基于學科能力培養的“細胞的分化”一節教學設計

吳海睿

（華中師范大學第一附屬中學朝陽學校 北京 100025）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出生物學核心素養，包涵生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4 個維度。要有效地提高學生的生物學科核心素養，最核心的任務之一就是培養和發展學生的生物學科能力［1］。生物學科能力體系可分為學習理解、應用實踐及遷移創新3 層。

在“細胞的分化”一節的教學中，采用5E 教學模式，即參與（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、拓展（elaboration）及評價（evaluation）5 個階段。探究階段：通過閱讀資料，培養學生的歸納概括能力（學習理解）；解釋階段：通過分析圖表和討論，培養學生的簡單推理和科學解釋的能力（應用實踐）；拓展和評價階段：通過聯系生活實踐，培養學生的復雜推理和解釋能力（遷移創新）。通過5E 的教學設計，讓學生主動進行核心概念——“細胞的分化”的構建，培養學生的生物學科能力（圖1）。

圖1 教學環節

1 教材及學情分析

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對本部分內容的要求是：細胞會經歷生長、增殖、分化、衰老和死亡等生命歷程，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［2］。本節課是人教版（2019）生物學必修1 第6 章第2 節的內容。教學內容是細胞分化的概念內涵和細胞全能性，在細胞增殖的基礎上，分析科學素材，讓學生認識在機體精細的調控下，細胞分化是基因在時間和空間上選擇性表達的結果，揭示細胞分化的原因、結果、特點、意義等。

本節是高二學生的新授課,屬于細胞的生命歷程中第2 節,前一節學生學習了細胞增殖；本節課,學生在小組活動中分析圖表,歸納概括,推理并科學解釋問題,理解細胞分化的概念內涵。

2 教學目標

1）分析圖表，探究細胞分化的原因、理解細胞分化的結果、特點及在生物個體發育中的意義，詮釋細胞具有全能性的原因。

2）閱讀生物學資料獲取關鍵信息，分析圖表，推理論證,科學的解釋問題,從而構建新知，發展學生理性思維。

3）形成結構與功能相適應的生命觀念。

4）關注干細胞治療在實際生活的運用。

3 教學重、難點

1）重點：細胞分化的概念內涵。

2）難點：細胞分化的原因。

4 教學過程

4.1 聚焦細胞變化，提出猜想（參與engagement） 生物個體發育起源于受精卵，逐漸形成獨一無二的個體，且體內的細胞也變得多樣。在個體發育中，各種組織細胞在形態、結構、功能上產生了差異。生命活動的主要承擔者是蛋白質，蛋白質由遺傳物質即基因表達產生。學生疑問：這些不同細胞的遺傳信息是否有變化？并提出了不同的觀點。

4.2 時空維度，詮釋細胞分化的原因（探究與解釋exploration and elaboration）

4.2.1 基因在特定空間下的選擇性表達

教師向學生出示資料1：紅細胞、肌細胞和胰島B 細胞中基因和蛋白質的存在情況（表1）。

表1 紅細胞、肌細胞、胰島B 細胞中含有的基因和蛋白質

觀察表1，學生獲取信息:在紅細胞、肌細胞和胰島B 細胞這3 種細胞中都含有血紅蛋白基因、肌動蛋白基因、胰島素基因，但卻分別選擇性表達血紅蛋白、肌動蛋白、胰島素。學生比較未成熟的紅細胞和胰島B 細胞，在這2 類細胞中細胞呼吸酶基因和核糖體相關酶的基因在所有細胞均表達，但血紅蛋白基因和胰島素基因，在紅細胞和胰島B 細胞中選擇性表達。

在教師啟發下，學生歸納概括：在特定的空間里，細胞有選擇地啟動某些基因并合成其他類型的細胞所不具備的蛋白質，這是構成該種特定細胞的結構、產物及功能的基礎。

4.2.2 基因在特定時間下的選擇性表達

學生閱讀資料2：血紅蛋白（Hb）是紅細胞中的一種蛋白質,其主要生理功能是負責體內氧的運輸。控制人的血紅蛋白基因分別位于人的第11 號、第16 號染色體上，在不同的發育時期至少有α、β、γ、ε 等基因為之編碼。人的血紅蛋白由4 條肽鏈組成（圖2），在人的不同發育時期，血紅蛋白分子組成不同。最常見的成人血紅蛋白HbA，由2 個β 亞基和2 個β 亞基構成（α2β2），這是成人血紅蛋白的主要形式（圖3）。

圖2 血紅蛋白［3］

圖3 各時期的血紅蛋白分子組成［4］

學生閱讀學案，思考問題1：在個體發育的胚胎期、胎兒期、成體期血紅蛋白分子分別是什么？學生分析圖像：胚胎期血紅蛋白的分子構成是α2ε2；胎兒期是α2γ2；成體期是α2β2。

