基于項目學(xué)習(xí)的生物社團(tuán)活動的開展——以“細(xì)胞骨架的觀察”活動為例

李夢麗 余宏凱

（安徽省肥東第一中學(xué) 安徽合肥 231600）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程，讓學(xué)生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，進(jìn)而能用科學(xué)的觀點、知識、思路和方法，探討或解決現(xiàn)實生活中的某些問題。這一基本理念與項目學(xué)習(xí)的內(nèi)涵很相似：“根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，教師創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生真實生活情景的項目任務(wù)，學(xué)生在教師的組織和指導(dǎo)下通過小組合作學(xué)習(xí)圍繞驅(qū)動性問題進(jìn)行設(shè)計，問題解決，決策或調(diào)查活動，在親身體驗的學(xué)習(xí)過程中建構(gòu)知識，獲得能力，形成作品。在實踐體驗、內(nèi)化吸收、探索創(chuàng)新中獲得較為完整和具體的知識，形成專門的技能和得到充分發(fā)展的學(xué)習(xí)?！备咧猩镎n堂存在課時少、任務(wù)重的特點，而項目學(xué)習(xí)的完成需要較長的時間，對資源的要求也較高，不適合在課堂教學(xué)中開展。在生物社團(tuán)中開展項目學(xué)習(xí)則不會受到課時、場地和資源的限制，有利于通過項目學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提高學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力。下面以“細(xì)胞骨架的觀察”為例來闡述項目學(xué)習(xí)在社團(tuán)活動中的實施過程。

1 項目學(xué)習(xí)的一般流程

對基于項目的學(xué)習(xí)在高中生物社團(tuán)活動的開展，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)科特點靈活處理。參考鄔彤提出的項目學(xué)習(xí)模式和生物社團(tuán)活動的特點，對項目學(xué)習(xí)的一般過程稍作修改為如圖1所示。

圖1 生物社團(tuán)項目學(xué)習(xí)模式圖

2 生物社團(tuán)活動中項目學(xué)習(xí)的實施過程

2.1 選定項目

項目選定是項目學(xué)習(xí)能否順利開展的關(guān)鍵因素。社團(tuán)活動學(xué)習(xí)的項目選擇要綜合考慮項目的目標(biāo)性、趣味性和可行性等元素。細(xì)胞骨架是真核細(xì)胞中由蛋白質(zhì)纖維組成的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。細(xì)胞骨架與細(xì)胞的分裂、分化、癌變等細(xì)胞生理過程密切相關(guān)。對細(xì)胞骨架的研究已經(jīng)成為當(dāng)前生物學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一，而人教版教材中只在必修1第三章第二節(jié)中小字部分對細(xì)胞骨架進(jìn)行了簡單介紹，但這部分內(nèi)容在以往高考中多次考到。另外，學(xué)生對細(xì)胞骨架很好奇，對細(xì)胞骨架的形態(tài)及觀察產(chǎn)生問題。因此，確定在社團(tuán)活動中開展“觀察細(xì)胞骨架”的活動。

2.2 制定計劃

項目計劃的制定需要理論的支撐。但書本上關(guān)于細(xì)胞骨架的描述甚少，更沒有涉及到如何觀察，高中階段的學(xué)生又缺乏相應(yīng)的理論支持。在這個環(huán)節(jié)，社團(tuán)指導(dǎo)教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)文獻(xiàn)，獲得有關(guān)理論內(nèi)容。各小組在教師的指導(dǎo)下通過查閱中國知網(wǎng)、萬方、維普等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，搜索和整理“觀察細(xì)胞骨架的原理和方法”。通過查閱文獻(xiàn)，學(xué)生了解到目前的細(xì)胞骨架觀察方法主要有免疫熒光標(biāo)記法、電鏡觀察法和考馬斯亮藍(lán)染色法等。其中，在中學(xué)階段可行的方法只有考馬斯亮藍(lán)染色法。該法的實驗原理是：細(xì)胞使用抽提劑處理過后，部分的膜結(jié)構(gòu)和一些雜蛋白被抽提出來，細(xì)胞骨架蛋白由于抽提時間控制得當(dāng)而被保存下來，經(jīng)考馬斯亮藍(lán)染色后在光學(xué)顯微鏡下即可看到網(wǎng)織狀的細(xì)胞骨架。

小組成員們參考《細(xì)胞生物學(xué)實驗指導(dǎo)》后，設(shè)計如下的實驗步驟。

①取材：撕取洋蔥內(nèi)表皮放入PBS（磷酸鹽緩沖液pH6.8）中處理5 min。

②抽提：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Triton x-100溶液處理30 min。

③沖洗：用M緩沖液（洗滌細(xì)胞，可以提高骨架穩(wěn)定性）充分洗滌3次，5 min/次。

④固定：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的戊二醛溶液中浸泡30 min。

⑤沖洗：用PBS緩沖液充分洗滌3次，5 min/次。

⑥染色：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的考馬斯亮藍(lán)R250染色30 min。

⑦制片觀察（蒸餾水洗2或3次，將標(biāo)本置于光學(xué)顯微鏡下觀察）。

2.3 活動探究

2.3.1 活動開展

各小組按照已設(shè)計的實驗步驟，開展項目活動的探究。2 h后，各小組均在顯微鏡下觀察到了細(xì)胞骨架，如圖2所示。

圖2 洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞的細(xì)胞骨架（放大倍數(shù)10×40，下同）

