费者。
美国科学促进会（AAAS）：转基因作物经严格测试，谣言（如致癌、不育）均无科学依据。
【资料6】科学家朱作言对转基因食品的看法：
中国科学院院士，第三世界科学院院士。先后担任中科院水生生物研究所研究员，中国科学院水生生物研究所所长，国家淡水生态与生物技术重点实验室主任，国家自然科学基金委员会副主任，《科学通报》执行主编，中国国际科技合作协会会长。主要从事遗传发育生物学及生物技术方面的研究。
澎湃新闻：你怎么看转基因这种技术？朱作言：人们理解的转基因、常说的转基因，应该是一种分子杂交，或分子杂交育种。一个物种和一个物种的杂交，是二者各自全套的基因的杂交、混合。转基因，也是杂交，但它不是全套基因的杂交，它只是一个物种的一个基因，和另一个物种的全套基因进行的杂交。我把一个优良性状的基因拿出来，跟另外一个所需要的生产品种杂交，这就是分子杂交育种。比如说，我把一个β-胡萝卜素基因拿出来，跟水稻杂交，让原本不具有这一基因的水稻，有了这一基因，这是分子杂交，一个基因和一个品种的杂交嘛。如果我说转基因，跟老百姓说转胡萝卜基因，他就恐慌，也说不清楚。如果我说，β-胡萝卜素基因跟水稻杂交，跟什么品种的水稻杂交；说把一个抗虫蛋白的基因跟玉米杂交，这样玉米也抗虫了；或者说把一个作物抗旱的基因拿出来，与水稻杂交，这样来提高水稻的抗旱性，这样说，比较清楚一点。
参考文献：
盘点国际上权威组织对转基因的态度，人民网《转基因ABC》第4章 生物技术的安全性与伦理问题
第2节　关注生殖性克隆人
教学目标
通过分析教材中体细胞核移植技术流程（如多莉羊案例），引导学生识别生殖性克隆与治疗性克隆的基本特征，并能结合教材内容分析生殖性克隆人面临的伦理风险。（生命观念、科学思维）
2. 通过对比教材中治疗性克隆与生殖性克隆的差异，引导学生明确技术应用的合理边界，并能分析我国制定四不原则的依据。（科学探究、社会责任）
3.借助案例讨论“设计试管婴儿”，帮助学生树立科学发展需尊重伦理规范的意识，形成负责任的科技观和社会价值观。
教学重难点
重点:通过讨论与交流,让学生了解克隆的生物学机制，同时探讨生殖性克隆和治疗性克隆的区别，克隆技术可能引发的基因多样性、个体权利等科学争议。
难点:在探究生殖性克隆争议时，引导学生基于科学原理与伦理逻辑表达观点，避免盲目臆断或情绪化判断。
教学方法
讲授法、案例导入法、角色扮演、小组讨论、资料分析与教材阅读相结合，配合PPT图示与法律资料展示。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体,白板,学案,PPT等。
导入新课
【师】展示克隆猴、“克隆人”的图片。
克隆人是科幻作品中常见的主题。早在1978年,一本名为《克隆人》的书中就讲述了一个科幻故事。一位富商将自己的体细胞核移植到一枚去核的卵母细胞中,然后将它在体外发育成的胚胎移植到母体子宫中,最后得到了一个健康的男婴,这个男婴就是那位商人的克隆人。如果你是科学家或者患者家属，会支持克隆人研究吗？你的判断依据是什么？
【生】课前查阅资料,观看克隆猴、“克隆人”的图片,分析克隆动物,引导学生讨论。
(设计意图:从热点问题出发,引导学生讨论,激发学生的学习兴趣。)
任务一、生殖性克隆人面临的伦理问题
请阅读教材P106~107相关内容，根据学过的克隆技术，思考1~3问题。
教学任务
引领学生自主阅读教材P106~107内容，通过设置疑问：科幻作品《克隆人》书中富商得到他的克隆人的技术流程是怎样的？比较生殖性克隆和治疗性克隆的概念，写出两个克隆方法的流程，学生通过填写表格，从目的、操作水平、胚胎处理方式总结两者的本质区别与联系，为生殖性克隆人带来的伦理问题奠定理论基础。
教学实施：
