趙怡霞 喬秀芹 李曉伶

（1 北京市第四中學(xué)順義分校 北京 101318 2 北京市順義區(qū)教育研究和教師研修中心 北京 101300）

1 教學(xué)分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 版）》對“細(xì)胞分化”相關(guān)內(nèi)容的要求是“2.3.2 說明在個(gè)體發(fā)育過程中細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能方面發(fā)生特異性的分化，形成了復(fù)雜的多細(xì)胞生物體”和“1.3.1 說明有些生物體只有一個(gè)細(xì)胞，而有的由很多細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞形態(tài)和功能多樣，但都具有相似的基本結(jié)構(gòu)”［1］。人教版教材內(nèi)容包括細(xì)胞分化的定義、意義、特點(diǎn)、原因，以及細(xì)胞的全能性、干細(xì)胞等知識。其中細(xì)胞分化是核心內(nèi)容，細(xì)胞的全能性、干細(xì)胞都是細(xì)胞分化內(nèi)容的拓展。結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)要求和教材內(nèi)容分析可知，細(xì)胞分化體現(xiàn)了細(xì)胞在嚴(yán)整的結(jié)構(gòu)、有序的代謝的基礎(chǔ)上所表現(xiàn)出的發(fā)展與變化，既是對細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能、增殖等知識的拓展和延伸，也是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)遺傳、變異的重要基礎(chǔ)，對于學(xué)生認(rèn)同結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)有著重要作用。

學(xué)生初中對細(xì)胞分化有了一定的認(rèn)識，知道基因與遺傳有關(guān)，能控制生物的性狀。結(jié)合前幾單元的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，能說明有絲分裂前、后，親、子代細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)相同，對結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)也有一定的認(rèn)識。但對基因、DNA、蛋白質(zhì)、性狀之間的關(guān)系不清晰，利用已有知識分析推理、解決問題的能力有待發(fā)展，利用生物學(xué)觀點(diǎn)分析問題的能力有待提高。

基于以上分析，如何創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、設(shè)計(jì)有效問題、關(guān)注學(xué)生實(shí)踐？如何幫助學(xué)生形成有關(guān)細(xì)胞分化及相關(guān)內(nèi)容間合理的知識體系？如何在學(xué)習(xí)過程中形成科學(xué)的觀點(diǎn)、思路和方法？這是教師教學(xué)過程中應(yīng)特別關(guān)注的問題。最終通過這些問題的解決，逐步提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

1）結(jié)合實(shí)例分析，運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，分析細(xì)胞分化的意義和原因。

2）基于邏輯和證據(jù)，進(jìn)行分析和推理，概括總結(jié)細(xì)胞分化的原因，說明細(xì)胞的全能性。

3）觀察胚胎發(fā)育過程，展開交流，并嘗試提出問題。

4）利用所學(xué)概念探討有關(guān)疾病治療的問題，提出合理的方案，認(rèn)同生物學(xué)發(fā)展對人類的重大貢獻(xiàn)。

3 教學(xué)重、難點(diǎn)

細(xì)胞分化的原因。

4 教學(xué)策略

基于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和觀察、材料分析的問題解決：從斑馬魚胚胎發(fā)育過程的觀察入手，幫助學(xué)生明確細(xì)胞分化的定義。通過一系列的問題引領(lǐng)，學(xué)生運(yùn)用知識、證據(jù)和邏輯深化對重要概念的學(xué)習(xí)。

5 教學(xué)準(zhǔn)備

1）斑馬魚胚胎觀察實(shí)驗(yàn)（過程見圖1）。

圖1 斑馬魚胚胎觀察實(shí)驗(yàn)流程圖

2）斑馬魚胚胎發(fā)育觀察的匯報(bào)材料：匯總觀察結(jié)果，實(shí)驗(yàn)小組制作PPT。

3）閱讀資料：教師通過查閱相關(guān)論文并整理形成閱讀資料，內(nèi)容包括電泳技術(shù)的簡單介紹、斑馬魚不同胚胎期蛋白質(zhì)分離結(jié)果、結(jié)果分析圖。

4）視頻：斑馬魚的胚胎發(fā)育過程、中國科學(xué)家鄧宏魁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在干細(xì)胞研究方面取得的成就。

