“植物組織培養(yǎng)原理與應用”結(jié)構(gòu)化復習教學實踐

史佳琴

（蘇州高新區(qū)第一中學 江蘇蘇州 215011）

1 教材分析與設計思路

“植物組織培養(yǎng)原理與應用”是人教版《選擇性必修3·生物技術與工程》第二章第一節(jié)的內(nèi)容，是植物細胞工程的實際應用之一，也是植物體細胞雜交技術的基礎。在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中，本節(jié)課的內(nèi)容隸屬于選擇性必修課程模塊3“生物技術與工程”中的大概念4，即“細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產(chǎn)品”。通過新授課的學習，學生已經(jīng)掌握無菌操作、植物組織培養(yǎng)的條件與過程，因此教師可引導學生對已學內(nèi)容進行深化和拓展。由于高三學生的時間有限，課前一周，教師組織學生到學校的生物組培實驗室完成實驗準備及基本操作；學生分組自主完成探究實驗，以便于課堂上交流總結(jié)。

《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中指出，學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力是高考將考查的重點。知識結(jié)構(gòu)化是把看似混亂、無序的信息按照一定的聯(lián)系結(jié)構(gòu)重新整合，用來更好地學習、思考、表達和解決問題的一種思維過程。基于陶行知的生活教育理念，下面以“植物組織培養(yǎng)原理與應用”的復習為例，教師用真實的情境展現(xiàn)問題，創(chuàng)設與本節(jié)課內(nèi)容相關的問題解決的環(huán)境，在問題的引領下將教材內(nèi)容進行劃分，形成知識組塊，引導學生主動探究。教師引導學生將重要的事實、概念、過程等聯(lián)系起來形成良好的知識結(jié)構(gòu)的同時，引領學生經(jīng)歷生物學知識產(chǎn)生的過程，幫助他們發(fā)現(xiàn)各知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，提升其遇到問題積極思考、探究、歸納分析的綜合能力，內(nèi)化成解決問題的技能，進而提高核心素養(yǎng)和思維能力。

2 教學目標

（1）通過資料分析，針對人類生產(chǎn)生活實際需求，說出植物組織培養(yǎng)技術的原理，以及與微型繁殖的聯(lián)系，并能描述人工種子、脫毒苗的制備方法，解決實際困難。

（2）在植物細胞工程中基于問題運用生物學基本概念和原理，選取相應生物技術和方法，進行簡單的實驗設計和過程操作。

（3）能夠根據(jù)植物組織培養(yǎng)技術的原理，聯(lián)系誘變育種、單倍體育種、基因工程育種等技術，說出作物育種的新途徑，增強認知建構(gòu)能力和綜合運用能力。

3 教學過程

3.1 情境設疑，導入新課

教師播放位于“九大仙草”之首的藥用植物——鐵皮石斛的視頻，針對野生鐵皮石斛的瀕危之困，提出問題：如何實現(xiàn)鐵皮石斛的大量快速繁殖以滿足市場需求？學生想到利用植物組織培養(yǎng)技術進行微型繁殖，由此引出本節(jié)復習課的主題——植物組織培養(yǎng)技術。教師解釋：工廠化生產(chǎn)鐵皮石斛時，可以利用少量外植體材料，循環(huán)操作某些流程就可以實現(xiàn)大量微型繁殖。

設計意圖：教師呈現(xiàn)生產(chǎn)、生活中遇到的實際難題，使學生在教學與生活生產(chǎn)中實際問題之間搭建起橋梁，創(chuàng)設真實情境激發(fā)學生聯(lián)想，調(diào)動學生的思維。