【师】生殖性克隆和治疗性克隆有什么本质区别？请阅读教材P106~107后，完成学案中的1~3题。
【生】填写学案问题内容及表格，学生通过克隆人的基本实验流程，回忆克隆相关基础知识，学生在补充两种克隆的区别时，可以在幻灯片上直接画出，展示思维过程。
【师】同学们支持生殖性克隆和治疗性克隆吗？为什么？根据搜集的材料展开辩论。
【生】学生通过辩论对两种克隆方式有更进一步的理解。
评价设计：完成【思考·讨论】，根据学生作答情况，及时反馈做好教学调整。
(设计意图：由学过的克隆技术导入本节课，引导学生关注生殖性克隆人可能引发的问题,并进行初步思考。）
任务二、我国禁止生殖性克隆人
请阅读教材P106~107相关内容分析和思考,理解禁止生殖性克隆人的原因。
教学任务：让学生了解我国对生殖性克隆和治疗性克隆的态度是什么？
教学实施：
【师】我国对生殖性克隆和治疗性克隆的态度是什么？
【生】(1)我国政府不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。原因如下:①克隆人只是某些人出于某种目的制造出的“产品”,没有“父母”,这可能导致他们在心理上受到伤害;②由于技术问题,可能孕育出有严重生理缺陷的克隆人;③克隆人的家庭地位难以认定,可能使以血缘为纽带的父子、兄弟和姐妹等人伦关系消亡;④生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念;⑤生殖性克隆人是对人类尊严的侵犯;⑥生殖性克隆人破坏了人类基因多样性的天然属性,不利于人类的生存和进化。
(2)我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题,主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。我国颁布了相关法规,以保证干细胞的研究在有关规定下进行,并尊重国际公认的生命伦理准则,促进我国干细胞研究健康发展。
评价设计：通过学生展示学案的3个问题，让学生了解我国对克隆人的态度。
（设计意图：让学生了解我国对生殖性克隆人的态度,进而坚定禁止生殖性克隆人的立场。引导学生理性、客观地看待生物技术的成就,培养学生参与公众事务和讨论问题的意识和责任感。）
任务三、警惕用新技术研究生殖性克隆人
阅读教材P108,回答学案中的1~4问题。
教学任务：分析产生iPS细胞的方法有哪些，分析讨论为什么要警惕用新技术研究生殖性克隆人,严格遵守技术标准和伦理规范。
教学实施：
【师】产生iPS细胞的方法有哪些？从技术上来讲利用iPS细胞能克隆人吗？对于生理缺陷的父母能通过基因编辑生出健康婴儿吗？
【生】回答iPS细胞产生过程，通过阅读学案中的材料，理解产生iPS细胞的两种方法，并且能够分析出用4种转录因子诱导人成纤维细胞转变成iPS细胞带来致癌风险的原因是什么。
【师】“人类基因组编写计划”目的是什么？它会给人类带来什么积极意义和不良影响？
【生】根据教材内容以及自己对基因组编辑相关知识的理解进行回答。
【师】“设计试管婴儿”和试管婴儿有什么区别？
【生】思考回答教材P109“思考·讨论”中的问题，通过回答问题加深对两者区别的理解。
评价设计：该部分围绕“设计试管婴儿”等前沿生物技术，从多个角度设计问题，涵盖了基础知识、技术原理、伦理争议以及实践应用等方面，问题层层递进，引导学生逐步深入思考。问题设置具有开放性，例如对伦理问题的探讨，鼓励学生发表自己的见解，培养学生的批判性思维和分析问题的能力。同时，通过要求学生阅读和分析资料，增强学生自主获取信息的能力。