5）多媒體課件。

6 教學(xué)過程

6.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 通過提出“我是怎么來的”，展示學(xué)生成長的照片，在分享成長的快樂的同時(shí)，指出每個(gè)人都是由受精卵經(jīng)過一系列的變化，最終成長為現(xiàn)在的自己。在這個(gè)過程中細(xì)胞發(fā)生了哪些主要的變化？引發(fā)學(xué)生思考。

6.2 實(shí)驗(yàn)分享，概括細(xì)胞分化的定義 結(jié)合實(shí)驗(yàn)小組學(xué)生分享的實(shí)驗(yàn)成果和科學(xué)家的觀察結(jié)果，學(xué)生體會胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞經(jīng)歷的的變化，形成細(xì)胞分化的定義。

實(shí)驗(yàn)小組學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)并分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1）斑馬魚的主要特點(diǎn)：小型熱帶魚，條紋像斑馬，體長3～4 cm，耐寒性強(qiáng)，易飼養(yǎng)，胚胎透明，易觀察。2）實(shí)驗(yàn)主要過程：適應(yīng)性飼喂—獲得受精卵—觀察胚胎。3）觀察結(jié)果（圖2）。

圖2 斑馬魚胚胎發(fā)育過程

教師出示科研工作者在斑馬魚個(gè)體發(fā)育到一定階段時(shí)，對眼球組織的觀察結(jié)果（圖3）。最外層是形如羽毛的光感受器細(xì)胞，里面一層是視網(wǎng)膜上的圓形色素細(xì)胞。由72 h 到96 h，光感受器細(xì)胞進(jìn)一步排列整齊。

圖3 斑馬魚眼球組織切片［3］

提問：結(jié)合上述觀察，斑馬魚的發(fā)育過程中，細(xì)胞發(fā)生了哪些主要變化？這些變化有何意義？

學(xué)生根據(jù)上述材料總結(jié)：1）細(xì)胞通過增殖，數(shù)量變多，在此過程中細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能都發(fā)生了變化。2）細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化與細(xì)胞的功能相適應(yīng)，有利于提高細(xì)胞相應(yīng)生理功能的效率，是個(gè)體發(fā)育的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)，觀察、分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對細(xì)胞的生命歷程有了直觀且較為全面的認(rèn)識。

6.3 資料分析，深化概念 學(xué)生結(jié)合所學(xué)和教師提供的素材，在推理、尋找證據(jù)、質(zhì)疑、再推理中，深入理解細(xì)胞分化的原因和細(xì)胞的全能性。

問題1：從分子水平分析，在斑馬魚的胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能為什么發(fā)生了變化？學(xué)生推測：與生命大分子有關(guān)，由于蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，所以蛋白質(zhì)的種類、含量可能發(fā)生了變化；蛋白質(zhì)合成由DNA 控制，所以也應(yīng)與DNA 有關(guān)。

資料1：斑馬魚不同胚胎時(shí)期蛋白質(zhì)電泳結(jié)果（圖4、圖5）。

圖4 斑馬魚不同胚胎期蛋白質(zhì)電泳檢測結(jié)果［4］

圖5 3 d 胚胎和5 d 胚胎蛋白質(zhì)分離結(jié)果分析圖［5］

學(xué)生分析并得出結(jié)論：細(xì)胞分化的直接原因是不同種類細(xì)胞中蛋白質(zhì)的種類不完全相同。教師在此基礎(chǔ)上結(jié)合模式圖簡要指出，控制蛋白質(zhì)合成的一段DNA 是一個(gè)基因，基因控制相應(yīng)蛋白質(zhì)的合成，即基因的表達(dá)。

問題2：從基因的角度嘗試解釋，為什么不同種類細(xì)胞的蛋白質(zhì)不完全相同？部分學(xué)生認(rèn)為，由于不同種類細(xì)胞中蛋白質(zhì)不完全相同，則推知不同種類細(xì)胞中基因不完全相同。另一部分學(xué)生認(rèn)為，有絲分裂過程中，遺傳物質(zhì)復(fù)制均分，所以不同細(xì)胞中基因應(yīng)相同。

