深度學習視角下“細胞分化”概念的構建

摘" 要：

本文選取社會性議題“白血病治療新思路”作為教學情境，通過初建概念、感悟概念、深化概念、應用遷移，引導學生基于事實與證據提出假說與論證，理解細胞分化概念的內涵與外延，提升學生的科學思維能力，滲透社會責任意識，進而實現培養生物學學科核心素養的教學目標。

關鍵詞：深度學習；細胞分化；概念構建

文章編號：1003-7586（2024）12-0026-04" 中圖分類號：G633.91

文獻標識碼：B

基金項目：

（1）陜西省教育科學研究“十四五”規劃2022年度規劃課題“單元主題教學視域下高中生物學科學思維培養的實踐研究”（SGH22Y0211）；（2）西安市教育科學研究“十四五”規劃2023年度規劃課題“基于KWL策略提高中學生生物學學科提問能力的實踐研究”（2023XAGH178）。

深度學習是相對于淺層學習的一種學習理念，立足學生的前概念，引導學生通過深層次加工批判性地學習新知識、新觀念，從而促進概念的構建。指向深度學習的課堂教學設計一般流程為：明確教學目標—進行課程開發（面向項目式學習）—課堂教學策略（合作探究、深度思考、個性化教學）—教學評價（形成性評價）。［1］課堂教學設計的各個環節都基于深度學習理念，從學習者的角度出發，以培養學生的生物學學科核心素養為最終目的，通過引導學生積極參與課堂教學，主動解決問題，能夠有效提升課堂效率，提高學生生物學學科核心素養。東北師范大學胡航和董玉琦認為深度學習是主動性、批判性的有意義學習，要求學生通過對真實情境的深層加工，主動建立新舊知識之間的聯系，重新建構概念，從而實現對概念的深度理解，最后通過將概念應用于真實情境解決復雜問題，最終實現高階思維能力的發展。［2］

“細胞分化”一節是對細胞分裂知識的延伸與拓展，同時也是后續學習基因表達、克隆技術、植物組織培養等內容的基礎。鑒于本節內容繁多，加之學生尚未系統地學習過遺傳學知識，故而對細胞分化的理解僅限于淺層次的記憶與背誦，難以理解細胞分化的本質。因此，筆者沿著創設情境，初建概念—深度加工，感悟概念—學以致用，深化概念—拓展延伸，應用遷移的深度學習路徑，通過圖片、視頻等科學史材料和科學前沿內容，引導學生體驗知識的發生，在不斷強化感性認識的基礎上，通過深入思考與分析提升理性認識，培養高階思維，最終歸納概括并自主構建細胞分化的概念。

1" 創設情境，初建概念

教師播放介紹白血病致病原因與治療方法的視頻，引導學生分析移植造血干細胞治療白血病的原理。學生結合初中所學的血細胞相關知識，回顧造血干細胞可以分化為不同類型的血細胞的內容，并分析不同血細胞之間的差異，初步構建細胞分化的概念，并初步認識細胞分化與細胞分裂之間的區別。教師補充說明植物不同組織細胞間的差異，引導學生認同細胞分化普遍發生在動植物體內。

設計意圖：

教師將本節課學習任務融入“白血病治療新思路”這一真實性情境中，使學生學習更具有社會參與性與探究性，從而有效激發學習興趣，引發學生深度思考。

2" 深度加工，感悟概念

2.1" 基于事實，初探機理

在認識細胞分化概念的基礎上，學生產生疑問：分化后的細胞為何會執行不同的功能？教師首先引導學生回顧細胞膜、線粒體內膜、類囊體薄膜等結構的功能，分析不同生物膜功能不同的原因，由此得出“細胞的不同結構能夠執行不同功能主要依賴于其蛋白質的種類和數量不同”的結論。基于這一認識，教師進一步引導學生通過類比推理，得出分化后的細胞之所以能執行不同功能，可能是因為這些細胞中蛋白質種類和數量不同，即細胞分化的結果是細胞中蛋白質種類和數量不同。

資料1：斑馬魚胚胎發育不同階段的蛋白質種類如圖1A所示。

資料2：2000年，我國研究人員對大鼠17種器官的蛋白質組成情況進行分析（見圖1B）。該方法可通過條帶的位置及顏色深淺來判斷蛋白質分子的種類和數量。

學生通過分析斑馬魚不同時期的胚胎與大鼠不同組織細胞中的蛋白質種類，為先前提出的假說提供證據支撐，明確細胞分化的結果是細胞中蛋白質種類和數量不同。

設計意圖：學生根據已有知識對細胞分化的本質提出猜想，教師提供實驗資料作為支撐，幫助學生論證猜想，引導學生基于事實與證據進行推理，為后續進一步深入探究細胞分化的本質奠定基礎。