2.3.2 討論交流，確定新的項目主題

學(xué)生匯總活動實施過程中出現(xiàn)的問題。（1）實驗操作方面：該實驗操作步驟比較繁瑣復(fù)雜，耗時很長，完成實驗大約需要2 h，該如何改進(jìn)才能降低實驗難度，縮短實驗時間？（2）實驗用品方面：實驗所用藥品戊二醛不僅很難購買到，同時對身體有一定的損害。選擇什么固定液替代戊二醛以避免其對身體的傷害？（3）實驗材料方面：這個實驗是以洋蔥細(xì)胞為材料觀察到細(xì)胞骨架的。那么，其他植物細(xì)胞或動物細(xì)胞中是不是也有細(xì)胞骨架？

教師將學(xué)生提出的問題拆分為若干新的項目主題，見表1。

表1 實驗改進(jìn)項目主題表

2.3.3 分組解決新的項目主題

各小組自主選擇上述新的項目主題，針對性地解決上述問題。各小組成員集中討論，設(shè)計項目方案并實施，最終得到了如下優(yōu)化結(jié)果。

①抽提劑濃度和抽提時間改進(jìn)：將抽提劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在原有1%基礎(chǔ)上提高并增設(shè)2%、3%實驗組；抽提時間在原有30 min基礎(chǔ)上縮短增設(shè)10、20 min組。這樣可以找出抽提濃度與時間的最優(yōu)組合，以期在不影響效果的前提下縮短抽提時間。

實驗結(jié)果顯示：抽提時間為10 min時，使用抽提劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，裝片含有的雜蛋白太多，呈云霧狀，無法觀察到細(xì)胞骨架（圖3A）。而抽提劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%時可以觀察到骨架但有一部分的雜蛋白（圖3B）。

圖3 實驗結(jié)果示意圖

20 min后，使用抽提劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，可以觀察到細(xì)胞骨架，但同樣有少量雜蛋白（圖4A）。使用抽提劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%和3%時，細(xì)胞骨架都清晰可見，纖維束長而有明顯的分支貫穿整個細(xì)胞（圖4B）。30 min后，使用抽提劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，則能觀察到清晰完整的細(xì)胞骨架（圖4C）。此時，使用抽提劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%和3%時的實驗組中細(xì)胞骨架被破壞，只殘留部分，尤其以3%最為明顯，說明抽提過度了（圖4D）?？紤]到時間和成本因素，優(yōu)化后的抽提條件確定為使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的抽提劑抽提20 min。

圖4 實驗結(jié)果示意圖

②染色時間的改進(jìn)：將染色時間設(shè)為10、20、30 min，探究不同染色時間對洋蔥細(xì)胞骨架觀察的影響。對比發(fā)現(xiàn)三者染色效果沒有明顯差異。故將染色時間改進(jìn)為10 min。

③固定液的改進(jìn)：通過梳理課本實驗中使用的固定液，發(fā)現(xiàn)必修2教科書中提及一種固定液——卡諾氏固定液。經(jīng)過實驗效果較好，可以替代戊二醛。

④實驗材料的改進(jìn)：在洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞的基礎(chǔ)上增加了韭菜表皮細(xì)胞和人口腔上皮細(xì)胞兩種材料，以推測細(xì)胞骨架在真核細(xì)胞中普遍存在。

2.3.4 實施優(yōu)化方案

所有小組按照優(yōu)化方案進(jìn)一步實施實驗。優(yōu)化后的實驗減少了沖洗次數(shù)，縮短了抽提、染色的時間，使總實驗用時減少近1 h，也避免了戊二醛對學(xué)生身體的傷害。

2.4 制作作品

本次項目學(xué)習(xí)的作品是學(xué)習(xí)過程中逐漸優(yōu)化的實驗方案和觀察到的細(xì)胞骨架的圖片。按照改進(jìn)后的實驗方案，大部分學(xué)生均觀察到較為明顯的細(xì)胞內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到了清晰可見的細(xì)胞骨架的圖片。

2.5 成果交流

由于在項目學(xué)習(xí)的過程中，各小組探究的側(cè)重點是不同的，得到的作品和感悟也有所不同。本次項目的學(xué)習(xí)成果的交流則由各小組以PPT展示的形式介紹小組探究的過程及實施優(yōu)化方案后觀察到的細(xì)胞骨架的圖片。小組在匯報的過程中，其他小組可以進(jìn)行提問，匯報的小組進(jìn)行解答，這一環(huán)節(jié)也將納入項目學(xué)習(xí)的評價系統(tǒng)中。在該過程中，學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和語言表達(dá)能力得到提高。

2.6 活動評價

本次項目學(xué)習(xí)是一個相對完整的，在教師指導(dǎo)下學(xué)生圍繞一個項目學(xué)習(xí)主題自主查閱文獻(xiàn)、自主討論、相互合作設(shè)計完成探究活動的過程。該活動中，學(xué)生鞏固了已有的生物學(xué)知識，體驗了相關(guān)的實驗技術(shù)，學(xué)習(xí)了新的實驗方法，提高了動手能力。除此之外，在提出問題、構(gòu)想實驗方案以及問題解決等環(huán)節(jié)中，學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力得到發(fā)展，落實了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

本次基于項目學(xué)習(xí)的社團(tuán)活動的開展過程中，學(xué)生在模仿前人的實驗過程中獲得科學(xué)研究的基本素養(yǎng)，從而掌握一些科學(xué)研究的基本方法，又在實踐過程中自主的發(fā)現(xiàn)新的問題，經(jīng)討論探索，尋求解決問題的辦法，在解決問題的過程中創(chuàng)造能力得到了提升，發(fā)展了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生在親歷提出問題、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程中習(xí)得了生物學(xué)知識，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展了終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐能力，為以后進(jìn)入高校參與科學(xué)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。