基于主線化情境的“植物細(xì)胞工程”專題復(fù)習(xí)

張 蕓

（南京航空航天大學(xué)蘇州附屬中學(xué) 江蘇蘇州 215121）

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“植物細(xì)胞工程”是人教版2019年版高中生物學(xué)教材《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》模塊第二章的內(nèi)容，包括植物細(xì)胞工程的基本技術(shù)和植物細(xì)胞工程的應(yīng)用兩節(jié)內(nèi)容。在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）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(shù)與工程”中的大概念4，即“細(xì)胞工程通過(guò)細(xì)胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產(chǎn)品”。通過(guò)新授課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)植物組織培養(yǎng)及其應(yīng)用、植物體細(xì)胞雜交的相關(guān)知識(shí)有一定的了解，但由于本專題內(nèi)容實(shí)踐性比較強(qiáng)，知識(shí)也比較零散，簡(jiǎn)單地介紹教材的相關(guān)知識(shí)，容易導(dǎo)致學(xué)生失去對(duì)該部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的興趣，也不利于學(xué)生知識(shí)體系的建構(gòu)和核心素養(yǎng)的發(fā)展。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實(shí)問(wèn)題情境中的實(shí)際問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。可見(jiàn)，核心素養(yǎng)的發(fā)展離不開(kāi)情境的支撐。為了更好地幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系，發(fā)展核心素養(yǎng)，筆者在教學(xué)時(shí)嘗試創(chuàng)設(shè)貫穿整節(jié)課的主線化情境，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、合作探究等方法，在增強(qiáng)課堂教學(xué)連貫性的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步建構(gòu)知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

①能運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念，概述植物組織培養(yǎng)和植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的原理和過(guò)程。

②能基于事實(shí)和證據(jù)，采用歸納與概括等方法，說(shuō)明植物細(xì)胞工程利用快速繁殖、脫毒、次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)、育種等方式有效提高了生產(chǎn)效率。

③認(rèn)同植物細(xì)胞工程的發(fā)展對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)都具有重要意義，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師播放被譽(yù)為“百草之王”的天山雪蓮的有關(guān)視頻：天山雪蓮是新疆特有的名貴中草藥，具有抗炎鎮(zhèn)痛、抗癌、降血壓、清除自由基等作用，但因其生存環(huán)境特異，生長(zhǎng)緩慢，加上長(zhǎng)期以來(lái)的掠奪性采挖，野生天山雪蓮瀕臨滅絕。并提出問(wèn)題：利用什么技術(shù)可以快速獲得大量的天山雪蓮？能否畫(huà)出該技術(shù)的主要過(guò)程圖？

設(shè)計(jì)意圖：教師選擇天山雪蓮這一充滿神秘色彩的植物創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲，并促進(jìn)學(xué)生聯(lián)系所學(xué)知識(shí)，為復(fù)習(xí)課的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

3.2 承接情境，探究植物組織培養(yǎng)的過(guò)程和條件

在導(dǎo)入情境下，教師提供資料：科研人員利用天山雪蓮的葉肉細(xì)胞進(jìn)行植物組織培養(yǎng)技術(shù)獲得了大量的優(yōu)質(zhì)組培苗，并展示該技術(shù)的主要過(guò)程圖（圖1）及所用的MS培養(yǎng)基。教師設(shè)置問(wèn)題串：（1）該技術(shù)的原理是什么？涉及的細(xì)胞分裂方式是什么？（2）植物細(xì)胞表現(xiàn)出全能性的條件有哪些？（3）MS培養(yǎng)基中添加蔗糖的目的是什么？培養(yǎng)基采用什么方法滅菌？滅菌時(shí)應(yīng)先滅菌后分裝還是先分裝后滅菌？（4）對(duì)外植體進(jìn)行消毒還是滅菌？植物組織培養(yǎng)要求無(wú)菌操作的目的是什么？（5）過(guò)程①②③分別是什么？誘導(dǎo)脫分化和再分化時(shí)對(duì)光照的要求如何？（6）如何調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的比值以誘導(dǎo)愈傷組織、芽或根的形成？

圖1 植物組織培養(yǎng)過(guò)程示意圖

設(shè)計(jì)意圖：植物細(xì)胞工程的基礎(chǔ)是植物組織培養(yǎng)，本專題復(fù)習(xí)以植物組織培養(yǎng)的過(guò)程入手，教師可將該技術(shù)的主要過(guò)程寫(xiě)在黑板上“外植體→愈傷組織→生芽→生根→植株”，以此為主線，將后續(xù)植物組織培養(yǎng)的應(yīng)用和植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的內(nèi)容融入這條主線中。這樣處理不僅能持續(xù)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和探究欲，還能幫助學(xué)生建構(gòu)完整的知識(shí)體系。

3.3 分解情境，探究植物組織培養(yǎng)的應(yīng)用

教師分解情境，根據(jù)每個(gè)子情境，設(shè)置問(wèn)題。

子情境1：天山雪蓮可以用種子繁殖。但種子成熟時(shí)，新疆天山已開(kāi)始下雪，采集種子比較困難，且雪蓮種子的萌發(fā)率低，生長(zhǎng)緩慢。如何解決這一困境？人工種子的組成部分有哪些？為什么要選擇透氣的種皮？人工種子與傳統(tǒng)種子相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？