2.2" 深度剖析，明晰機理

鑒于高一年級學生尚未學習中心法則及基因表達的內容，難以理解細胞分化的本質，故該內容是本節的難點內容。筆者以豐富的科學史、生物學事實等資料為依托，通過設計層次分明的問題，引導學生逐步構建細胞分化的概念，并認識其內涵和外延。

針對細胞分化的根本原因這一核心議題，學生根據已有知識提出假說1“細胞分化是由于細胞核中部分基因丟失”，并嘗試構建模型（見圖2）。

教師展示我國科學家利用纖維細胞克隆“中中”和“華華”克隆猴的實例，引導學生發現：已分化的成纖維細胞的細胞核仍然可以克隆出“中中”和“華華”，說明分化后的細胞仍包含該生物發育成完整個體所需要的

全部

遺傳信息。學生由此推測在細胞分化的過程中遺傳信息并未丟失。教師繼續引導學生提出假說2：在某個特定的細胞中，有些基因發揮作用，有些基因沒有發揮作用。學生據此構建兩種可能的模型（見圖3）。

教師繼續展示兩則研究資料，引導學生分析兩種假說的正確性。

資料3：已知相同的DNA能發生結合，不同的DNA不能結合。生物學家提取了小鼠腦、腎、胸腺、脾、肝組織細胞的DNA，分別與小鼠胚胎細胞DNA進行雜交。結果表明，來自各種組織細胞的DNA的結合率和結合量都一樣。

資料4：人體細胞內大約有2萬～2.5萬個基因，分析結果表明，這些基因約 50%在所有組織細胞中都表達，而有大約15%的基因在一個或幾個特定的組織或器官中表達，比如胰島素基因只在胰島B細胞中表達，血紅蛋白基因只在紅細胞中表達。

學生分析資料得出結論：小鼠不同細胞中的基因相同，由此否定假說1。結合資料2和資料4，學生發現不同組織細胞中蛋白質種類和含量不完全相同，是由于基因在不同組織細胞中執行功能的情況不同，但有些對生命活動至關重要的基因在不同的組織細胞中均會表達，學生從而確定假說2-1的模型（見圖3A）為正確的模型。教師由此引導學生分析，為何同一個體不同組織中蛋白質種類不同？學生以人體血細胞、肌肉細胞、胰島B細胞為例進行闡述，歸納細胞分化的意義，進而培養結構與功能相適應的生命觀念。

教師介紹案例：

屠呦呦團隊發現黃花蒿含有抗瘧活性成分的主要部位是葉片

，引導學生深入分析黃花蒿葉片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原因。

教師提供資料：“黑色素細胞合成黑色素、分化后的細胞始終保持分化后狀態”，進一步引導學生深入分析細胞分化的特點。學生由此歸納出細胞分化的概念、本質及特點。

設計意圖：學生進一步運用“假說-演繹”法分析細胞分化的本質，經歷提出假說—尋找證據—否定假說—提出新的假說—尋找證據—得出結論的過程，在合作學習中逐步修正錯誤認識，主動構建細胞分化的概念，拓展其內涵和外延，從而對細胞分化的認識更加豐富且立體。學生在不斷論證的過程中，形成基于事實與證據進行論證的思維意識，提升科學思維能力和科學探究能力。

2.3" 實踐探索，運用機理

教師引導學生深入思考分化后的細胞在生物體內一直保持分化后狀態的原因，并說明細胞分化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，往往是穩定、不可逆的。但此結論與克隆猴“中中”和“華華”的成功克隆相悖，從而使學生產生認知沖突。學生分析提出：通過更換細胞質來改變基因表達，可以使已分化的動物細胞脫離原來的分化狀態。教師展示非洲爪蟾細胞核移植實驗、克隆羊及克隆牛的培育過程，進一步論證學生提出的觀點。