3.2 合作實驗，實驗過程結(jié)構(gòu)化

課前學生通過教師發(fā)放的實驗任務單（表1），完成分組實驗。課堂上，教師通過設置一系列問題串：①微型繁殖利用的植物組織培養(yǎng)技術的原理是什么？主要過程有哪些？②植物細胞表現(xiàn)出全能性的條件有哪些？③在展示的MS培養(yǎng)基配方中分別含哪些大量元素和微量元素？用蔗糖作為有機碳源的優(yōu)勢有哪些？④培養(yǎng)過程如何促進生根和長芽？⑤無菌操作流程對實驗結(jié)果有什么影響？學生在帶著問題回顧基礎知識的同時，結(jié)合課前完成的分組實驗，小組進行結(jié)果交流分享。

表1 學生分組實驗及探究任務單

甲組學生展示、匯報：滅菌不徹底的培養(yǎng)基會長出霉菌等微生物，導致愈傷組織等難以正常生長。MS培養(yǎng)基中添加蔗糖，除了為植物提供更多的碳源和能源物質(zhì)外，能更好地維持培養(yǎng)基中低滲環(huán)境，避免植物因細胞脫水而生長受影響。此外，通過與添加葡萄糖組對比，微生物生長最容易利用的是葡萄糖。乙組學生匯報不同濃度試劑的處理組合下外植體的誘導率和染菌率不同：外植體的誘導率最高而染菌率相對較低的是體積分數(shù)為70%的酒精溶液和質(zhì)量分數(shù)為0.1%的氯化汞組合濃度，實驗材料不同結(jié)果有差異。丙組學生匯報植物激素生長素與細胞分裂素在不同使用比例下的結(jié)果，分析不同種類的培養(yǎng)基主要區(qū)別在于激素的巧妙應用，并指出部分植物脫分化過程有光會導致不出現(xiàn)愈傷組織而生成維管組織，但工廠化生產(chǎn)鐵皮石斛對愈傷組織的擴大培養(yǎng)可以不避光。師生總結(jié)：植物組織培養(yǎng)技術的過程因植物種類、提取部位、實驗目的等不同而有差異，并非是一個僵化的過程。

設計意圖：課前，學生利用實驗任務單，完成組內(nèi)合作探究，在實踐中將植物組織培養(yǎng)的基本實驗流程結(jié)構(gòu)化。學生通過親自實驗，定時觀察，如實記錄，在合作實踐與嘗試中學習，完成對知識的梳理、重構(gòu)，有助于保持旺盛的學習和探究熱情。學生不僅能說出實驗原理、流程等，對探索實驗過程中遇到的問題進行分析歸納思考，在交流合作過程中還可以生成知識。這些經(jīng)歷可以提高他們分析問題能力和深入思考能力，培養(yǎng)實事求是的科學思維。

3.3 挖掘材料，在任務驅(qū)動下探究

教師展示野生鐵皮石斛極為細小的種子圖片，創(chuàng)設情境：這些種子在自然條件下很難正常萌發(fā)和保存。鐵皮石斛含有多糖類、生物堿類、倍半萜類及揮發(fā)油類等多種藥用成分。如何獲得鐵皮石斛的種子？如何利用所學知識在短時間獲得鐵皮石斛中大量重要生物活性物質(zhì)？學生在學案上寫出流程圖。學生討論后，得出：獲得鐵皮石斛種子的流程是取外植體→培養(yǎng)至愈傷組織階段→胚狀體、叢芽→人工種子；獲得生物活性物質(zhì)的流程是取外植體→培養(yǎng)至愈傷組織階段→在液體培養(yǎng)基中懸浮震蕩培養(yǎng)→提取多糖及生物堿。

植物愈傷組織經(jīng)懸浮培養(yǎng)可得到有藥用價值的細胞產(chǎn)物，但也出現(xiàn)了新的問題。教師接著呈現(xiàn)情境，引導學生思考：技術人員在對鐵皮石斛的原球莖（簡稱PLBs，類似愈傷組織的高級階段）進行懸浮培養(yǎng)時，發(fā)現(xiàn)細胞干重隨蔗糖濃度和pH變化而下降。①愈傷組織細胞干重在后期下降的可能原因有哪些？②培養(yǎng)過程中，不斷通入無菌空氣并進行攪拌的好處是什么？學生分析后回答。