（设计意图：旨在让学生了解生殖性克隆及相关生物技术，认识到科学技术是一把双刃剑。一方面，引导学生理解生物技术在解决人类医疗难题等方面的积极作用；另一方面，促使学生关注生物技术可能带来的伦理和社会问题，树立正确的科技伦理观，提高对科学技术发展的社会责任感，培养学生综合运用知识分析和解决实际问题的能力。）
完成学案中的当堂训练
概括总结本节课的主要内容。
完成素养专练（30分钟）
在“关注生殖性克隆人”的教学过程中，我通过多元化的教学策略，极大地提升了学生的学习积极性与综合素养。一方面，通过富商克隆人的过程，有效帮助学生回顾克隆技术的核心知识，显著提升了课堂教学效率。另一方面，组织学生开展“生殖性克隆人利弊”的辩论赛，让学生在激烈的思想碰撞中，从科学、伦理、法律和社会等多个维度深入剖析生殖性克隆人议题，锻炼了学生的批判性思维与语言表达能力。此外，布置小组调研作业，要求学生收集并分析国内外生殖性克隆人的相关政策，不仅培养了学生的团队协作能力，还增强了学生对科学技术与社会关系的认知。
尽管本次教学取得了一定成果，但仍存在一些有待改进的地方。在教学内容的深度把控上，对于克隆技术中基因编辑、细胞重编程等前沿知识，讲解得不够深入，无法满足对生物学有浓厚兴趣、学有余力的学生的需求。在教学方法的运用方面，课堂讨论环节的组织不够高效，部分学生参与度较低，未能充分发挥团队协作学习的优势。另外，对学生的个体差异关注不够，在教学过程中，未能充分考虑不同学生的学习进度和接受能力，导致部分基础薄弱的学生在理解克隆技术原理时感到吃力。在教学评价环节，过于侧重学生对知识的掌握程度，对学生在讨论、调研等活动中的过程性评价不够全面，难以准确反映学生的综合素养发展情况。
第2节 关注生殖性克隆人
一、克隆人引发的伦理问题
1.克隆人的流程
2.生殖性克隆与治疗性克隆的区别
二、我国禁止生殖性克隆人
四不原则
三、警惕用新技术研究生殖性克隆人
1.iPS细胞产生的方法
2.试管婴儿和设计试管婴儿的概念及区别
让治疗性克隆造福社会
1996年，克隆羊多莉的诞生引发了全球对克隆技术的关注。克隆技术分为生殖性克隆和治疗性克隆，两者的目的和伦理影响截然不同。
一、生殖性克隆的伦理与技术问题
1. 伦理争议
人权与尊严问题：克隆人仅是生理特征的复制，无法复制心理和社会属性，可能导致克隆人沦为“工具”，违背人权。
伦理关系混乱：克隆人涉及多个遗传供体（核供体、卵细胞供体、代孕者），导致家庭和社会伦理关系难以界定。
克隆人的自主权：克隆人无法选择是否愿意出生，可能成为科学实验的牺牲品，并面临心理疾病风险。
2. 技术缺陷
极低成功率：克隆动物存活率低，且大多伴随先天疾病、早衰等问题。
基因异常：克隆体可能出现端粒缩短、基因表达异常等，影响健康。
因此，我国及多数国家禁止生殖性克隆，以维护伦理底线和生命尊严。
二、治疗性克隆的科学价值与社会效益
治疗性克隆以修复组织、治疗疾病为目标，仅培养特定细胞、组织或器官，而非完整个体。我国支持该技术研究，并规定胚胎培养不超过14天，避免伦理争议。
应用前景：
1. 器官移植
我国每年超100万人需器官移植，但供体短缺且配型困难。
治疗性克隆可培育与患者遗传物质一致的器官，避免免疫排斥，实现“自给自用”。
2. 疾病治疗
帕金森病：科学家已通过克隆神经元缓解小鼠病症，未来或应用于人类。
药物研发：克隆细胞可用于测试药物安全性和有效性。
3. 生态与物种保护，拯救濒危物种，修复受损生态系统。
结论：禁止生殖性克隆，发展治疗性克隆
生殖性克隆违背伦理、技术不成熟，必须严格禁止。
治疗性克隆能挽救生命、推动医学进步，应大力支持并规范管理，让科技真正造福社会。
参考文献
1.克隆猴图片.中国科普.他们在“无人问津”的小岛，培育出举世瞩目的克隆猴。
2.吴俊龙.让治疗性克隆造福社会.高中生物Biology。第4章 生物技术的安全性与伦理问题
第3节 禁止生物武器
教学目标
