第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用2023-2024学年新教材高中生物选择性必修第三册同步教学设计（人教版2019 不定项）

第3章第4节蛋白质工程的原理和应用2023-2024学年新教材高中生物选择性必修第三册同步教学设计（人教版2019不定项）学校授课教师课时授课班级授课地点教具教学内容分析1.本节课的主要教学内容是“蛋白质工程的原理和应用”，包括蛋白质工程的基本概念、原理、技术方法以及其在实际应用中的案例分析。

2.教学内容与学生已有知识的联系：本节课内容与人教版2019高中生物选择性必修第三册第3章第4节紧密相关，学生在学习了蛋白质的结构与功能、酶的特性等基础知识后，进一步了解蛋白质工程的概念、原理和应用，有助于加深对生物技术的理解，提高解决实际问题的能力。核心素养目标1.让学生通过探究蛋白质工程的原理和应用，培养科学探究与理性思维，提高分析问题和解决问题的能力。

2.通过案例分析，使学生能够将理论知识与实际应用相结合，发展实践创新能力。

3.增强学生对生物技术的兴趣和认同，提高生命观念和科学精神的培养，形成正确的科技伦理观念。教学难点与重点1.教学重点：

①蛋白质工程的基本概念和原理，包括定向进化、计算机辅助设计等；

②蛋白质工程在实际应用中的案例分析，如药物开发、生物制药等。

2.教学难点：

①对蛋白质工程原理的深入理解，特别是定向进化过程中的选择压力和分子演化机制；

②实际案例中蛋白质工程技术的具体操作步骤和实验设计，包括蛋白质结构建模、突变设计、表达与纯化等。教学方法与手段1.教学方法：

①采用讲授法介绍蛋白质工程的基本原理，确保学生掌握核心概念；

②使用讨论法引导学生分析蛋白质工程的实际应用案例，促进思维能力的提升；

③实施实验法，通过模拟蛋白质工程实验过程，增强学生的实践操作能力。

2.教学手段：

①利用多媒体设备展示蛋白质结构模型和工程案例，增强直观性；

②使用教学软件进行蛋白质结构的交互式学习，提高学生的参与度；

③结合网络资源，提供相关的学术文章和视频资料，拓宽学生的知识视野。教学过程1.导入新课

-（教师）同学们，上一节课我们学习了蛋白质的结构与功能，那么如何通过改造蛋白质来服务于我们的生产和科研呢？今天我们将要学习蛋白质工程的原理和应用，请大家跟我一起探究这个有趣的话题。

2.教学内容讲解

-（教师）首先，让我们来了解蛋白质工程的基本概念。蛋白质工程是指通过改造蛋白质的氨基酸序列或结构，赋予其新的或优化的性能。我们可以分为两种类型：理性设计和定向进化。

-（教师）理性设计是基于对蛋白质结构和功能的深入理解，通过计算机辅助设计来预测和指导蛋白质的改造。定向进化则是通过构建突变体库，利用选择性压力筛选出性能优化的蛋白质。

-（教师）接下来，我们来看一下蛋白质工程的原理。理性设计中，我们会利用计算机软件对蛋白质结构进行建模，预测氨基酸的改变对蛋白质功能的影响。而定向进化则是通过随机突变和筛选，模拟自然进化过程。

3.课文主旨内容探究

-（教师）现在，让我们来探讨一下课文的主旨内容。请同学们阅读教材第3章第4节的内容，特别是蛋白质工程的原理和应用部分，思考以下问题：

①蛋白质工程的主要目的是什么？

②理性设计和定向进化各自的特点是什么？

③你能想到哪些蛋白质工程在实际应用中的例子？

-（学生）阅读教材并思考问题。

-（教师）同学们，请分享一下你们的答案。①蛋白质工程的主要目的是优化蛋白质的性能，提高其稳定性和活性，或者赋予其新的功能。②理性设计需要深入的蛋白质结构和功能知识，而定向进化则更依赖于实验筛选。③蛋白质工程在实际应用中的例子包括药物开发、生物制药、工业酶的优化等。

4.实际案例分析

-（教师）现在，让我们通过一个实际案例来深入理解蛋白质工程的应用。请同学们阅读教材中的案例“蛋白质工程在药物开发中的应用”，并回答以下问题：

①案例中提到的蛋白质是什么？

②通过蛋白质工程，这个蛋白质的性能如何得到改善？

③这种改进对药物开发有什么意义？

-（学生）阅读案例并回答问题。

-（教师）同学们，请分享一下你们的答案。①案例中提到的蛋白质是一种用于治疗疾病的药物靶点。②通过蛋白质工程，这个蛋白质的稳定性和亲和力得到了改善。③这种改进可以使得药物更加有效地与靶点结合，提高治疗效果。

