利用模式生物進行“一境到底”的教學設計

摘 要：本文根據模式動物果蠅的相關研究成果創設情境，以“一境到底”的方式將科研成果貫穿于“細胞的衰老與死亡”一節的教學過程中。本文采用概念教學的方式，從宏觀現象過渡至微觀特征，最后探究分子機理，層層遞進、深度學習，旨在引導學生主動構建知識概念，貫徹學科課程標準的要求，從而培養學生的生命觀念、科學思維和社會責任，從而發展生物學學科核心素養。

關鍵詞：細胞衰老；細胞死亡；核心素養；一境到底

文章編號：1003-7586（2024）07-0012-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

“細胞的衰老與死亡”是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》（以下簡稱“教材”）第6章第3節的內容，根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）要求，學生應掌握“描述在正常情況下，細胞的衰老和死亡是自然的生理過程”這一次位概念。學習細胞衰老過程中的形態、結構及功能的變化是促進學生形成次位概念，深化結構與功能觀的基礎。［1］“細胞的衰老與死亡”一節的教學存在一些有待優化的細節，一方面，學生對細胞衰老的微觀特征缺乏認知和理解；另一方面，教學內容和情境過于碎片化、片面化。［2］［3］

基于此，本教學設計以模式動物果蠅的研究科學史和最新的科研成果創設情境，在微觀層面加深學生對細胞衰老的認知。通過維生素E對果蠅衰老的影響［4］，引出關于細胞衰老（自由基學說）的學習內容，再以老齡和幼齡果蠅腸道干細胞分裂分化的情況差異為例，解釋細胞衰老與個體衰老的關系。最后以老齡化果蠅飛行肌細胞凋亡標志物Caspase-3顯著上升為例［5］，開展細胞凋亡的學習，并闡述細胞凋亡對個體發育、穩態維持的重要意義。

1 教材分析及教學思路

1.1 教材分析

《課程標準》要求學生掌握“在正常情況下，細胞衰老和死亡是一種正常的生理過程”這一次位概念。教材在“細胞的衰老與死亡”一節中新增關于細胞自噬的內容。下文分別從知識價值、思維價值、育人價值的三重邏輯對本節教學進行分析。

1.1.1 知識價值

學生此前已深入理解細胞分裂和分化的相關知識。在此基礎上，本節介紹了細胞衰老的特征和原因、細胞衰老與個體衰老的關系，以及細胞死亡的幾種方式。學生通過本節的學習，進一步完善了對細胞生命歷程的認識，從而建立起相應的知識體系。

1.1.2 思維價值

教材內容的安排遵循生命周期的基本規律，不僅符合學生的邏輯認知，還以圖文結合的方式展示細胞衰老涉及細胞形態和結構的改變，加深學生的直觀理解。學生先系統地學習細胞的形態和結構，再深入探究細胞代謝的變化過程，進一步探究細胞衰老的機理。由此，教師基于事實和證據，培養學生歸納與概括的科學思維能力。

1.1.3 育人價值

細胞衰老是生命科學領域的熱點研究，其過程機制的研究對人類健康和社會發展至關重要，反映了生物學知識在社會發展中承擔的責任。在學習該研究的過程中，學生要深入理解科學技術進步與社會發展的密切聯系，從而增強社會責任意識。

本節內容緊密聯系實際生活，但對于較為抽象、易混淆的概念，以及細胞衰老過程中細胞形態、結構與功能產生變化等微觀現象，需要教師在教學過程中深入挖掘素材，適當補充，幫助學生克服難以理解的知識點。

1.2 教學思路

本教學設計以模式動物果蠅的相關材料創設“一境到底”的教學情境，將果蠅的研究科學史和最新的科研成果引入課堂，通過概念教學的方式推進教學進程。

對于“細胞的衰老”的教學部分，首先，教師引導學生觀察果蠅腸上皮細胞衰老變化的電鏡圖，歸納細胞衰老的特征，加深微觀層面的認知。接著，教師引導學生探究細胞衰老的本質原因，領悟其機制，通過維生素E對果蠅抗衰老的影響，深入理解細胞衰老的本質。最后由教師制造認知沖突，幫助學生厘清個體衰老與細胞衰老的關系，學生小組合作，主動思考并辨析不同觀點。

在“細胞的死亡”的教學部分，教師以老齡化果蠅飛行肌細胞的凋亡標志物Caspase-3顯著上升為例，引導學生學習細胞凋亡，并體會其對個體發育和穩態維持的重要意義，依托學科前沿構建概念。教師列舉細胞壞死相關實例，引導學生辨別并歸納總結細胞凋亡與細胞壞死的差異，深化和應用概念，從而構建完整的知識結構。

