“細胞核的結構”教學設計與實施

楊彩云 沈 璟

（對外經濟貿易大學附屬中學 北京 100102）

新課程標準高度關注教學過程中學生的實踐經歷，強調學生基于生物學事實和證據運用科學的思維方法解釋生命現象、揭示生命本質，最終深入理解相關生物學概念［1］。本節課以此為指導，提供豐富的史實資料，讓學生在此基礎上運用推理與演繹等方法，解釋和解決相關問題。 同時運用模型構建的方法，為學生創設動手活動契機，從而促進學生對相關概念的深入理解。 與傳統教學直接給出細胞核的結構相比，本節課既引導了學生主動參與教學過程，又訓練了學生的科學思維，最后通過結構與功能的比較，落實結構與功能相適應的生命觀念。

1 學習內容分析

“細胞核——系統的控制中心”是人教版必修1 第3 章第3 節的內容， 共2 課時，“細胞核的結構”是第2 課時。 本節內容屬于新課程標準“模塊1 分子與細胞” 內容要求中，“概念1 細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”的內容。新課程標準對本節內容要求如下：1.2.2 闡明細胞內具有多個相對獨立的結構， 擔負著物質運輸、 合成與分解、 能量轉換和信息傳遞等生命活動；1.2.3 闡明遺傳信息主要貯存在細胞核中。 學生之前已經學習了細胞膜的成分和功能， 以及細胞器的結構和功能，在學習了第1 課時細胞核的功能之后，通過這節的學習，對細胞的亞顯微結構有更全面、更系統的認識。 本節內容既是對初中階段細胞核知識的深化和繼承，又為后續學習細胞分裂、遺傳發育等知識打下基礎。 教材的設計也有利于學生進行探究性學習，讓學生在探究分析、交流討論中對細胞核的重要性及其結構與功能有深刻領會。 本節課的知識結構思維導圖如圖1。

2 學情分析

本節課的授課對象為高一年級學生。 認知能力方面，高一學生正處于初中向高中的過渡階段，通過初中的學習，已經具備了一定的提取信息、分析問題及解決問題的能力， 但科學思維仍然相對薄弱，尚不具有建模意識和能力，需要教師逐步引導。知識結構方面，學生在初中已經了解了細胞核是遺傳信息庫，在學習本節課之前，學生已知真核細胞和原核細胞的分類依據是 “是否有成形細胞核，細胞通過分裂產生新的細胞”。 但對于細胞核的結構學生沒有相關認識， 同時由于染色質與染色體的關系較為抽象，學生理解相對困難。

3 教學目標

1）通過對相關資料和電鏡圖片的分析，闡明細胞核膜的結構。

2）通過對染色質資料的分析討論，說明染色質的組成成分和結構， 闡明染色質與染色體的關系，并構建染色質的物理模型。

3）通過對電鏡照片和熒光定位資料的分析，能說出核仁的存在，了解探究生命的生物學方法。

4）通過小組合作構建細胞核結構模型，并組裝真核細胞的三維模型， 認同細胞是一個統一的整體，各部分結構與功能緊密聯系、相互配合。

5）通過本節課學習，體會科學家通過合作、分享及堅持不懈的努力揭示生命奧秘的精神。

4 教學重、難點

1）重點：闡明細胞核的結構；闡明染色質組成及其與染色體之間的關系。

2）難點：從微觀角度認識細胞核結構與功能，樹立結構與功能相適應的觀點。

5 教學過程設計

本節課中DNA、染色質、染色體之間的關系是學生學習的障礙點，具體解決策略是學生通過小組討論的方式分析資料和電鏡圖片，制作物理模型闡明染色質與染色體的變化過程，后期通過觀看視頻提升認知。本節中細胞核結構與功能相適應是學習難點， 具體解決策略是學生通過分析細胞核的結構， 與第1 課時學習的細胞核的功能進行聯系，認同結構與功能相適應的觀點（圖2）。

本節課根據學生的認知規律設計由外向內的教學順序，即由核膜核孔到染色質再到核仁，最后總結細胞核的結構，并結合細胞核的功能，最終得到細胞核結構決定細胞核的功能、 結構與功能相適應的觀點。 針對核膜、核孔、染色質、核仁的每一部分，教師設計了4 個環節進行突破，第1 個環節是資料分析，讓學生從易處著手，通過小組討論的方式， 學會提取關鍵信息， 提出科學合理的假設。在此基礎上進入第2 個環節，出示電鏡照片對假設進行驗證， 學生從中學會觀察真實的電鏡圖片，體會科學研究的過程。第3 個環節是以小組為單位進行細胞核、染色體物理模型的構建，在培養學生動手能力的同時強化學生的認知。 最后小組間進行互評，并總結細胞核的結構，認同細胞是一個統一的整體（圖3）。