5.实践操作模拟

-（教师）接下来，我们将进行一个模拟实验，来体验蛋白质工程的实际操作过程。请同学们分成小组，每组将模拟蛋白质的理性设计过程。我会提供一些蛋白质结构模型和计算机软件，同学们需要尝试对模型进行改造，并预测改造后的性能。

-（学生）分组进行模拟实验，使用计算机软件对蛋白质结构进行改造。

-（教师）同学们，请展示你们的改造结果，并讨论你们的预测。

6.总结与反馈

-（教师）好的，同学们，今天我们一起学习了蛋白质工程的原理和应用。通过案例分析和模拟实验，我们了解了蛋白质工程的重要性和实际操作过程。请大家回顾一下今天的学习内容，并分享一下你们的收获。

-（学生）回顾学习内容，分享收获。

-（教师）最后，我想给大家布置一个作业。请同学们选择一个蛋白质工程的案例，深入研究其原理和应用，并写一篇简短的报告。下节课我们会进行分享和讨论。

-（学生）接受作业任务。学生学习效果学生学习效果主要体现在以下几个方面：

1.知识掌握方面：

-学生能够准确描述蛋白质工程的基本概念和原理，理解理性设计和定向进化两种策略的区别和联系。

-学生能够列举蛋白质工程在实际应用中的几个典型案例，如药物开发、生物制药、工业酶的优化等，并解释其原理。

-学生能够通过模拟实验，使用计算机软件对蛋白质结构进行简单的改造，并预测改造后的可能性能。

2.能力提升方面：

-学生通过案例分析，提高了分析问题和解决问题的能力，能够结合实际案例深入理解蛋白质工程的应用。

-学生在模拟实验中，增强了实验设计和动手操作能力，能够将理论知识应用于实践。

-学生在小组讨论中，提高了团队合作和交流表达能力，能够有效地分享自己的想法和倾听他人的意见。

3.思维发展方面：

-学生在学习过程中，培养了科学探究精神，对蛋白质工程这一现代生物技术产生了浓厚的兴趣。

-学生通过实际案例的学习，能够从多角度思考问题，形成了批判性思维和创造性思维。

-学生在模拟实验中，学会了如何面对失败，通过不断尝试和优化，培养了坚持不懈和解决问题的能力。

4.知识应用方面：

-学生能够将所学的蛋白质工程原理与方法应用到其他生物学问题的研究中，如基因编辑、代谢工程等。

-学生在完成作业时，能够独立查找相关资料，对蛋白质工程的案例进行深入分析，提高了自主学习能力。

-学生通过撰写报告，能够将所学的知识系统化，形成完整的知识体系，为未来的学习和研究打下坚实的基础。

总体来说，学生在本节课的学习中，不仅掌握了蛋白质工程的基本知识和应用，还在实践操作、思维发展和知识应用等方面取得了显著的效果。这些学习效果将为学生在未来的生物学研究和相关领域的职业生涯中奠定坚实的基础。课后作业1.请结合教材第3章第4节的内容，撰写一篇关于“蛋白质工程在药物开发中的应用”的报告。报告中应包括以下内容：

