指向核心素養的高中生物學一輪復習教學設計

摘 要：本文通過資料分析和模型構建等方式，引導學生運用分析、比較、推理、建模等科學思維方法，自主構建細胞的衰老和死亡這一核心概念，引導學生深入理解衰老和死亡在生物進化中的意義，幫助學生形成結構與功能觀，樹立珍惜和熱愛生命的生命觀念。

關鍵詞：細胞的衰老和死亡；一輪復習；核心素養；生命觀念

文章編號：1003-7586（2024）07-0067-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

高三生物學學科的一輪復習既要完成對已有知識的回顧，又要培養學生解決問題的能力。如何在兼顧知識和能力的同時培養學生的學科核心素養，是高三教師面臨的難題。本文以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”）中“細胞的衰老和死亡”一節為例，探討如何利用資料創設情境，利用概念構建框架，幫助學生形成結構與功能觀等生命觀念，落實生物學學科核心素養。

《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》）對本節內容的具體要求為：描述在正常情況下，細胞衰老和死亡是一種自然的生理過程。［1］在新課教學中，受學生基礎知識、學習能力和教學時間的限制，本節內容側重于描述現象，未做更深入的拓展。而在一輪復習課中，教師將結合DNA復制、細胞周期、細胞癌變等內容，深入探討細胞的衰老和死亡現象，以構建學科概念框架，培養學生分析資料、解讀圖表、推理比較等科學思維能力。

1 教學目標

（1）通過對細胞衰老和凋亡的實驗資料及相關學說進行分析，歸納出細胞衰老和凋亡的機制，形成結構與功能、穩態與平衡、進化與適應的生命觀念。

（2）通過對DNA復制導致端粒縮短及基因與細胞周期調控機理圖的分析，培養學生獲取信息和歸納整合的能力。

（3）通過在核心問題中分設問題串進行思考、討論和闡述，培養學生運用推理、論證等科學思維方法。

（4）通過對細胞衰老、死亡、癌變相關問題的思考，探討細胞衰老和死亡與人類的生命和進化聯系，使學生形成關愛生命、熱愛生活的基本價值觀。

2 教學過程

2.1 分析實驗，引出主題

資料一：以有無巴氏小體作為標記，將已分裂40次的正常男性成纖維細胞與已分裂10次的正常女性成纖維細胞混合培養，同時使用單獨培養的細胞作為對照組，統計細胞倍增次數。結果顯示，當混合培養的女性纖維細胞持續增殖時，男性纖維細胞已停止分裂，且混合培養的兩類細胞倍增次數與單獨培養時相同。

教師以實驗材料為情境引出本節復習課的主題：什么是細胞的衰老？

設計意圖：教師引導學生分析實驗材料，得出“細胞分裂次數是有限的”結論，從而闡述細胞衰老是由于其自我復制能力逐漸退化所致，引出細胞的衰老這一主題。結合教材得出，衰老是一種生理現象，體外培養的正常細胞經過有限次數的分裂后，停止進一步分裂，同時細胞形態和生理代謝活動發生顯著改變。相較于教材直接由生活現象導入細胞衰老的特征，由實驗探究資料的導入更深入本質，同時有助于培養學生的實驗分析能力。

2.2 串聯問題，構建概念

2.2.1 細胞衰老的特征

學生根據先前的學習，可以準確描述衰老在細胞水平上的特征。由于細胞水平的衰老難以用肉眼觀察，教師可以自然過渡到探討個體水平的衰老特征，從而進一步深入并拓展細胞衰老與個體衰老的特征的相關知識。

2.2.2 細胞衰老的原因

細胞為什么會衰老？教材對研究細胞衰老的兩種學說進行了簡要介紹，為學生提供了初步認識。但是學生依然缺乏對細胞衰老機制更全面的理解，因此需要教師引導學生進一步探討這兩種學說的具體內容。