1.通过让学生观看视频、阅读教材以及资料，引导学生说出生物武器的主要种类及其致病原理，形成尊重生命、反对战争、维护和平的意识。（生命观念）
2.利用生物学基本概念，分析生物武器传播与致病机制，理解其对人类社会的威胁，提升学生科学思维能力。（生命观念、科学思维）
3.了解国际社会和我国对待生物武器的政策与立场，强化学生的社会责任意识和国家安全意识。（社会责任）
教学重难点
重点:1.说明生物武器的种类和特点。
2.举例说明生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害。
难点:通过学习，具有防范生物武器威胁的意识，掌握一定的防范方法和技能。
教学方法
1.采用多媒体辅助教学,展示有关生物武器的资料。
2.学生通过开展辩论，共同探讨生物武器的相关问题。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体,白板,学案,PPT等。
导入新课
通过观看外交部发言人赵立坚回答记者问题的视频，导入本节课，提问学生：什么是生物武器？你觉得生物武器离我们遥远吗？我国对生物武器的态度是什么？
（设计意图：让学生通过观看视频，了解我国对生物武器的态度，从而引起学生对生物武器的兴趣。）
任务一、生物武器的危害
教师活动：请同学们阅读【探究一】中的【小资料】了解蜡样芽孢杆菌和炭疽杆菌各有哪些特点？完成思考中的题目。
学生活动：学生展示答案，其他学生进行补充，教师点评学生答案。
1.蜡样芽孢杆菌可以被改造成像炭疽杆菌一样的致病菌，通常用的方法是______。
转基因技术
2.若用上述方法生产炭疽杆菌，对人类的威胁更大,为什么
利用转基因技术制造的炭疽杆菌可以具有蜡样芽孢杆菌易从自然界转移至食物，引起食物中毒的特点，并且具有炭疽杆菌易引起肺炭疽、皮肤炭疽和肠炭疽的特点，其中皮肤炭疽最为常见。它的致病因子包括保护性抗原、致死因子和水肿因子等，更易传播、杀伤性更强。
学生活动：合作探究
学生以小组为单位，结合小资料及教材P111~112，讨论思考第3小题，限时3min。
教师活动：引导学生结合教材P111~112以及小资料，分析并回答下列问题。
（1）从传播角度来看，与枪、炮、导弹等常规武器相比，生物武器有什么特点？
与常规武器相比，生物武器的传播具有以下特点：传播途径多；传播方法简单，使用方便；传播时具有潜伏期。生物武器可以通过向目标地散播苍蝇、跳蚤、蚊子等携带病原菌的动物使人感染，或直接污染水源、食物，或通过信件等传播。生物武器可以随身携带，使用时不需要其他相关设备和装置，使用后一般也不会留下痕迹。多数生物武器传播的是传染病，传染病一般具有潜伏期，早期不易被发现，所以更容易大面积暴发。
（2）生物武器和常规武器的危害有什么本质差别？
用于制造生物武器的致病菌、病毒等本质上是生物，可以进行大量的自我复制。一个人受到这些生物武器伤害后，可以传染很多人，其危害程度难以估量；生物武器更容易伤害大量平民等。
（3）生物武器的杀伤力一定大于常规武器吗？为什么许多国家禁止研发生物武器而不禁止研发常规武器呢？
提示：对这两类武器的杀伤力不应进行简单的量化比较，有些常规武器的杀伤力也特别大。生物武器容易被恐怖主义势力掌握，也容易伤及无辜平民，违反人道主义精神，有时连使用者都无法控制其传播疾病的范围，所以许多国家禁止研发生物武器。
学生活动：表达交流，同时回扣基础，解决并记忆预习案内容
评价设计：完成学案相关问题，检测学生对生物武器相关知识的掌握程度
1.生物武器的种类有哪些？
致病菌类、病毒类、生化毒剂类等
2.生物武器有哪些特点？
致病能力强、攻击范围广
3.生物武器的散布途径有哪些？对人类有哪些危害？