子情境2：研究發(fā)現(xiàn)天山雪蓮中具有藥理活性的主要是一些黃酮類物質(zhì)。為了獲得大量的黃酮類物質(zhì)，常利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)將天山雪蓮細(xì)胞培育到愈傷組織階段，再用液體培養(yǎng)基對(duì)其進(jìn)行懸浮培養(yǎng)，然后從培養(yǎng)液中提取黃酮類物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)黃酮類物質(zhì)的工業(yè)化生產(chǎn)。為什么培育到愈傷組織階段？培養(yǎng)過(guò)程中要不斷通入無(wú)菌空氣并攬拌，原因有哪些？植物細(xì)胞培養(yǎng)與植物組織培養(yǎng)有何關(guān)系？

子情境3：采用天山雪蓮的花粉粒經(jīng)植物組織培養(yǎng)技術(shù)也可獲得幼苗。該幼苗與由葉肉細(xì)胞培育成的幼苗基因型是否相同？該幼苗為幾倍體？如何獲得可育的二倍體？

子情境4：長(zhǎng)期通過(guò)無(wú)性繁殖的雪蓮，體內(nèi)積累大量病毒，使得產(chǎn)量減少，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。病毒多集中在種子、老葉等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的組織中較少，在莖尖、根尖等分生區(qū)幾乎不含病毒。如何獲得脫毒雪蓮苗？脫毒苗是否具有抗病毒能力？

子情境5：研究發(fā)現(xiàn)可以利用射線處理雪蓮的愈傷組織，以獲得具有某種抗病性狀的雪蓮?fù)蛔凅w。為什么處理愈傷組織？射線處理后使其發(fā)生了何種變異？

設(shè)計(jì)意圖：植物組織培養(yǎng)的應(yīng)用這部分知識(shí)比較零散，學(xué)生不太理解這些應(yīng)用與植物組織培養(yǎng)技術(shù)的關(guān)系，不清楚每種應(yīng)用該培養(yǎng)到什么階段。因此，筆者將導(dǎo)入情境分解為多個(gè)小情境，逐點(diǎn)融通主線化情境與每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生在問(wèn)題驅(qū)動(dòng)中有目的地學(xué)習(xí)，逐步建構(gòu)知識(shí)體系，提升核心素養(yǎng)。

3.4 轉(zhuǎn)接情境，探究植物體細(xì)胞雜交的原理和過(guò)程

教師設(shè)置情境：科研人員分離了天山雪蓮（2n=32）和萵苣（2n=18）的原生質(zhì)體并將其融合，為天山雪蓮新種質(zhì)選育奠定了基礎(chǔ)（圖2）。并設(shè)置問(wèn)題串：（1）過(guò)程①所用的酶有哪些？該過(guò)程常加入適宜濃度的甘露醇以保持一定的滲透壓，作用是什么？（2）過(guò)程②所用的方法有哪些？（3）融合后是否需要篩選？為什么？如何篩選？（4）過(guò)程③密切相關(guān)的細(xì)胞器是什么？（5）過(guò)程②的原理是什么？由雜種細(xì)胞d培育成新植株體現(xiàn)了什么原理？（6）新植株的染色體數(shù)是多少？幾倍體？是否可育？（7）該技術(shù)與雜交育種有何區(qū)別？該技術(shù)有什么意義？

圖2 植物體細(xì)胞雜交過(guò)程示意圖

設(shè)計(jì)意圖：植物組織培養(yǎng)是植物體細(xì)胞雜交的前提，在學(xué)生探究完植物組織培養(yǎng)的原理、過(guò)程、條件、應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)后，為了讓課堂在一條情境主線的常規(guī)化探究中，更有新意，使學(xué)生的思維更加深入，筆者轉(zhuǎn)變探究的方向，用情境將學(xué)生拉入一個(gè)新的但又緊密相關(guān)的探究視野。新情境的引領(lǐng)避免了活動(dòng)和探究疲勞，會(huì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，教師在新情境下設(shè)置問(wèn)題串，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主歸納和總結(jié)，以增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

3.5 串聯(lián)情境，建構(gòu)知識(shí)框架

探究完成后，教師引導(dǎo)學(xué)生將分解的小情境串聯(lián)起來(lái)，建構(gòu)本專題的知識(shí)框架（圖3），以作最后的總結(jié)和深化。課后，教師收集和評(píng)選最優(yōu)秀的作品，供其他學(xué)生學(xué)習(xí)和交流。

圖3 植物細(xì)胞工程知識(shí)框架

設(shè)計(jì)意圖：主線化情境的核心內(nèi)涵在于它是結(jié)構(gòu)化知識(shí)建構(gòu)的重要途徑。教師通過(guò)構(gòu)建知識(shí)框架，不僅能幫助學(xué)生厘清知識(shí)之間的邏輯關(guān)系，更能培養(yǎng)學(xué)生歸納、概括、建模等科學(xué)思維能力和良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4 教學(xué)反思

馬赫穆托夫的“問(wèn)題教學(xué)”理論認(rèn)為：教師在課堂教學(xué)中有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，能夠讓學(xué)生主動(dòng)地思考探索，發(fā)現(xiàn)、提出并解決問(wèn)題，提升學(xué)生的邏輯思維。主線化情境是以某一情境貫穿整節(jié)課，通過(guò)這條主線創(chuàng)設(shè)多個(gè)教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生用知識(shí)來(lái)探究生物學(xué)現(xiàn)象的成因，是實(shí)現(xiàn)課堂意義建構(gòu)的一種整體式教學(xué)方式。本節(jié)課通過(guò)創(chuàng)設(shè)“天山雪蓮的植物組織培養(yǎng)”這一主線化情境，將植物組織培養(yǎng)的原理、過(guò)程、條件、應(yīng)用及植物體細(xì)胞雜交等相關(guān)知識(shí)整合融入，明顯提升了教學(xué)效果，既發(fā)展了學(xué)生的知識(shí)和能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。