設計意圖：教師充分挖掘材料，通過問題情境幫助學生聯(lián)想到人工種子和細胞懸浮培養(yǎng)的技術，使學生理解植物組織培養(yǎng)技術已應用于社會生產(chǎn)的各個方面。同時，結(jié)合愈傷組織培養(yǎng)過程出現(xiàn)的問題，引導學生串聯(lián)復習細胞培養(yǎng)中的知識點。

3.4 思維延展，用多種技術解決新問題

教師指出：鐵皮石斛組培苗由于反復培養(yǎng)易受病毒的侵染，導致品質(zhì)退化，通過脫毒技術可提高鐵皮石斛的產(chǎn)量和品質(zhì)。如何獲得脫毒的鐵皮石斛植株？學生聯(lián)想到脫毒苗技術。教師展示不同熱處理時間、莖尖長度等實驗條件下對脫毒苗成活率和脫毒率的影響數(shù)據(jù)，學生總結(jié)對鐵皮石斛的莖尖脫毒效果更好的實驗條件。

教師介紹植物抗病毒機制的最新科研情況：2020年10月9日出版的雜志報道了中國科技大學趙忠團隊的研究成果，找到了植物中普遍存在的干細胞免疫病毒的關鍵因子——WUSCHEL（WUS）蛋白，由WUS基因表達產(chǎn)生，易受病毒感染誘導，闡明了植物干細胞廣譜抗病毒的機制。并引導學生思考：①鐵皮石斛脫毒苗會感染病毒嗎？②若想獲得抗病毒鐵皮石斛可用什么方法？其遺傳學原理是什么？需要處理什么結(jié)構(gòu)？學生分組討論，提出：誘變育種和用轉(zhuǎn)基因技術育種等，誘變后培育出的鐵皮石斛不一定抗病毒，可以利用基因工程向植物導入抗病毒基因，定向改造生物。教師總結(jié)并繼續(xù)延展學生思維：檢測獲得的轉(zhuǎn)基因鐵皮石斛植株是否具有抗病毒的特性，往往需要進行個體生物學水平鑒定。教師引導學生思考簡單的實驗思路。

設計意圖：教師在日常教學中帶領學生在聯(lián)系知識的同時，也注重多級開放，關注科研進展。將鐵皮石斛面臨的問題逐步呈現(xiàn)在學生面前，激活知識之間的聯(lián)系，以強有力的情境引導學生提取和遷移知識，轉(zhuǎn)化成解決實際問題的技能。學生在應用過程中感受到科學帶來的福祉，更能激發(fā)學習的動力與熱情。

3.5 構(gòu)建結(jié)構(gòu)化知識框架，引導深度學習

教師呈現(xiàn)資料：鐵皮石斛的不同部位都可以食用，發(fā)揮的功效也不同，市場上存在的石斛產(chǎn)品，多數(shù)是對鐵皮石斛不同部位進行粗加工和深加工得到的，如石斛鮮條、石斛粉等。教師提出問題：①從鐵皮石斛上取下的不同部位，經(jīng)植物組織培養(yǎng)后，得到的基因型都和親本一致嗎？②花藥離體培養(yǎng)得到的是什么植株？有什么特點？③哪些措施能夠獲得穩(wěn)定遺傳的植株？學生討論后總結(jié)：通過改變外植體，如提供花粉、雜種細胞、轉(zhuǎn)基因細胞等，就可以利用植物組織培養(yǎng)得到不同的產(chǎn)品；利用物理或者化學方法處理愈傷組織，有希望得到突變體，這為作物育種提供新的思路。教師結(jié)合以上問題，請學生構(gòu)建圍繞植物組織培養(yǎng)的知識框架，同時借助希沃教師助手展示學生寫的結(jié)果，通過學生自評、互評后完善流程圖，具體如圖1所示。