提示：可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布；造成人、畜大规模死亡，也能大量损害植物
4.第二次世界大战期间，侵华日军组建的731部队和100部队，在我国领土上修建了几十座细菌武器工厂，大量培养了_____________________________的病原体。
鼠疫、霍乱、伤寒和炭疽等一系列致命的传染病
5.某些国家以科学研究为名,进行细菌武器、生化毒剂等的研究和储存,如生产和储存传染性极强、致死率极高的 。
炭疽杆菌
6.转基因技术出现后,使得利用这一技术制造各种 成为可能。
新型的致病菌
（设计意图：通过思考第1~2题，可以帮助学生回顾所学知识，将基因工程与生物武器相联系，培养学生利用理论知识解决实际问题的能力、提取信息并进行推理的能力。）
任务二、对生物武器的威胁，不能掉以轻心
教师活动：生物武器对于战争而言耗资少、杀伤性大，各国对生物武器的态度是怎样的？你了解的生物武器威胁有哪些？请同学们阅读教材P112，自主完成学案探究二
学生活动：自主思考
阅读教材加思考，限时4min。
学生展示答案，其他学生进行补充，教师点拨并展示答案。
学生活动：表达交流
学生表达，其他学生评价，限时2min
1.说一说地球上生物武器的威胁有哪些？
(1)某些国家以科学研究为名,进行细菌武器、生化毒剂等的研究和储存。
(2)某些国家至今仍然保存着已经在自然界消失的天花病毒毒株,而现在的年轻人普遍都没有接种天花疫苗。
(3)一些恐怖组织或个人试图寻找各种大规模杀伤性武器,而生物武器相对容易获得,也便于携带和施放。
(4)转基因技术出现以后，使得利用这一技术制造各种新型的致病菌或病毒成为可能,这些新型致病菌无药可医或者使具有某种易感基因的民族感染上这些病毒。
2.针对生物武器各国的应对策略是怎样的？
提示：(1)苏联、美国、英国签署了《禁止生物武器公约》。1984年11月,我国也加入了这一公约。
我国态度:在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
教师活动：教师点评
你还知道哪些关于生物武器的素材，给大家普及一下？教师对学生的回答进行点评，展示答案进行纠正。
教师与学生活动：回扣基础，解决并记忆预习案内容
现在请回扣预习案第7题及预习自测题
7.我国对待生物武器的原则:在任何情况下 生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
不发展、不生产、不储存
（设计意图：能够阐明相关知识在生活中的应用，尝试提出解决现实生活问题的思路和方案，加深学生对生物武器危害的认识，以及我国反对生物武器坚定立场的理解，提升学生对生物安全重要性的认识，增强社会责任感 。）
完成学案中的当堂训练
完成素养专练（30分钟）
1、本节内容通过了解生物武器的危害、对生物武器的威胁，不能掉以轻心两个环节，环环相扣。通过学生自主思考、表达交流、教师点拨、基础回扣的形式对学习内容进行夯实拓展，在学习过程中感受学习的乐趣，激发学生的学习积极性；学生通过思考、讨论、表达，能够积极参与课堂活动，鼓励学生发散思维。
2、对生物武器的威胁，不能掉以轻心环节主要采取小组合作制，通过学生自己收集资料、分析资料，树立对待生物武器的正确态度，形成禁止生物武器的意识。整堂课以传统教学和信息技术手段相结合，有效反馈学生的学习状况和学习效果，根据学生的学习情况，及时强调重点、调整教学节奏。
3、在对生物武器的威胁，不能掉以轻心环节未严格控制时间，导致本节课展示时间偏长；本节内容侧重于激发学生学习积极性和学生学习习惯、学习能力的培养，对知识点的讲解与巩固时间偏少。
一、生物武器的种类及特点
二、前事不忘，后事之师
1.与常规武器相比，生物武器的特点