細胞衰老原因1：端粒學說。

關于端粒學說，教材只描述了端粒會隨著細胞分裂次數的增加而縮短，并未對其機理進行具體闡釋。教師可以為學生提供DNA復制導致端粒縮短的作用機理圖（見圖1）。

針對DNA復制導致端粒縮短的機理，教師設置問題串：為什么DNA的復制需要引物？什么原因導致DNA完成復制后的端粒縮短？端粒縮短會產生什么影響？

結合DNA復制相關知識，學生可以分析得出端粒縮短的原因：DNA聚合酶無法自行開始復制DNA序列，需要一段RNA引物作為起始點。DNA復制完成后，RNA引物被切除，故末端DNA（即端粒）逐漸縮短。DNA的損傷會導致DNA結構和功能異常，進而影響細胞正常的生理活動。

學生可能會提出延長并修復縮短端粒的解決方案，教師借此可以引出端粒酶的作用（見圖2）。［2］ 教師補充端粒酶的相關材料進一步講解細胞衰老的原因：端粒酶在大多數正常細胞中的活性較低，在受精卵、干細胞和癌細胞中的活性相對較高。據此既可以證明正常細胞必須經歷衰老過程，又可以拓展說明癌細胞能夠無限增殖的原因。

細胞衰老原因2：自由基學說。

對于自由基學說，教材中介紹了自由基的來源和對細胞的損傷，其作用原理如圖3所示。

針對自由基的作用原理，教師結合教材設置問題串：細胞為什么會產生自由基？自由基對細胞造成哪些損傷？自由基對磷脂的損傷過程是正反饋還是負反饋？自由基對細胞的損傷會導致什么結果？

學生活動：學生結合DNA復制和細胞的功能與結構，查閱自由基學說的相關文獻得出：自由基是細胞代謝過程中，

氧化還原反應的必然產物；自由基對細胞的損傷主要體現在氧化損害、DNA損害、蛋白質損害和線粒體損害四個方面；自由基能夠誘導磷脂氧化產生更多的自由基，進而加劇磷脂的損傷，屬于正反饋過程；自由基可使細胞中的多種物質發生氧化反應從而影響其正常功能，還可以引起DNA損傷從而導致基因突變，誘發腫瘤的形成。

教師由問題串進行延伸：自由基的氧化損害是導致細胞衰老和死亡的主要機理。因此，細胞擁有完善的抗氧化防御系統來維持自由基水平，以確保細胞的正常生理活動。人們也通過使用各種抗氧化劑試圖延緩衰老，教師由此過渡到細胞衰老的基因水平調控機制。

細胞衰老原因3：基因水平的調控。

資料二：真核細胞的細胞周期分為分裂間期和分裂期，受多種因素的調控，分裂間期又分為G1、S、G2三個階段。圖4為某動物細胞周期的部分調節過程，CDK2-cyclinE能促進細胞從G1期進入S期。如果細胞中的DNA受損，會發生如圖4所示的調節過程。教師通過設置如下問題串引導學生分析p53蛋白和p21基因在此過程中的作用：DNA結構在正常狀態和損傷狀態下，其中的p21基因和p53蛋白分別發揮什么作用？ CDK2-cyclinE失活對細胞活動周期有何影響？

學生經討論分析可知，DNA結構在損傷狀態下，p21基因受到活化的p53蛋白的調控被激活表達，并與CDK2-cyclinE結合抑制其活性，從而阻止細胞進行分裂活動，導致細胞進入衰老或凋亡狀態。

教師延伸問題：如果p53基因或p21基因發生突變會導致什么后果？它們屬于原癌基因還是抑癌基因？

學生分析得出，p53基因和p21基因是抑癌基因，若它們發生突變，細胞周期的調控機制將失衡，導致細胞持續分裂，最終發生惡性轉化，即癌變。學生進一步分析可知，p53基因和p21基因通過促進DNA損傷的細胞衰老和凋亡阻止其繼續分裂，從而抑制細胞發生癌變。

設計意圖：通過機理圖示由淺入深地設置遞進式問題串，引導學生在分析問題和解決問題的過程中構建細胞衰老的概念，明確概念的內涵和外延，理解細胞衰老是促進個體正常發育的生理現象，是正常細胞必經的生理過程。這種遞進式的提問和分析，不僅幫助學生串聯所學知識，也培養了學生獲取信息和邏輯推理的能力。