圖1 植物組織培養(yǎng)的知識框架

設計意圖：植物組織培養(yǎng)除了應用于微型繁殖、作物脫毒、人工種子等，還可以結(jié)合其他育種技術。深度學習理論認為，學生要在深入理解的基礎上，將知識遷移到不同新情境下以解決問題。在“解決野生鐵皮石斛瀕危之困”的背景下，運用整體聯(lián)系的觀點將相關的現(xiàn)代生物技術綜合起來思考，能夠點燃學生的思維火花，激發(fā)探究欲望，培養(yǎng)高階思維。這樣既鍛煉了學生在生產(chǎn)實踐中的認知建構(gòu)能力，又促進學生對知識的遷移，使學生真正體會知識技術背后的應用價值，有助于提升解決實際問題的能力，同時磨練科學思維，增強社會責任意識。

4 教學反思

4.1 知識結(jié)構(gòu)化，為思維而教

美國著名心理學家布魯納指出：“獲得知識，如果沒有完整的知識結(jié)構(gòu)把它們聯(lián)系在一起，那是多半被遺忘的知識?！苯處熞么龠M提取和應用的方式組織知識，幫助學生將碎片化知識檢索出來。本節(jié)課上，教師從探索實驗開始，把問題分解后以任務單的形式布置給學生完成實驗，在實踐與試錯中學習，重視動手實踐與合作能力，確保學生有充分的機會去探索感興趣的問題。再以問題串引領他們探討構(gòu)建實驗部分單元知識。學生在問題的引導下通過檢索知識來解決實際應用中的難題，再以專家的視角，將不同的教學內(nèi)容進行串聯(lián)，分類歸納形成知識主題，將內(nèi)容結(jié)構(gòu)化。教師重視學生的思維過程，讓學生與同學、與教師、與自我對話，逐漸養(yǎng)成像科學家那樣使用小問題分析能力和慣性思維進行思考和問題解決的習慣，在實踐中逐層提高思維結(jié)構(gòu)，改善思維品質(zhì)。

4.2 問題情境引領，以能力為重

學生的學習過程是接受和使用信息的過程。教師注重知識實際應用，可以增強學生的學習動機。本節(jié)課中，教師以真實問題“如何解決野生鐵皮石斛瀕危之困”作為科學思維、科學探究的主線，提供一系列情境資料，引導學生在問題導向下思考、任務驅(qū)動下探究，并按照“問題情境—問題解決—知識延展—知識深化"幾個環(huán)節(jié)展開教學過程。面對多角度開發(fā)鐵皮石斛產(chǎn)品中遇到的問題，教師設計遞進式問題將植物組織培養(yǎng)技術條件、人工種子、脫毒苗等生物技術緊密結(jié)合，自然融入多種育種方式，將知識放在一個整體框架中，層層展開，環(huán)環(huán)相扣。學生從對知識的記憶學習轉(zhuǎn)化為運用概念、原理等解決實際問題的能力，實現(xiàn)了問題引領、能力為重、素質(zhì)為基、問題解決的課堂。

4.3 實驗探究，考慮學生未來生活需要

植物組織培養(yǎng)技術的專業(yè)實踐性強，應用廣泛，讓學生參與實踐，可為進一步學習和職業(yè)規(guī)劃奠定基礎。在生物學教學中，教師要考慮學生未來的生活需要，引導其將來將學到的技能應用于實踐。本節(jié)課基于真實問題的研究，創(chuàng)設條件為學生提供實踐機會，設置了探究空間，放手讓學生在體驗與試錯中學習，培養(yǎng)動手實踐能力，提高合作意識，產(chǎn)生思維碰撞，確保學生有充分的機會去探索感興趣的問題，實現(xiàn)學生的學習與生產(chǎn)實踐操作的緊密聯(lián)系，使學生在體驗中實現(xiàn)知識的遷移、知識的創(chuàng)造和智造。教師注重將學生培養(yǎng)成心系社會，善解難題，服務社會的人，協(xié)調(diào)發(fā)展其生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任，使其具備適應社會發(fā)展需要的必備品格和綜合能力。