2.生物武器和常规武器的危害有什么本质差别
三、对生物武器的威胁，不能掉以轻心
1.生物武器的潜在威胁
2.世界各国对生物武器的态度
1. 拓展资源
（1）案例分析：提供关于生物武器事件的具体案例，如1979年苏联生物武器实验室事故、2001年美国生物恐怖袭击事件等，帮助学生了解生物武器的现实威胁。
（2）生物安全实验室：介绍生物安全实验室的设施、设备和管理规范，帮助学生了解生物武器的危险性和生物安全的重要性。
（3）生物技术在医学和农业中的应用：介绍基因工程、克隆技术等生物技术在医学和农业领域的应用，帮助学生了解生物技术的积极意义。
2. 拓展建议
（1）阅读拓展：建议学生阅读关于生物武器和国际公约的书籍和文章，如《生物武器：恐怖的威胁》、《国际生物武器控制》等，以深入了解生物武器的威胁和国际社会在禁止生物武器方面的努力。
（2）参观生物安全实验室：建议学生参观当地的生物安全实验室，了解实验室的设施、设备和管理规范，亲身体验生物安全的严谨性和重要性。
（3）参与讨论：建议学生参与关于生物武器和国际公约的讨论，如学校、社区或在线论坛，与其他学生或专家进行交流和讨论，提高自己的观点和见解。
（4）开展课题研究：建议学生开展关于生物武器或生物安全的课题研究，如调查当地社区对生物武器的看法、分析国际生物武器控制的现状和挑战等，培养学生的研究能力和批判性思维能力。第4章 生物技术的安全性与伦理问题
教学目标
1.通过案例分析，引导学生识别转基因产品潜在的安全隐患，培养科学评估转基因技术的能力。（科学思维）
2.通过比较试管婴儿、治疗性克隆和生殖性克隆等案例，引导学生掌握三种克隆方式的技术特征与伦理差异。（生命观念、科学思维）
3．举例说明生物武器的特点及对人类造成的严重威胁与伤害，让学生认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散。向人们宣传生物武器给我国及其他国家的人们曾经带来的危害，关爱生命，远离战争。（社会责任）
教学重难点
重点:转基因技术成果及安全性、生殖性克隆伦理问题、生物武器危害。
难点:在复习过程中理解关键概念并形成理性判断，提升应对复杂伦理议题的思辨能力。
教学方法
采用直观教学法、讲述法、启示法、讨论法等教学方法。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体，白板，学案，PPT等。
导入新课
教师活动：
展示一系列作物图片，其中既包括传统的非转基因作物，也包含转基因作物，如转基因大豆、转基因玉米等。引导学生参与互动：“大家看看这些图片，猜猜哪些是转基因作物，哪些不是？你们是根据什么来判断的呢？”
简短分享一个关于转基因作物如何解决全球饥饿问题的案例，“在非洲某些地区，由于气候恶劣和土壤贫瘠，传统作物难以生长。科学家们通过转基因技术，培育出了抗旱、抗虫的作物品种，使得这些地区的粮食产量大幅提高。”
我们在辨识作物的同时，更要探讨转基因背后的安全性与伦理争议，这是本章复习的核心。
学生活动：
仔细观察图片，尝试根据作物的外观特征、生长环境等信息猜测是否为转基因作物。
与同桌或小组成员交流自己的猜测和判断依据。聆听教师分享的案例，思考转基因技术的潜在价值和意义。
(设计意图：以辨别转基因作物和解决全球饥饿问题切入，通过比较转基因作物与普通作物相比存在的优势，激发学生进一步了解转基因产品的动机。)
任务一、转基因产品的安全性
教师活动：
提出探究问题：“外源基因转移到农作物叶绿体DNA上，能否通过花粉传播？为什么？”引导学生分析玉米α-淀粉酶基因与目的基因共同转入植物以防止转基因花粉传播的原因。展示乙烯合成酶反义基因转基因番茄的案例，回顾分析目的基因和转基因原理。