2 教學目標

（1）通過對果蠅腸上皮細胞衰老變化電鏡圖的觀察，識圖并分析推理，描述細胞衰老的特征，提高歸納與概括的能力。

（2）通過了解維生素E對果蠅抗衰老的影響，描述細胞衰老原因，說出導致細胞衰老的主要因素。

（3）分析果蠅衰老圖譜，辯證地說明細胞衰老與個體衰老的關系，形成批判性思維。

（4）闡明細胞凋亡與細胞壞死的區別，概述凋亡對個體發育和穩態維持的重要意義。

（5）了解細胞衰老和凋亡的研究進展，探討細胞衰老和死亡與人體健康的關系，關注老年人的健康，增強社會責任意識。

3 教學過程

教學過程分為“細胞衰老”和“細胞死亡”兩大部分，借助“老齡化果蠅細胞中凋亡標志物Caspase-3顯著上升”的實例銜接二者，幫助學生對細胞的生命歷程形成更清晰的認識。

3.1 細胞的衰老

3.1.1 創設宏觀情境，補充背景

教師首先播放視頻，展示果蠅的生長過程，引導學生初步感知個體衰老的現象，再展示資料一讓學生認識到果蠅作為模式動物，是研究人類及其他生物衰老的分子和遺傳基礎的重要資源。接著教師引領學生回顧，細胞是生命系統結構和功能的基本單位。最后提出問題引發學生思考：宏觀上果蠅個體出現衰老的同時，微觀上細胞產生什么變化？

資料一：大約75%的人類疾病相關基因在果蠅中具有功能同系物。在果蠅研究中也觀察到許多與人類相似的年齡相關功能變化，包括運動活動、學習和記憶、心臟功能和生育能力的下降。［6］［7］

設計意圖：利用模式生物果蠅創設情境，激發學生的學習興趣；了解果蠅作為模式生物的優勢，為后期學習摩爾根的果蠅雜交實驗做鋪墊；宏觀層面了解個體衰老的特征，并過渡到微觀層面的深入學習。

3.1.2 觀察微觀結構，感知特征

教師展示科研人員研究維生素E對果蠅腸上皮細胞衰老影響的成果，通過觀察對照組（普通飼料）和實驗組（飼料中加入維生素E）的果蠅腸上皮細胞在不同日齡下微觀變化［4］，引導學生對比對照組和實驗組果蠅腸上皮細胞的衰老變化差異，重點關注脂褐素、顆粒內質網、線粒體、細胞核發生的變化，最后歸納總結得出細胞衰老的特征及維生素E的作用。

在教師引導下，學生通過對比分析發現，對照組10日齡果蠅的細胞質內出現與線粒體大小相似的小體，含有較多黑色致密顆粒，為脂褐素顆粒。隨著日齡增加，細胞質內開始出現空泡，顆粒內質網減少，細胞核輪廓改變，異染色質增多且顏色變深；10～30日齡時，脂褐素顆粒增多；40～50日齡時，出現大團脂褐素；50日齡時，線粒體空泡化明顯。實驗組中，10日齡的果蠅腸上皮細胞與對照組無明顯差異，但初步可見顆粒內質網較多，黑色致密顆粒較少，細胞核內異染色質較少，顏色較淺。對照組20～50日齡的果蠅衰老變化程度較為明顯，細胞質內出現的空泡化較多，細胞質更為稀疏，脂褐素數量比實驗組多，并且顆粒更大。

教師帶領學生分析后，學生歸納細胞衰老的特征，隨后教師引導學生分析實驗組果蠅細胞衰老變化并不明顯的結論，其具體表現在脂褐素積累減緩、線粒體空泡化減少等方面。教師補充展示兩組果蠅壽命的數據（見表1），引導學生分析得出結論：維生素E能夠延緩果蠅的衰老。教師進一步提出問題：細胞衰老的機制是什么？維生素E為何能延緩細胞衰老？

設計意圖：教師從宏觀到微觀，通過實驗探究幫助學生建立起細胞衰老的認知，深化結構與功能觀，符合學生的認知發展規律，避免知識的機械灌輸。通過閱讀分析圖表的方式提高學生的信息獲取能力，在構建概念的過程中培養學生的歸納與概括能力，發展科學思維。

3.1.3 探究本質原因，領悟機制

教師繼續補充資料二，關于維生素E清除自由基的作用和機制，進而引出細胞衰老的假說之一“自由基學說”。然后教師引導學生閱讀教材，了解“自由基學說”相關內容，并回答“什么是自由基？自由基是如何產生的？自由基如何導致細胞衰老？”從而完成概念圖的填寫（見圖1），加深學生對“自由基學說”的理解。最后引出細胞衰老的另一種假說“端粒學說”，完善對細胞衰老機制的認知。

資料二：線粒體膜上的維生素E能夠清除該部位電子傳遞體系產生的過氧自由基，減少自由基的數量。

設計意圖：教師從細胞衰老的現象逐步深入到對其機制的教學。學生通過閱讀資料二，主動學習自由基學說相關知識，構建概念圖，發展科學思維。學生自主合作學習端粒學說并進行歸納總結，形成完整的知識體系。