教師引導學生分析胡蘿卜韌皮部細胞組織培養、煙草的花粉離體培養的實例，歸納細胞全能性的概念并比較動物、植物細胞全能性的差異，并從中總結細胞表達全能性的條件。教師引導學生深入思考為何離體的細胞仍可以被誘導分化并形成完整個體。學生結合資料3及克隆技術總結：細胞分化與細胞核中的遺傳物質有關，即體細胞中都含有該物種的全部遺傳信息，從而認識細胞具有全能性的根本原因。

設計意圖：

教師通過一系列的問題設計，引導學生深入思考“已分化的細胞是否能脫離分化”，旨在培養學生的批判性思維能力、質疑與反思、分析和解決問題的能力，讓學生從傳統的知識接受者轉變為知識的構建者，有助于學生更好地理解細胞全能性的本質及其背后的科學原理。

3" 學以致用，深化概念

深度學習的核心在于學生達成對知識的構建和理解。［5］筆者引導學生聯系生活，分組交流和展示，完成進階任務，同時深化對概念的理解，內化并重構認知。在學生完成概念構建的基礎上，教師展示人體干細胞、心肌細胞、味蕾細胞、血細胞等不同細胞的壽命，引導學生思考：血細胞壽命往往很短，消失的細胞該如何補充？學生思考并認識到干細胞分化具有持久性。教師回歸課時情境“白血病治療新思路”，展示我國目前骨髓移植成功案例數量6 800例與志愿者數量242萬人之間的數量懸殊差距，引導學生思考導致骨髓移植成功率低的原因，并根據所學知識嘗試解決配型困難的問題。學生提出誘導體細胞脫分化或者核移植的方法。教師

繼續展示日本科學家誘導多功能干細胞的產生，以及我國科學家首次用iPS細胞克隆出完整的活體實驗鼠的案例，同時進一步拓展全能性的概念，構建完整的知識體系。

設計意圖：教師回歸“白血病治療新思路”這一課堂情境，展示器官移植面臨的現實問題，引導學生利用細胞分化及全能性的相關知識嘗試解決供源不足及成功率低的問題，培養社會責任意識。

教師以概念圖的形式，引導學生提出自己的結構化認知體系，有效促進學生掌握新概念的內涵和外延，實現前概念與新概念的有效轉換，進而達成細胞分化這一概念的深度理解和應用。

4" 拓展延伸，應用遷移

應用遷移是實現深度學習的有效途徑。［6］教師通過應用遷移，引導學生進行不斷反思與評價，從而達成正確的價值觀。在構建細胞分化概念之后，教師要求學生課后查閱資料，了解核移植技術的最新研究進展，并分析該技術是否可以用于解決目前器官移植配型難的問題。

設計意圖：教師將探究從課堂延伸到課后，讓學生在新情境中利用生物學知識解決生活問題，提高其科學思維和探究能力；引導學生關注器官移植問題，發展社會責任意識，進而發展生物學

學科核心素養。

5" 結語

本節課以“白血病治療新思路”為情境，引導學生初識概念；利用斑馬魚、大鼠和人體不同細胞中基因與蛋白質水平為資料，設計系列驅動問題，引導學生構建概念；以動物克隆、植物組織培養等一系列科研情境，引導學生深化概念；以白血病為依托，聯系所學，引導學生應用概念。在此過程中，學生不斷地提出問題并通過一系列證據進行嚴謹的推理與論證，逐步形成基于事實與證據的論證思維能力，滲透參與社會議題的社會責任意識。

參考文獻

［1］卜彩麗，馮曉曉，張寶輝.深度學習的概念、策略、效果及其啟示——美國深度學習項目（SDL）的解讀與分析［J］.遠程教育雜志，2016，34（5）：75-82．

［2］胡航，董玉琦.技術促進深度學習：“個性化-合作”學習的理論構建與實證研究［J］.遠程教育雜志，2017，35（3）：48-61．

［3］陳妍.1. 不同發育階段班馬魚單胚胎的蛋白質組分析2. vsx1基因沉默對金魚早期胚胎發育的影響［D］.長沙：湖南師范大學，2008．

［4］王聰睿，賈德勇，武新勝，等.大鼠各組織器官蛋白質圖譜分析［J］.新鄉醫學院學報，2024，21（5）：354-356．

［5］徐汛峰，付雷.基于深度學習的高中生物學單元學習目標及評價設計——以“生物的進化”為例［J］.生物學教學，2020，45（8）：12-16．

［6］何晶晶，鄭曉惠.基于深度學習理論的生物學概念建構——以“基因突變和基因重組”的教學為例［J］.生物學教學.2020，45（3）：12-14.