学生活动：
观看图片，思考教师提出的问题。分组讨论探究问题，结合所学知识提出假设并设计实验验证。分析乙烯合成酶反义基因转基因番茄的案例，回答相关问题。
评价设计：观察学生在课堂上的参与程度，投影展示学生学案的回答情况，评价学生在知识掌握和应用方面的科学思维。
（设计意图：通过案例分析和学案作答，对学生的表达清晰度、准确性、逻辑性进行评价。引导学生深入理解转基因技术的安全性。培养科学思维和批判思维，形成正确的科学观。）
任务二、关注生殖性克隆人
教师活动：
提出问题：结合图示分析，人类治疗性克隆主要涉及哪些生物技术？治疗性克隆与生殖性克隆中胚胎的处理方式是否相同？
将问题拆分为更具体的小问题：结合动物细胞核移植回答克隆设计的生物技术。在治疗性克隆中，胚胎会发育到哪个阶段？目的是什么？在生殖性克隆中，胚胎又是如何处理的呢？目的是什么？引导学生分阶段思考。
学生活动：
分组讨论治疗性克隆与生殖性克隆的区别和联系，特别是胚胎处理方式的差异。
每组选派代表，分享本组的讨论结果。
教师活动：引入脐带血治疗白血病的案例。介绍脐带血治疗白血病的案例，包括其科学原理、治疗效果和伦理争议。引入当前干细胞研究和应用的最新进展，以及这些进展带来的新伦理挑战。设计一次角色扮演活动，让学生分别扮演科学家、伦理学家、患者和公众，从不同的角度讨论脐带血治疗白血病的伦理问题。
学生活动：
分析脐带血治疗白血病的案例，讨论其科学价值和伦理争议。参与角色扮演活动，从不同角度思考伦理问题，并尝试提出自己的解决方案。
教师活动：引导学生回顾教材基础知识，制作一个详细的对比表格，列出试管婴儿、设计试管婴儿和动物细胞核移植概念、技术手段、实践应用的比较以及联系。
学生活动：
根据教师的讲解和提供的表格，总结试管婴儿、设计试管婴儿和动物细胞核移植的区别和联系。
评价设计：
观察学生在小组讨论和角色扮演活动中的表现，设计一份详细的评分表，从参与度、逻辑性、创新性等多个维度评价学生的表现。投影展示学生表格完成情况，检查学生对三种技术的掌握程度。
（设计意图：通过全面观察学生在小组讨论和角色扮演活动中的表现，评估学生对克隆技术相关知识的掌握程度及批判性思维能力的发展。关注学生在讨论中的参与度、逻辑表达及创新观点，同时利用对比表格的完成情况检验其对试管婴儿、设计试管婴儿及动物细胞核移植技术的理解深度与区分能力，最终促进科学思维与生命观念的全面培养。）
任务三、禁止生物武器
教师活动：
引导学生仔细阅读提供的材料，特别是材料二中关于生物战剂气溶胶的描述，提问：“从传播的角度来看，生物武器具有哪些特点？”鼓励学生从材料中提取信息，如颗粒小、渗透力强、杀伤范围广等。组织学生分组讨论生物武器与枪炮、导弹等常规武器在传播方式、杀伤效果等方面的区别。每组选派代表，分享本组的讨论结果，教师进行总结，强调生物武器的独特威胁，如难以防范、后果严重等。详细讲解《禁止生物武器公约》的背景、主要内容和意义，特别是公约对生物武器研制和使用的禁止规定。结合材料一中提到的专家小组研究报告，讨论加强生物武器防治方法研究的重要性，讲解我国对待生物武器与转基因产品安全性的态度，对比我国在转基因产品安全性问题上的态度，强调科学评估、严格监管和确保安全的原则。
学生活动：
认真阅读材料，理解生物武器的特点和《禁止生物武器公约》的相关内容。思考生物武器与常规武器的区别，以及我国对待生物武器与转基因产品安全性的不同态度。积极参与小组讨论，分享自己的看法和观点，与小组成员共同总结生物武器的特点和与常规武器的区别。每组选派代表，分享本组的讨论结果，认真听取其他组的分享，并进行比较和补充。深入思考我国对待生物武器与转基因产品安全性的不同态度，尝试从伦理、科学、社会等多个角度理解这些态度的合理性。
评价设计：
