基于學情和實驗建構生物學概念的教學設計

孟祥成 陳維 王立平

摘要 以“植物組織培養技術”為例，基于學情和實驗操作建構生物學概念，培養學生知識遷移運用能力、提高學生實驗操作能力、提升學生生物學學科核心素養。

關鍵詞? 植物組織培養實驗建構生物學概念

中圖分類號 G633.91????????????? 文獻標志碼 B

1 教材分析

本節“植物組織培養技術”選自2019年人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》第二章第一節“植物細胞工程”。開篇以蘭花自然繁殖存在問題，尋求解決方法的情境導入，引出植物組織培養技術。教材內容排布為植物組織培養技術的原理、概念、過程及探究實踐“菊花的組培實驗”，本節課的內容是植物細胞工程的基礎技術，為后面將學習的植物體細胞雜交技術、作物新品種培育、植物基因工程應用等內容做好鋪設。

2 學情分析

《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》第一章“微生物的基本培養技術”中，學生已經掌握了培養基的配制和無菌操作技術。初步知道了人為培養生物的方法和過程，具備一定的實驗操作能力、科學探究能力和生命觀念的意識。在2019年人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第六章第二節“細胞的全能性”的思考·討論欄目中為了便于學生理解細胞全能性的內涵，也提及到“胡蘿卜經組織培養產生完整植株的過程，因此基于學情，教師可以變傳統講授生物學概念為實驗建構“植物組織培養技術”這一生物學概念，滿足學生發展需要、興趣愛好并激發學生學習動力。

3? 教學目標

（1）通過植物組織培養技術（以下簡稱組培技術）實例分析，概述組培技術原理、植物細胞全能性的定義、原因、表現條件，樹立結構與功能觀。

（2）基于科學史資料閱讀，了解細胞工程發展概況、現狀、未來發展趨勢和生產實踐的應用，提升閱讀理解、信息獲取、歸納概括等科學思維，培養科學精神和科研態度。

（3）通過參與“菊花組織培養實驗”，基于學情和親身實踐建構“植物組織培養技術”生物學概念，提升實驗技能、培養團隊合作精神、增強社會責任感。

4 教學過程

4.1課前準備

由生物興趣小組進行文獻查閱和實驗準備。具體包括：查閱文獻了解不同植物激素使用量對菊花組培技術的影響，確定學生分組實驗時激素的配比，配制一部分培養基并滅菌以備使用。教師購置MS基礎培養基、菊花無菌苗、口罩、鞋套等，提前對實驗服、實驗器具、超凈工作臺、實驗室等進行消毒和滅菌。

4.2情境導入——基于學情初構概念

教師播放品種多樣形態各異的開封菊花展圖片，告知學生這么多千姿百態、顏色不一的菊花可以通過營養繁殖與種子繁殖。設問：利用什么方法能實現用料少、成苗量大、快速獲得大量品色各異的菊花呢？圖片引起學生興趣，直入正題“植物組織培養技術”。以問題串形式回顧：①組培技術的原理是什么？利用文字和箭頭描述實驗過程？②什么是植物細胞的全能性？③植物細胞都具有細胞全能性嗎？都能體現全能性嗎？④體現全能性的條件是什么⑤遺傳物質的本質和作用是什么？基于已有的知識讓學生將其中因果關系梳理清晰：植物體中的細胞因為具有本物種全部遺傳物質，其具有控制代謝、發育、性狀等功能，細胞就擁有發育成完整個體的潛力，但由于細胞處于特定時間和空間內，基因選擇性表達的限定，它不能表現全能性，所以想更好表現全能性必須選取幼嫩組織脫離機體，給予適應條件，這是植物組織培養技術概念的基礎，如圖1所示：

4.3教材閱讀——基于史料廣構概念

教材是教師和學生學習的依據，是《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱為《課程標準》）的代表資料，具有權威性、主導性和基礎性。學生翻閱教材，閱讀細胞工程的發展歷程，了解細胞工程發展概況、快速歸納概括植物組織培養技術發展趨勢、列舉身邊了解的組培技術實例、教師展示本市農科所科研成果圖片--千嬌百媚的百合花新品種，邀請興趣小組同學談談參觀農科院的感想，同學們認識到科學的進步離不開科研技術，知道他們從事實出發利用現有技術手段解決問題并再發現新問題，不斷推動技術發展和科學發展，他們還有著求實、創新、團結、堅毅等科研精神，拓展了植物組織培養技術的概念，如圖2所示：

4.4親身操作——基于實驗全構概念

菊花組織培養實驗是選修教材中內容，部分中學學校是可實施的，實驗目標具有普遍性、實踐性和技術性。綜合考慮學生人數、課時時間、健康安全等問題，課程以學習小組為單位，理論知識回顧后由組長統籌安排組員開展實驗。實驗分為三部分：課上同步完成“配制培養基和滅菌”、“接種外植體”、課后完成“培養觀察”。