在個體發育過程中，各種血紅蛋白基因表達量有動態變化，教師出示圖4，并提出問題2：α、β、γ、ε 這4 種基因主要在哪些時期表達？

圖4 個體發育過程中各種血紅蛋白表達量占總表達量百分比［5］

學生觀察圖4并推理解釋：基因α 在整個發育時期都表達，基因β 主要在成體時期表達，基因γ 主要在胎兒時期表達，基因ε 只在胚胎時期表達。教師播放幻燈片與學生共同分析：在胚胎早期，α-珠蛋白逐漸開啟后終生表達，ε-珠蛋白也開啟，形成血紅蛋白α2ε2。懷孕后6 周左右，ε-珠蛋白基因表達被逐漸關閉，γ-珠蛋白基因表達開啟，此時的胎兒血紅蛋白（HbF）由2 個α 亞基和2 個γ 亞基（α2γ2）組成，主要在胎兒的肝臟和脾臟中合成［6］。從懷孕后12 周至胎兒出生這段時間，HbF 是胎兒紅細胞中最主要的血紅蛋白。第2 次基因表達切換發生在出生后：γ-珠蛋白基因表達被逐漸關閉，β-珠蛋白基因開始表達。成人血紅蛋白由2 個α 亞基和2 個β 亞基組成（α2β2），主要在骨髓中合成（圖5）。

圖5 個體發育過程中各種血紅蛋白表達時期［7］

人的β-珠蛋白基因簇隨著個體發育進程，依次表達ε-珠蛋白、γ-珠蛋白及β-珠蛋白，該珠蛋白基因表達轉換過程受到嚴格的時空特異性調控，是一個復雜精細的真核基因表達調控事件［8］。教師提出問題3：為什么這些基因會選擇性的開啟和關閉？在學生的追問下，教師出示資料3：氧合血紅蛋白解離曲線（圖6），學生討論母親子宮內的胎兒如何獲取氧？

圖6 氧合血紅蛋白解離曲線［9］

學生推理并解釋：胎兒血紅蛋白（HbF）對氧分子結合力強于成體血紅蛋白（HbA）。胎兒使用HbF，因為子宮內無法得到像肺那樣充沛的氧供應，只有加大親和度盡量從母體獲取氧；出生后氧的供給很充沛，這時換用成體血紅蛋白,能更好地適應環境。這也體現了結構和功能相適應的生命觀念。

結合資料1 和2，學生歸納概括細胞分化的原因：基因在特定時間和空間的選擇性表達。細胞的分化由什么調控？

4.3 分析細胞分化調控，理解細胞全能性（拓展elaboration）

出示資料4：由于成年期β-珠蛋白基因編碼結構的突變或表達量的減少，導致的β-血紅蛋白病是世界上最大的單基因遺傳病，而在成年期開啟胎兒期表達的γ-珠蛋白基因，可治療β-血紅蛋白病［10］。目前已發現多個參與γ-珠蛋白基因調控的特異性轉錄因子。這些轉錄因子可結合到珠蛋白基因啟動子區域的特定序列上，招募相應的具有激活或阻遏作用的輔助因子,通過染色質重塑過程，實現對γ-珠蛋白基因表達的精細調控（表2）［5］。

表2 參與γ-珠蛋白表達調控的主要轉錄因子［5］

教師提問：參與γ-珠蛋白表達調控的主要轉錄因子對γ-珠蛋白的表達有哪些作用?通過分析表2，學生解釋轉錄因子激活或抑制γ-珠蛋白表達并分別舉例。細胞分化與基因表達調控形成一個系統，有諸多要素參與此控制系統，在精細的調控下，細胞分化有序進行。

在細胞分化的過程中，遺傳物質卻沒有變化。教師用1958年斯圖爾德的植物組織培養實驗和多利羊實驗，啟發學生理解全能性。最后用翟中和院士在《生命科學和生物技術》一書中的定義闡釋細胞全能性。

4.4 干細胞實例分析并互評（評價evaluation）細胞分化在生活中有哪些應用？教師播放臍帶血干細胞視頻，學生用本節課的知識解釋并評價，評價標準（10 分）如表3。

表3 學生學習情況評價標準表

5 教學反思

5.1 提供素材，學生自主構建概念 學生從已有知識產生認知沖突，猜想細胞分化的原因。教師提供3 種不同細胞的例子，讓學生分析細胞分化的原因，進一步解讀氧離曲線，結合γ-珠蛋白表達調控的主要轉錄因子的材料，解釋細胞分化與基因表達調控是一個復雜和精細的系統，促進學生自主構建細胞分化的概念。

5.2 分析圖表,訓練學生推理和科學解釋能力教師利用個體發育過程中血紅蛋白基因的表達圖及氧離曲線等訓練學生的推理能力。學生科學解釋子宮內無法得到像肺那樣充沛的氧供應，只有加大親和程度從母體獲取氧，從而使胎兒更好地適應環境，形成結構與功能相適應的生命觀念。

致謝：在本文撰寫過程中，得到了北京市朝陽區教研中心白建秀老師的悉心指點，在此表示衷心感謝。