观察学生在小组讨论中的表现，评价其参与度、逻辑性和创新性。关注学生观点表达、论据支持和结论推导，评估其思维深度和广度，此过程中学生进行图示板书及归纳活动。
（设计意图：通过引导学生阅读材料和分析案例，深入理解生物武器的特点和危害，培养学生的科学探究能力和批判性思维。通过介绍《禁止生物武器公约》和我国对待生物武器的态度，增强学生的社会责任感和关爱生命的意识。通过对比我国对待生物武器与转基因产品安全性的不同态度，引导学生从多个角度思考问题，形成正确的伦理观。）
完成当堂训练
完成素养专练（30分钟）。
本章教学成功之处在于紧密联系实际案例，如脐带血治疗白血病和生物武器禁止等，帮助学生深入理解生物技术的安全性和伦理性问题。通过角色扮演和小组讨论等互动活动，激发了学生的学习兴趣，培养了他们的批判性思维和伦理意识。同时，利用多媒体资源，如视频和动画，增强了教学的直观性和互动性，使学生能够更好地理解和掌握知识。
然而，本章教学也存在一些不足之处。首先，教学内容可能过于理论化，缺乏足够的实践环节，导致学生难以将理论知识应用于实际问题中。其次，部分小组讨论环节未明确目标任务，建议后续每组分配不同子任务，提高参与效率与讨论深度。最后，建议教师在引导伦理讨论时，适当使用‘角色冲突对话’策略，帮助学生代入不同立场形成价值碰撞。
《禁止生物武器公约》内容
【颁布日期】1972.04.10
【实施日期】1975.03.26
议定条款如下：
第一条　本公约各缔约国承诺在任何情况下决不发展、生产、储存或以其他方法取得或保有：
一、凡类型和数量不属于预防、保护或其他和平用途所正当需要的微生物剂或其他生物剂或毒素，不论其来源或生产方法如何；
二、凡为了将这类物剂或毒素使用于敌对目的或武装冲突而设计的武器、设备或运载工具。
第二条　本公约各缔约国承诺尽快但至迟应于本公约生效后九个月内，将其所拥有的或在其管辖或控制下的凡属本公约第一条所规定的一切物剂、毒素、武器、设备和运载工具销毁或转用于和平目的。在实施本条规定时，应遵守一切必要的安全预防措施以保护居民和环境。
第三条　本公约各缔约国承诺不将本公约第一条所规定的任何物剂、毒素、武器、设备或运载工具直接或间接转让给任何接受者，并不以任何方式协助、鼓励或引导任何国家、国家集团或国际组织制造或以其他方法取得上述任何物剂、毒素、武器、设备或运载工具。
第四条　本公约各缔约国应按照其宪法程序采取任何必要措施以便在该国领土境内，在属其管辖或受其控制的任何地方，禁止并防止发展、生产、储存、取得或保有本公约第一条所规定的物剂、毒素、武器、设备和运载工具。
第五条　本公约各缔约国承诺，在解决有关本公约的目标所引起的或在本公约各项条款的应用中所产生的任何问题时，彼此协商和合作。本条所规定的协商和合作也可在联合国范围内根据联合国宪章通过适当国际程序进行。
第六条
一、本公约任何缔约国如发现任何其他缔约国的行为违反由本公约各项条款所产生的义务时，得向联合国安全理事会提出控诉。这种控诉应包括能证实控诉成立的一切可能证据和提请安全理事会予以审议的要求。
二、本公约各缔约国承诺，在安全理事会按照联合国宪章条款根据其所收到的控诉而发起进行的任何调查中，给予合作。安全理事会应将调查结果通知本公约各缔约国。
第七条　本公约各缔约国承诺，如果安全理事会断定由于本公约遭受违反而使本公约任何缔约国面临危险，即按照联合国宪章向请求援助的该缔约国提供援助或支持这种援助。
第八条　本公约中的任何规定均不得解释为在任何意义上限制或减损任何国家根据1925年6月17日在日内瓦签订的禁止在战争中使用窒息性、毒性或其他气体和细菌作战方法的议定书所承担的义务。

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