3.1.4 制造認知沖突，厘清關系

教師提供以下觀點：①細胞的衰老就是個體的衰老；②衰老的生物體內細胞都處于衰老狀態；③年幼生物體內沒有衰老細胞。然后通過小組合作對上述觀點進行辨析和討論，最后得出結論：總體上看，個體衰老的過程也是組成個體的細胞普遍衰老的過程，屬于生物體內正常生命過程，有利于機體更好地實現自我更新。教師結合教材中“與社會的聯系”，引導學生培養對老人的關愛并關注老齡化問題，實現知識的遷移應用和社會責任意識的培養。

設計意圖：教師提供數據及背景知識，引導學生主動思考并辨析觀點，調動學生學習的主觀能動性。學生建立知識網絡，能夠辯證地看待細胞衰老與個體衰老的關系。教師通過對社會老齡化問題的探討，引導學生關注和了解社會現狀，培養學生的社會責任意識。

3.2細胞的死亡

3.2.1 依托學科前沿，構建概念

教師補充資料，說明老齡果蠅飛行肌細胞中Caspase-3的表達顯著增加。Caspase-3是細胞凋亡的重要標志物。通過閱讀資料四，學生理解果蠅老齡過程中肌肉細胞凋亡的機制。教師需同時補充相關知識，并講解教材中人體胚胎發育過程中手的形成及蝌蚪尾部的消失等細胞凋亡的實例，加深學生對細胞凋亡的理解，引導學生建立細胞凋亡的概念——細胞凋亡是由基因所決定的細胞自動結束生命的過程，明確細胞凋亡是一種自然的生理過程。

資料三：分析5日齡和50日齡果蠅Caspase-3平均熒光強度（利用帶有熒光標記的Caspase-3抗體即可檢測出活化的Caspase-3）發現，50日齡果蠅飛行肌細胞凋亡標志物Caspase-3顯著增加。

資料四：Caspases是一組存在于細胞質中結構類似的蛋白酶，分為起始者和執行者兩類。Caspase-3是凋亡的執行者，是沒有活性的酶原，起始者通過對其進行切割后形成具有活性的Caspase-3，進而切割細胞內重要的結構蛋白和功能蛋白。

設計意圖：教師創設科研情境，引導學生分析現象背后的機理，歸納得出細胞凋亡的概念，同時理解細胞凋亡的機制與對機體的意義。

3.2.2 多重比較，深化和應用概念

教師列舉細胞壞死的實例，引導學生辨別其是否屬于細胞凋亡，并列表總結細胞凋亡與細胞壞死的區別，深化學生對細胞凋亡概念的理解。最后學生閱讀教材中細胞自噬的相關內容，分析其誘導因素和生物學意義，從而形成完整的知識體系。

設計意圖：通過實例辨析的方式，學生對細胞凋亡產生更清晰的認識，同時認識細胞壞死與細胞凋亡的區別。此外，通過自主學習的方式將細胞自噬的知識內化，從而建立起完善的知識結構。

4 教學反思

本教學設計利用模式動物果蠅的研究成果貫穿課堂教學，不斷創設科研情境，由學生分析研究結果并體會科研的意義，避免教學素材的碎片化。教學從宏觀現象深入到微觀特征和機理，教師展示必要的實驗數據及實驗圖片，避免機械灌輸知識，以直觀、科學的方式讓學生體會到微觀上細胞衰老的特征。最后，本教學設計強調由教師提供素材，學生主動構建概念，在分析問題、解決問題的過程中發展歸納總結、邏輯推理等科學思維。

簡言之，本教學設計利用模式動物進行“一境到底”的設計方式，圍繞著“構建概念－深化概念－應用概念”的思路，發展學生的生命觀念、科學思維等核心素養，同時將社會責任融于教學中，落實《課程標準》的教育理念和要求。

參考文獻

［1］張賽男. 基于大健康戰略的教學設計——以“細胞衰老和死亡是自然的生理過程”為例［J］.中學生物教學， 2023（30）： 41-43．

［2］汪芷先， 黃德娟， 劉云海，等. 基于生物學學科核心素養的課堂教學設計——以“細胞的衰老和死亡”一節為例［J］.中學生物教學， 2023（6）： 70-71．

［3］陳麗娟， 李進華， 朱勇. 基于落實生物學學科核心素養的新教材探析與思考——以“細胞的衰老和死亡”為例［J］.中學生物教學， 2023（2）： 43-45．

［4］王煥葆， 趙增翰， 張素芳，等. 維生素E對家蠅壽命及腸上皮細胞內脂褐素堆積的影響［J］.動物學報， 1986， 32（3）：206-212+301-302．

［5］LU T C， BRBIC M， PARK Y J， et al. Aging fly cell atlas identifies exhaustive aging features at cellular resolution ［J］.Science， 2023， 380（6650）： 1145-1154．

［6］BELLEN J H， CHAO T， HIROSHI T. 100 years of Drosophila research and its impact on vertebrate neuroscience： a history lesson for the future ［J］.Nature reviews. Neuroscience， 2010， 11（7）： 514-522.

［7］DUSTIN B， MICHAEL W F， ANGEL B N， et al. Model organisms contribute to diagnosis and discovery in the undiagnosed diseases network： current state and a future vision ［J］.Orphanet Journal of Rare Diseases， 2021， 16（1）： 206-223．