-蛋白质工程的基本概念和原理；

-药物开发中蛋白质工程的案例分析；

-蛋白质工程在药物开发中的意义和挑战；

-你的个人思考：如何进一步优化蛋白质工程在药物开发中的应用。

2.作业补充与说明：

题型一：案例分析题

题目：阅读以下关于蛋白质工程在生物制药中的应用案例，回答问题。

案例内容：某制药公司通过蛋白质工程改进了一种用于治疗糖尿病的胰岛素药物，使得药物在体内的稳定性和活性得到显著提升。

问题：蛋白质工程是如何改进胰岛素药物的稳定性？这种改进对糖尿病患者有什么影响？

答案：通过定点突变，改变胰岛素分子中的某些氨基酸，提高了其在体内的稳定性和活性，减少了注射频率，降低了患者的血糖波动。

题型二：实验设计题

题目：设计一个实验，通过定向进化方法筛选出一种具有更高催化效率的酶。

答案：构建酶的突变体库，通过高通量筛选技术，筛选出催化效率较高的突变体，进行多轮筛选和优化，最终获得目标酶。

题型三：论述题

题目：论述蛋白质工程在工业酶优化中的应用及其对工业生产的影响。

答案：蛋白质工程通过改造工业酶的结构，提高其稳定性、活性或特异性，从而提高生产效率，降低成本，减少废物产生，对工业生产产生积极影响。

题型四：应用题

题目：假设你是一名蛋白质工程师，你需要设计一种新型蛋白质药物。请描述你的设计思路和步骤。

答案：首先，确定药物靶点；其次，通过计算机辅助设计预测蛋白质结构；然后，进行氨基酸突变和筛选；最后，评估改造后的蛋白质药物的活性、稳定性和安全性。

题型五：创新题

题目：提出一种新的蛋白质工程策略，并解释其可能的应用前景。

答案：提出利用CRISPR-Cas9技术进行蛋白质工程，通过基因编辑直接在基因组水平上进行蛋白质改造，可能的应用前景包括治疗遗传性疾病、开发新型生物材料等。教学评价与反馈1.课堂表现：

-学生在课堂上的参与度较高，能够积极回答问题，展示出对蛋白质工程原理和应用的兴趣。

-学生在模拟实验环节表现出较强的动手能力和合作精神，能够按照指导完成实验任务。

-学生在案例分析中能够结合教材内容，提出自己的见解和思考，体现了良好的分析能力。

2.小组讨论成果展示：

-各小组在讨论中能够围绕主题展开深入的探讨，小组成员之间的交流互动积极，能够互相补充观点。

-小组展示时，学生能够清晰地表达自己的观点，展示出良好的表达能力和逻辑思维。

-小组的成果展示中，部分小组能够结合实际案例，提出具有创新性的思考和建议。

3.随堂测试：

-随堂测试结果显示，大部分学生能够掌握蛋白质工程的基本概念和原理，对实际应用案例有一定的理解。

-测试中，学生对于蛋白质工程在实际应用中的具体操作步骤和实验设计方面的掌握不够扎实，需要进一步加强。

-学生在解答问题时，能够运用所学知识，但部分学生对于复杂问题的分析能力有待提高。

4.课后作业评价：

-学生提交的课后作业整体质量较好，能够结合教材内容进行深入分析，展现出一定的独立思考能力。

-部分学生在作业中能够提出自己的见解，显示出对蛋白质工程应用的深刻理解。

-作业中存在一些共性问题，如对某些概念的理解不够深入，对案例分析的逻辑性有待提高。

5.教师评价与反馈：

-教师对学生整体表现给予积极评价，认为学生在课堂上能够积极参与，表现出良好的学习态度。

-教师针对小组讨论和随堂测试中存在的问题，给予具体反馈，指导学生如何改进学习方法，提高分析问题和解决问题的能力。

-教师对学生作业中的亮点和不足进行点评，鼓励学生继续深入探究蛋白质工程的应用，同时指出需要加强的部分，如对实验设计步骤的掌握和逻辑思维的训练。

-教师强调学生在学习过程中要注重理论与实践相结合，鼓励学生在课后自主查找资料，拓宽知识视野，提高自主学习能力。反思改进措施（一）教学特色创新

1.在本节课的教学中，我尝试引入了模拟实验环节，让学生通过计算机软件亲身体验蛋白质工程的实际操作过程，这种互动式学习方式能够有效提高学生的学习兴趣和动手能力。

2.我还采用了案例分析的教学方法，让学生结合实际案例深入理解蛋白质工程的应用，这种方法有助于学生将理论知识与实际应用相结合，培养学生的实践能力。

（二）存在主要问题

1.在教学管理方面，我发现学生在小组讨论环节的时间分配不够合理，部分小组讨论过于发散，未能有效聚焦于主题，导致讨论深度不足。

2.在教学方法上，我注意到对于一些复杂的概念和原理，我的讲解可能过于抽象，学生可能难以理解，这影响了学生对知识点的掌握。

3.在教学评价方面，随堂测试的设计可能未能全面覆盖教学内容，导致评价结果未能充分反映学生的学习效果。

（三）改进措施

1.针对小组讨论时间分配不合理的问题，我将在未来的教学中明确讨论的主题和时间限制，确保每个小组都能在规定时间内完成讨论任务，并在讨论结束时进行简要汇报，以提高讨论的效率和质量。

2.对于复杂概念和原理的教学，我将尝试采用更多直观的教学工具，如动画、模型等，帮助学生形象地理解抽象的概念，同时鼓励学生