基于邏輯和證據的“細胞的分化”教學設計

趙怡霞 喬秀芹 李曉伶

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

1 教學分析

《普通高中生物學課程標準（2017 版）》對“細胞分化”相關內容的要求是“2.3.2 說明在個體發育過程中細胞在形態、結構和功能方面發生特異性的分化，形成了復雜的多細胞生物體”和“1.3.1 說明有些生物體只有一個細胞，而有的由很多細胞構成，這些細胞形態和功能多樣，但都具有相似的基本結構”［1］。人教版教材內容包括細胞分化的定義、意義、特點、原因，以及細胞的全能性、干細胞等知識。其中細胞分化是核心內容，細胞的全能性、干細胞都是細胞分化內容的拓展。結合課程標準要求和教材內容分析可知，細胞分化體現了細胞在嚴整的結構、有序的代謝的基礎上所表現出的發展與變化，既是對細胞結構、功能、增殖等知識的拓展和延伸，也是學生后續學習遺傳、變異的重要基礎，對于學生認同結構與功能相適應的觀點有著重要作用。

學生初中對細胞分化有了一定的認識，知道基因與遺傳有關，能控制生物的性狀。結合前幾單元的學習，學生知道蛋白質是生命活動的主要承擔者，能說明有絲分裂前、后，親、子代細胞中的遺傳物質相同，對結構和功能相適應的觀點也有一定的認識。但對基因、DNA、蛋白質、性狀之間的關系不清晰，利用已有知識分析推理、解決問題的能力有待發展，利用生物學觀點分析問題的能力有待提高。

基于以上分析，如何創設真實情境、設計有效問題、關注學生實踐？如何幫助學生形成有關細胞分化及相關內容間合理的知識體系？如何在學習過程中形成科學的觀點、思路和方法？這是教師教學過程中應特別關注的問題。最終通過這些問題的解決，逐步提升學生生物學學科核心素養。

2 教學目標

1）結合實例分析，運用結構與功能相適應的觀點，分析細胞分化的意義和原因。

2）基于邏輯和證據，進行分析和推理，概括總結細胞分化的原因，說明細胞的全能性。

3）觀察胚胎發育過程，展開交流，并嘗試提出問題。

4）利用所學概念探討有關疾病治療的問題，提出合理的方案，認同生物學發展對人類的重大貢獻。

3 教學重、難點

細胞分化的原因。

4 教學策略

基于學生的實驗和觀察、材料分析的問題解決：從斑馬魚胚胎發育過程的觀察入手，幫助學生明確細胞分化的定義。通過一系列的問題引領，學生運用知識、證據和邏輯深化對重要概念的學習。

5 教學準備

1）斑馬魚胚胎觀察實驗（過程見圖1）。

圖1 斑馬魚胚胎觀察實驗流程圖

2）斑馬魚胚胎發育觀察的匯報材料：匯總觀察結果，實驗小組制作PPT。

3）閱讀資料：教師通過查閱相關論文并整理形成閱讀資料，內容包括電泳技術的簡單介紹、斑馬魚不同胚胎期蛋白質分離結果、結果分析圖。

4）視頻：斑馬魚的胚胎發育過程、中國科學家鄧宏魁帶領團隊在干細胞研究方面取得的成就。

5）多媒體課件。

6 教學過程

6.1 創設情境，導入新課 通過提出“我是怎么來的”，展示學生成長的照片，在分享成長的快樂的同時，指出每個人都是由受精卵經過一系列的變化，最終成長為現在的自己。在這個過程中細胞發生了哪些主要的變化？引發學生思考。

6.2 實驗分享，概括細胞分化的定義 結合實驗小組學生分享的實驗成果和科學家的觀察結果，學生體會胚胎發育過程中細胞經歷的的變化，形成細胞分化的定義。

實驗小組學生介紹實驗并分享實驗結果：1）斑馬魚的主要特點：小型熱帶魚，條紋像斑馬，體長3～4 cm，耐寒性強，易飼養，胚胎透明，易觀察。2）實驗主要過程：適應性飼喂—獲得受精卵—觀察胚胎。3）觀察結果（圖2）。

圖2 斑馬魚胚胎發育過程

教師出示科研工作者在斑馬魚個體發育到一定階段時，對眼球組織的觀察結果（圖3）。最外層是形如羽毛的光感受器細胞，里面一層是視網膜上的圓形色素細胞。由72 h 到96 h，光感受器細胞進一步排列整齊。

圖3 斑馬魚眼球組織切片［3］

提問：結合上述觀察，斑馬魚的發育過程中，細胞發生了哪些主要變化？這些變化有何意義？

學生根據上述材料總結：1）細胞通過增殖，數量變多，在此過程中細胞的形態、結構、功能都發生了變化。2）細胞形態結構的變化與細胞的功能相適應，有利于提高細胞相應生理功能的效率，是個體發育的基礎。

設計意圖：學生親歷實驗，觀察、分享實驗結果，對細胞的生命歷程有了直觀且較為全面的認識。

6.3 資料分析，深化概念 學生結合所學和教師提供的素材，在推理、尋找證據、質疑、再推理中，深入理解細胞分化的原因和細胞的全能性。

問題1：從分子水平分析，在斑馬魚的胚胎發育過程中，細胞的形態、結構、功能為什么發生了變化？學生推測：與生命大分子有關，由于蛋白質是生命活動的主要承擔者，所以蛋白質的種類、含量可能發生了變化；蛋白質合成由DNA 控制，所以也應與DNA 有關。