4.4.1配制培養基和滅菌

此步驟在“微生物的基本培養技術”中已學，組長主要巡視、引導、協調、指導學生如何配制培養基，還要精心梳理高壓蒸汽滅菌鍋使用方法和注意事項；鼓勵學生遷移運用。為了節約時間，小組部分成員直接稱量購買的MS培養粉（含有合適配比的營養物質，每組配置約10瓶，每瓶約30ml），使用微波爐溶化，按照記錄單添加植物激素（每組添加的細胞分裂素與生長素配比不同），調節pH 約為5.8后分裝至培養瓶，瓶體需要標記區分組別，按照高壓蒸汽滅菌鍋使用方法進行滅菌，以備下組學生實驗使用。

問題思考：①培養基的成分有什么？②制備培養基的流程？③與微生物培養基成分進行對比？

教師提示學生配置培養基時可在普通實驗室操作，不是絕對的無菌環境，培養基和接種工具的合格性滅菌是實驗的成功關鍵，注意關注滅菌細節：是否對稱螺旋密封？是否冷空氣排放徹底？是否滅菌徹底（取決于物品量、保溫時間等）？取出培養基后是否直接送至無菌區？

4.4.2接種外植體

消毒試劑升汞國家已經嚴令禁止學校使用，學生初實驗，為了考慮安全問題和實驗效果問題，本次實驗減去外植體消毒過程直接接種無菌外植體。組長嫻熟地演示無菌操作過程：70%酒精擦拭臺面和實驗者雙手、點燃酒精燈并灼燒接種用具、無菌區剪取合適大小幼嫩組織、以合適的方向插入培養瓶中等等，每組其余成員在超凈工作臺中酒精燈火焰旁無菌區域獲取外植體，進行無菌操作接種到課前由組長已經滅好菌的培養基中，并在瓶體標記時間和人員。每組兩部分同學操作完成后再交換操作，順利高效完成實驗過程。

問題思考：①外植體選取條件？②接種過程中具體有哪些無菌操作環節？

教師提示學生實驗操作的速度、熟練度和空氣流動會影響污染率，重點提高防火安全意識及危險隱患處理等。

4.4.3培養觀察

細胞全能性體現的條件也是植物組織培養的條件，將接種好的培養瓶放于恒溫光照培養箱中，溫度調至25℃，無光照培養（也可直接在無菌培養室培養）。觀察記錄培養情況：是否污染、是否分裂、記錄其大小，顏色等指標。由于培養需要時間，實驗還待繼續，則其余培養過程可以轉至問題形式。

問題思考：①完善植物組織培養技術流程圖？觀察到什么樣形態，被認為是形成愈傷組織？②通過什么操作過程實現脫分化和再分化？③如何操作使試管苗適應外界環境，移栽成功？

學生通過人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》的簡單學習以及本節課的親身實踐，已經能夠深刻感悟到植物組織培養技術過程的內涵，這樣形成了植物組織培養技術概念的核心主干，如圖3所示：

4.5組間對比——基于對照再構概念

實驗結果受多方面因素影響，除了內因植物種類、器官類型、年齡和新鮮度，還與外界的溫度、 pH、光、植物激素使用量、使用比例和使用順序等有關。

實驗準備階段組長通過查閱文獻，已經初步設定了脫分化過程不同組間植物激素的配比（即：生長素大于細胞分裂素、生長素等于細胞分裂素、生長素小于細胞分裂素），實驗設計遵循了對照原則、平行重復原則等科學原則，此實驗結果中大部分組別能很好的驗證植物激素不同配比可以影響脫分化效果，有的組由于污染率和成活率問題不能得出實驗結論，學生的科研精神得到培養，也體會到了實驗的偶然性、重復性和科研艱辛。為了使實驗完整和學會遷移運用，教師播放自己錄制的“利用植物組織培養技術培養百合幼苗視頻”。

問題思考：①使用植物激素在哪些方面影響植物生長發育？②反思降低實驗污染率的具體措施有什么？

動手操作配置培養基、滅菌培養基、獲取外植體、接種外植體等環節極大激勵了學生的學習動力，真實實驗視頻、熟悉的實驗場景，讓學生有信心繼續試驗，繼續探究，在科研的道路上越走越遠，進一步完善了植物組織培養技術的概念，如圖4所示：

4.6聯系實踐——規劃將來職業生涯

《課程標準》學科素養的“社會責任”中提及“應用生物學知識解決生產生活問題”，“學業要求”充分認識生物技術和工程的原理和過程，幫助學生達成學習目標，落實學科核心素養，同時幫助學生更好的生活、就業，以及滿足部分學生選擇從事科學研究的需要。教師提示對“植物組織培養技術”感興趣的同學可以填報農林、園藝、生物技術等專業繼續深造，將來可以從事的工作有苗木生產、花卉生產、蔬菜生產和植物新品種的繁育等，還能提供大學生自主創業的能力和機會，提升社會責任感。

5 教學反思

本節課嘗試基于學情和實驗操作建構生物學概念“植物組織培養技術”，倡導學生成為課堂的主人，體會實驗的快樂，體驗學習的成就感。教師扮演助學者，適時將學習過程的不完整續寫完整，將基礎知識拓展延伸，緊湊而高效的課堂使學生掌握了技術原理、過程，同時達成發展學生生物學學科核心素養、促進學生個性發展、助于學生滿足社會需求的生物課程任務。