資料2：克隆羊多莉的培育過程。

學(xué)生分析并得出結(jié)論：克隆羊的細(xì)胞的遺傳物質(zhì)都來自乳腺細(xì)胞核，但克隆羊體內(nèi)也含有胰島素等其他特定細(xì)胞所能合成的蛋白質(zhì)，證明乳腺細(xì)胞雖然分化，卻仍含有控制小羊生長發(fā)育的全套遺傳物質(zhì)。綜上說明已分化的細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)并沒有改變，而是遺傳物質(zhì)的表達(dá)不完全相同。

教師總結(jié)：1）細(xì)胞分化的根本原因是基因表達(dá)不同，并非基因改變，即基因的選擇性表達(dá)；2）已分化細(xì)胞的細(xì)胞核中遺傳物質(zhì)與受精卵一樣并未改變，因此一個(gè)已分化的細(xì)胞仍具有發(fā)育成完整個(gè)體的潛能，即細(xì)胞具有全能性。

問題3：細(xì)胞在生物體中并未表現(xiàn)出全能性，而是進(jìn)行了基因選擇性表達(dá)，影響基因選擇性表達(dá)的因素是什么？請結(jié)合克隆羊多利的形成過程加以分析。學(xué)生分析討論：重組細(xì)胞與乳腺細(xì)胞的區(qū)別是細(xì)胞質(zhì)不同，說明基因的表達(dá)可能受到細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)的調(diào)控。

資料3：1）果蠅卵漏實(shí)驗(yàn)：在果蠅受精卵的前端注入來自尾端的細(xì)胞質(zhì)，該受精卵發(fā)育成雙尾端的果蠅［2］，說明基因的選擇性表達(dá)確實(shí)受到了細(xì)胞質(zhì)內(nèi)一系列物質(zhì)的調(diào)控。2）細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)圖：說明細(xì)胞基因選擇性表達(dá)過程是在嚴(yán)密的調(diào)控下進(jìn)行的，要受到內(nèi)、外多種因素的共同調(diào)控，是穩(wěn)定、不可逆的。

問題4：已分化的細(xì)胞在體內(nèi)能表現(xiàn)出全能性嗎？如果人為需要某細(xì)胞表現(xiàn)出全能性，應(yīng)如何處理？學(xué)生分析討論：已分化的細(xì)胞在體內(nèi)是無法表現(xiàn)出全能性的，因?yàn)榧?xì)胞分化受到了細(xì)胞嚴(yán)密的調(diào)控，細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的功能相適應(yīng)，不能輕易改變。所以，表現(xiàn)出全能性的條件，需要離體，即脫離原有調(diào)控；人為加入調(diào)控物質(zhì)，改變基因的表達(dá)情況，使細(xì)胞表現(xiàn)出全能性。

設(shè)計(jì)意圖：基于邏輯和證據(jù)的分析，有利于學(xué)生形成科學(xué)的思維品質(zhì)，通過對素材的深入分析，巧妙地突破重、難點(diǎn)。例如對克隆羊培育過程的分析，既能幫助學(xué)生認(rèn)識細(xì)胞分化的原因，又能理解細(xì)胞的全能性；通過對細(xì)胞能否表現(xiàn)出全能性的深入追問，以及果蠅卵漏實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)圖的分析幫助學(xué)生認(rèn)識：1）細(xì)胞分化受到細(xì)胞內(nèi)、外一系列信號的調(diào)控，細(xì)胞分化的過程是復(fù)雜的調(diào)控過程，細(xì)胞一旦分化不能輕易改變和逆轉(zhuǎn)。2）細(xì)胞分化的過程雖然復(fù)雜，但卻通過一些簡單的基本原理而實(shí)現(xiàn)。從而幫助學(xué)生從本質(zhì)上理解生命的共性。

6.4 學(xué)以致用，解決問題 在學(xué)生認(rèn)識了細(xì)胞分化原因和細(xì)胞全能性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生的思考，在解決問題的過程中，深入理解重要概念。

在講解干細(xì)胞的分類和特點(diǎn)后，引出白血病的相關(guān)資料。

資料1：在惡性腫瘤死亡率中，白血病在兒童及35 歲以下成人中居第1位，主要臨床表現(xiàn)為貧血、出血、感染，進(jìn)行血液、骨髓檢查發(fā)現(xiàn)，血液中白細(xì)胞數(shù)量明顯增多，骨髓增生活躍，存在大量原始白細(xì)胞。