6 教學實施及方法

6.1 導入新課 良好的導入是教學活動取得成功的第1 步。 教師利用學生已有的知識和經驗，運用有效的導入，既將抽象的概念形象化，便于學生理解，又將學生帶入相應的情境中，從而提高教學效果。 本節課中，教師引導學生將細胞想象成一個不斷發生物質和能量變化的繁忙的工廠， 將細胞器想象成忙碌不停的“車間”，“車間”彼此之間互不干擾，并思考“為什么在細胞這個工廠里能進行如此復雜的化學反應？ 是什么控制細胞內化學反應的有序進行？ ”

學生根據上節課所學，回答“是細胞核在控制著細胞內化學反應的有序進行”。教師進一步引導學生思考“細胞核為什么具有這樣的功能”，從而引出本節課的內容：細胞核的結構。

6.2 閱讀資料，推測細胞核膜的結構，電鏡分析，證實細胞核膜的結構 首先，教師出示2 個資料。

資料1 ：經化學分析，組成細胞核的分子主要包括磷脂、蛋白質和DNA，此外還包括少量RNA和固醇。

資料2：在真核細胞中，DNA 主要貯存于細胞核中的染色體上， 而蛋白質的合成場所存在于細胞質中的核糖體上， 諾貝爾獲獎者托馬斯·R·切赫經過多年研究發現， 信使RNA 能將DNA 上控制蛋白質合成的遺傳信息傳遞給核糖體。 但由于分子較大， 無論DNA 還是RNA 均無法穿過人工合成的磷脂雙分子層。

任務1：根據資料，回答以下問題：

1）請結合資料1，回憶原核細胞和真核細胞的分類依據，說出細胞核的可能結構。

2）結合資料2 想一想，細胞核中的遺傳信息是如何傳遞給核糖體的？ 推測核膜上可能具備什么結構能完成核質間遺傳信息的傳遞？

學生分組討論， 根據資料以及所學知識推測細胞核具有核膜， 根據邏輯推理得出核膜上應該有孔以方便核質間遺傳信息的傳遞。

其次，教師出示科學家拍攝到的電鏡圖片（圖5）。

任務2：引導學生觀察并簡述細胞核膜的結構。

針對任務2，學生學會觀察電鏡圖片，從電鏡圖中發現細胞核具有雙層膜， 并進一步指出核孔的存在，驗證了之前的推測。

6.3 根據資料， 分析染色質的組成及其與染色體關系 教師出示細胞核內部的電鏡圖片，提問“剛剛從外部觀察了細胞核的結構，現在走進細胞核內部，能看到什么？ ”學生發現細胞核內部有陰影。 教師介紹染色質：1879年W. Flemming 將細胞核中能被堿性染料強烈著色的物質命名為染色質。

資料3：科學家通過分離胸腺細胞的核，離心收集染色質進行生化分析， 確定染色質的主要成分是DNA 和蛋白質。

資料4：1879年德國生物學家弗萊明（W.Flemming）把細胞核中的絲狀和粒狀的物質，用染料染紅， 觀察發現這些物質平時散漫地分布在細胞核中，當細胞分裂時，散漫的染色物體便濃縮，形成一定數目和一定形狀的條狀物， 到分裂完成時，條狀物又疏松為散漫狀。

任務3：根據資料，回答以下問題：

1）染色質的組成是什么？

2）染色質與染色體可能是什么關系？

針對任務3，學生分組討論，根據資料發現染色質由DNA 和蛋白質組成，并分析得出染色質與染色體是同一物質在細胞不同時期的2 種狀態。教師出示洋蔥根尖細胞不同時期的電鏡圖片，能清晰觀察到不同細胞內有的是散漫的染色質，有的是條狀的染色體，進一步驗證前面的推測。