資料1：斑馬魚不同胚胎時期蛋白質電泳結果（圖4、圖5）。

圖4 斑馬魚不同胚胎期蛋白質電泳檢測結果［4］

圖5 3 d 胚胎和5 d 胚胎蛋白質分離結果分析圖［5］

學生分析并得出結論：細胞分化的直接原因是不同種類細胞中蛋白質的種類不完全相同。教師在此基礎上結合模式圖簡要指出，控制蛋白質合成的一段DNA 是一個基因，基因控制相應蛋白質的合成，即基因的表達。

問題2：從基因的角度嘗試解釋，為什么不同種類細胞的蛋白質不完全相同？部分學生認為，由于不同種類細胞中蛋白質不完全相同，則推知不同種類細胞中基因不完全相同。另一部分學生認為，有絲分裂過程中，遺傳物質復制均分，所以不同細胞中基因應相同。

資料2：克隆羊多莉的培育過程。

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

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

問題3：細胞在生物體中并未表現出全能性，而是進行了基因選擇性表達，影響基因選擇性表達的因素是什么？請結合克隆羊多利的形成過程加以分析。學生分析討論：重組細胞與乳腺細胞的區別是細胞質不同，說明基因的表達可能受到細胞質物質的調控。

資料3：1）果蠅卵漏實驗：在果蠅受精卵的前端注入來自尾端的細胞質，該受精卵發育成雙尾端的果蠅［2］，說明基因的選擇性表達確實受到了細胞質內一系列物質的調控。2）細胞信號轉導圖：說明細胞基因選擇性表達過程是在嚴密的調控下進行的，要受到內、外多種因素的共同調控，是穩定、不可逆的。

問題4：已分化的細胞在體內能表現出全能性嗎？如果人為需要某細胞表現出全能性，應如何處理？學生分析討論：已分化的細胞在體內是無法表現出全能性的，因為細胞分化受到了細胞嚴密的調控，細胞的形態、結構與細胞的功能相適應，不能輕易改變。所以，表現出全能性的條件，需要離體，即脫離原有調控；人為加入調控物質，改變基因的表達情況，使細胞表現出全能性。

設計意圖：基于邏輯和證據的分析，有利于學生形成科學的思維品質，通過對素材的深入分析，巧妙地突破重、難點。例如對克隆羊培育過程的分析，既能幫助學生認識細胞分化的原因，又能理解細胞的全能性；通過對細胞能否表現出全能性的深入追問，以及果蠅卵漏實驗和細胞中的信號轉導圖的分析幫助學生認識：1）細胞分化受到細胞內、外一系列信號的調控，細胞分化的過程是復雜的調控過程，細胞一旦分化不能輕易改變和逆轉。2）細胞分化的過程雖然復雜，但卻通過一些簡單的基本原理而實現。從而幫助學生從本質上理解生命的共性。

6.4 學以致用，解決問題 在學生認識了細胞分化原因和細胞全能性的基礎上，進一步創設情境，引發學生的思考，在解決問題的過程中，深入理解重要概念。

在講解干細胞的分類和特點后，引出白血病的相關資料。

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，主要臨床表現為貧血、出血、感染，進行血液、骨髓檢查發現，血液中白細胞數量明顯增多，骨髓增生活躍，存在大量原始白細胞。

問題1：請分析病因和治療方案？學生討論后指出細胞分化出了問題，可進行造血干細胞移植。

問題2：教師肯定學生所說的方案后提出：截至2018年1月，中華骨髓庫統計，捐獻造血干細胞例數6832 例，遠低于242 萬的志愿者數量，僅約為患者申請人數的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，更需要解決配型難的問題。能否根據所學提出解決配型難這一問題的辦法？學生結合所學提出：通過對體細胞誘導，使其轉變為造血干細胞。

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

資料2：1）獲得諾貝爾獎的日本科學家山中伸彌的研究資料。2）我國科學家誘導皮膚細胞轉變為小鼠全能干細胞進而發育成小鼠的資料。同時指出，盡管這一技術還存在很多問題，但利用患者自體細胞進行誘導全能干細胞并克隆器官很有前景，能為很多患者帶來福音。

設計意圖：有利于學生深刻認識細胞分化受到細胞內、外信息分子的調控，體會科學方案的提出雖簡單，但最終變為現實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胞中而導致貧血等癥狀。我國科學家屠呦呦帶領團隊經歷數百次失敗后發現，黃花蒿含有的抗瘧活性物質青蒿素主要分布在新鮮葉片中，最佳采摘時機是在植物即將開花之前，且青蒿素在細胞中的含量極低。

問題3：上述資料說明了什么？如何快速獲得大量青蒿素？學生討論后認為：1）上述現象是由于黃花蒿細胞中與青蒿素有關的基因在特定的時間和空間選擇性表達的結果。2）選取優良品種的黃花蒿，取其細胞，在外界環境中加入調控物質，使其表現出全能性，快速獲得大量優良品種，提取青蒿素。教師肯定學生的分析并指出：植物組織培養技術在植物的培育中已得到廣泛應用，高三會進一步學習相關內容。該技術對于獲得青蒿素是否適用，需進一步考證。

設計意圖：1）結合關于植物的實例進行分析，利于學生認同細胞分化的普遍性。2）鞏固學生對細胞全能性的理解，期望通過開放性的問題引發學生思考，為高三學習生物技術埋下伏筆。

7 板書設計（圖6）

圖6 板書設計

8 教學反思

本教學設計于2018年1月在高一年級實施，以學生親歷的實驗為切入點。在提出假設、質疑、尋找證據、再提出新的問題的過程中，學生落實了對細胞分化和細胞全能性2 個重要概念的學習，進一步認同了結構與功能相適應的生命觀念，提升了科學思維品質，在一定程度上領悟了科學研究的思路、方法和科學精神。