2.2.3 細胞的死亡

細胞的死亡包括細胞凋亡和細胞壞死，其中細胞凋亡是細胞死亡的主要形式。學生根據此前的學習可以完整地描述細胞凋亡的概念，但是尚未完全理解其中 “由基因決定”的凋亡機制，因此教師提供生物科技前沿的研究進展作為拓展資料引導學生分析。

資料三：秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）從胚胎發育到成體的過程中共產生1090個體細胞，其中131個體細胞發生細胞凋亡并最終消失。研究人員利用一系列突變體發現了線蟲發育過程中控制細胞凋亡的關鍵因子。當 CED-3基因或CED-4基因發生突變后，原本應該凋亡的131個細胞得以存活；相反地，CED-9基因的突變導致所有細胞在胚胎期便死亡，無法發育為成蟲。

學生經分析可知，CED-3基因和CED-4基因是線蟲發育過程中控制細胞凋亡的關鍵基因，CED-9基因可以抑制細胞凋亡，這表明細胞凋亡是一種由基因調控的生物學過程，是一種正常的細胞生理活動，其意義是什么？教師繼續展示資料四。

資料四：①人在胚胎時期，通常會經歷有尾巴的階段，胚胎發育后期尾部細胞發生程序性死亡（細胞凋亡），最終尾巴消失。②蝌蚪尾部的消失也是通過細胞凋亡實現的。③在胎兒手部的發育過程中，五根手指最初相連在一起，后來隨著指間細胞的自然凋亡，手指逐漸分化發育為成熟的獨立結構。④在處于發育期間以及發育成熟的生物體中，會發生大量的細胞凋亡過程。在健康的成人體內，骨髓和腸道每小時約有10億個細胞發生凋亡。⑤人體的免疫機制通過細胞的自噬清除被病原體感染的細胞。

學生通過對上述材料的分析可知，細胞凋亡發生在個體發育的全過程，能夠有效幫助個體完成分化，同時可以幫助個體抵御外界各種因素的干擾，對于個體的發育有重要意義。

細胞死亡是否等同于細胞凋亡？教師進一步引出關于細胞壞死與細胞凋亡的區別。教師展示圖5，學生分析可知，細胞發生細胞膜破裂形成細胞碎片，屬于細胞壞死；

細胞凋亡是細胞器等被膜包裹形成凋亡小體，并沒有細胞碎片的形成，二者有明顯區別。

2.3 構建框架，升華主題

最后教師通過指導學生構建細胞生命歷程概念圖對本節內容進行總結，同時幫助學生建立系統的知識框架（見圖6）。

設計意圖：引導學生整合并深化“細胞的衰老和死亡”一節復習內容的知識體系，同時升華課程主題，促進培育學生的生物學學科核心素養，幫助學生建立正確的價值觀和生命觀念。

3 教學反思

本節復習課通過對實驗和圖片資料的深入分析，深化學生對細胞生命歷程的理解，利用實驗研究打通知識點之間的關聯，串聯細胞衰老、死亡與細胞分裂、癌變的關系。

在核心概念的構建上，本教學設計沒有遵循教材流于表面的描述，而是以實驗研究為基礎和依據，以細胞的生命歷程為主線，通過深入分析現象背后的原理得出概念，既保證了知識的連貫性，又沒有與教材安排的知識結構產生割裂。

在教學組織上，本教學設計打破了先復習知識再實施關聯反饋的常規模式，多次巧妙運用實驗資料和圖片進行分析，在信息獲取過程中重構概念，培養了學生的科學思維和信息獲取能力。

在重難點的突破上，本教學設計從現象層面出發，逐步深入本質機理，系統探討了細胞衰老與死亡的原因；最后，升華了生命歷程的主題，有助于促進學生價值觀和人生觀的形成，對學生生命觀念的建立具有積極意義。

參考文獻

［1］中華人民教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［2］丁明孝，王喜忠，張傳茂，等.細胞生物學（第5版）［M］.北京：高等教育出版社，2020．