問題1：請分析病因和治療方案？學(xué)生討論后指出細(xì)胞分化出了問題，可進(jìn)行造血干細(xì)胞移植。

問題2：教師肯定學(xué)生所說的方案后提出：截至2018年1月，中華骨髓庫統(tǒng)計(jì)，捐獻(xiàn)造血干細(xì)胞例數(shù)6832 例，遠(yuǎn)低于242 萬的志愿者數(shù)量，僅約為患者申請人數(shù)的1／10。由此可見配型成功的概率很低，因此需要更多的人伸出援助之手，以增大配型成功的可能性；同時(shí)，更需要解決配型難的問題。能否根據(jù)所學(xué)提出解決配型難這一問題的辦法？學(xué)生結(jié)合所學(xué)提出：通過對體細(xì)胞誘導(dǎo)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樵煅杉?xì)胞。

教師對學(xué)生的思路予以肯定，但“大道至簡，知易行難”，順勢出示科學(xué)家艱辛而充滿智慧的研究過程的相關(guān)資料。

資料2：1）獲得諾貝爾獎(jiǎng)的日本科學(xué)家山中伸彌的研究資料。2）我國科學(xué)家誘導(dǎo)皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾∈笕芨杉?xì)胞進(jìn)而發(fā)育成小鼠的資料。同時(shí)指出，盡管這一技術(shù)還存在很多問題，但利用患者自體細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)全能干細(xì)胞并克隆器官很有前景，能為很多患者帶來福音。

設(shè)計(jì)意圖：有利于學(xué)生深刻認(rèn)識細(xì)胞分化受到細(xì)胞內(nèi)、外信息分子的調(diào)控，體會科學(xué)方案的提出雖簡單，但最終變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需要付出長期艱苦的努力。

資料3：如果不慎被瘧原蟲感染，瘧原蟲會寄生在人體紅細(xì)胞中而導(dǎo)致貧血等癥狀。我國科學(xué)家屠呦呦帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷數(shù)百次失敗后發(fā)現(xiàn)，黃花蒿含有的抗瘧活性物質(zhì)青蒿素主要分布在新鮮葉片中，最佳采摘時(shí)機(jī)是在植物即將開花之前，且青蒿素在細(xì)胞中的含量極低。

問題3：上述資料說明了什么？如何快速獲得大量青蒿素？學(xué)生討論后認(rèn)為：1）上述現(xiàn)象是由于黃花蒿細(xì)胞中與青蒿素有關(guān)的基因在特定的時(shí)間和空間選擇性表達(dá)的結(jié)果。2）選取優(yōu)良品種的黃花蒿，取其細(xì)胞，在外界環(huán)境中加入調(diào)控物質(zhì)，使其表現(xiàn)出全能性，快速獲得大量優(yōu)良品種，提取青蒿素。教師肯定學(xué)生的分析并指出：植物組織培養(yǎng)技術(shù)在植物的培育中已得到廣泛應(yīng)用，高三會進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。該技術(shù)對于獲得青蒿素是否適用，需進(jìn)一步考證。

設(shè)計(jì)意圖：1）結(jié)合關(guān)于植物的實(shí)例進(jìn)行分析，利于學(xué)生認(rèn)同細(xì)胞分化的普遍性。2）鞏固學(xué)生對細(xì)胞全能性的理解，期望通過開放性的問題引發(fā)學(xué)生思考，為高三學(xué)習(xí)生物技術(shù)埋下伏筆。

7 板書設(shè)計(jì)（圖6）

圖6 板書設(shè)計(jì)

8 教學(xué)反思

本教學(xué)設(shè)計(jì)于2018年1月在高一年級實(shí)施，以學(xué)生親歷的實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)。在提出假設(shè)、質(zhì)疑、尋找證據(jù)、再提出新的問題的過程中，學(xué)生落實(shí)了對細(xì)胞分化和細(xì)胞全能性2 個(gè)重要概念的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步認(rèn)同了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，提升了科學(xué)思維品質(zhì)，在一定程度上領(lǐng)悟了科學(xué)研究的思路、方法和科學(xué)精神。