6.4 構建染色質的物理模型

教師提供資料： 研究表明， 每個人身體中的DNA 連接起來，其長度是地球到太陽往返距離的300 倍。其中每個細胞內DNA 分子長約2 m，而細胞核的平均直徑約7 μm。提問“如此長的DNA 分子是怎樣‘蝸居’在細胞核中？由DNA 到染色質是怎樣的一個過程？ ”學生能回答DNA 分子需要折疊才能“蝸居”在細胞核中，教師出示電鏡下核小體的圖片（圖6），學生根據電鏡圖片嘗試利用毛根作為DNA、瓶蓋作為蛋白質制作染色質的三維結構模型。

各小組展示成果，其他學生對模型進行評價，鍛煉學生的表達能力， 最后教師通過視頻， 總結DNA 到染色質的過程，進一步強化學生對染色質的理解。

6.5 觀察免疫熒光電鏡圖片，了解核仁 教師出示核仁的透射電鏡圖片及免疫熒光電鏡圖片，并向學生介紹免疫熒光電鏡技術， 讓學生了解探究生命的生物學方法，學生通過仔細觀察圖片，發現核仁并不只有1 個且形態大小不一， 提高了學生提取圖片信息的能力（圖7）。

6.6 總結提升：細胞核模型的構建 在之前的學習中，學生已經制作了細胞膜、細胞器模型，本節課中學生進一步利用橡皮泥完成細胞核結構模型的制作，最后組裝成真核細胞模型（圖8），并展示優秀作品。

教師在解析細胞核的各部分時， 利用板書繪制細胞核的相應結構示意圖（圖9），最后形成一個完整的細胞核，學生結合細胞核各部分的功能，得出結構與功能相適應的觀點。

6.7 課后作業 根據本節課所學內容，結合細胞膜、細胞器的相關知識，繪制細胞的知識網絡圖。

7 教學反思

在當今信息爆炸的時代， 如何在大量的信息中找出有用的信息變得極為重要。 為培養學生獲取信息以及分析信息的能力， 本節課提供了大量的生物學客觀事實及生物學家研究背景作為分析素材。 素材與素材之間層層遞進，密切相關，既保持了思維的連續性， 又為學生理解相關概念創造了條件，改變了學生被動記憶的學習模式。學生在教師的引導下， 主動探究并歸納出相關的生物學知識。 在后續環節中，教師設計動手環節，化抽象為具體，進一步鞏固相關概念，加深對染色質、細胞核的理解。

本節課的教學創新之處在于：

1）本節課提供豐富的科學資料，引導學生通過分析資料提出假設，推測細胞核的結構。之后通過科學家觀察到的真實電鏡圖片驗證猜想， 環環相扣，思維縝密，符合科學探究的過程。 與傳統的直接展示細胞核結構的教授方法相比， 本節課通過小組間的合作與交流， 學生以科學家的視角觀察和分析問題，體會科學家通過合作、分享科研成果及堅持不懈地努力揭示生命的奧秘， 從而主動生成細胞核結構的概念，體現了學生的主體地位，培養了學生的理性思維、科學探究，以及合作交流的能力，有利于學生學科素養的提升。

2）本節課利用毛根作為DNA、瓶蓋作為蛋白質讓學生動手制作染色質的三維結構模型， 實現了由抽象到具體的轉變，學生通過模型的制作，直觀感受2 m 長的DNA 分子與組蛋白纏繞折疊最終縮短變粗形成染色體的過程。 之后通過小組互評的方式，提高學生口頭表達能力，同時通過視頻的演示， 幫助學生進一步鞏固染色質與染色體的關系。

3）本節課引入大量真實的電鏡圖片，學生觀察圖片并描述， 從而提高從圖片中獲取信息的能力。引入熒光免疫電鏡圖片的同時，教師向學生介紹生物學中的熒光免疫電鏡技術， 使學生理解技術的進步促進科學的發展。

4）最后細胞核模型的構建使細胞核結構清晰地展現在學生面前， 學生在愉快的動手過程中學習并鞏固了細胞核的結構， 在組裝真核細胞的三維模型及課后作業中， 認同細胞是一個統一的整體，各部分結構與功能緊密聯系、相互配合。

本文內容相對較多，在課堂教學過程中可根據實際情況有所選擇和側重。 例如，有的學生空間想象能力相對較弱， 理解熒光免疫電鏡圖片相對困難， 教師授課過程中可對此部分進行適當刪減；又如，由于課堂時間有限，細胞核模型的構建可作為作業讓學生課后認真完成。