“植物激素的調節作用機制”高三復習課教學設計

溫 娟 王鵬飛 張震南 劉斯璐 遲向向

（北京師范大學第二附屬中學未來科技城學校 北京 102209）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中指出生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。其中，“科學探究”是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施及對結果的交流與討論的能力［1］。科學探究能力的培養，需要高中生物學教師在課堂教學中，著眼于學生的基本能力和基本素養的實際，通過創設問題情境、改進教學方法、拓展實驗教學、創新作業形式等方式，最大限度地提升學生科學探究能力［2］。在2018年的北京卷考試說明中，也明確指出要著重考查學生獲取新知識、處理不同形式信息及分析解決實際問題的能力。如何在復習課中提升學生的科學探究能力？

本節課“植物激素的調節作用機制——以赤霉素為例”，通過創設問題情境，引導學生通過設計實驗、分析實驗結果，及分析分子機制模型圖，自主探究植物激素的調節作用機制，以達到提升學生科學探究能力的目的。

1 教學分析

1.1 教材分析“植物激素的調節作用機制”是人教版必修3“穩態與環境”第3 章“植物的激素調節”中的內容。在高考中，此部分內容注重實驗設計、信息獲取、對實驗數據進行分析、作出推理和判斷等能力的考查，例如2010年、2012年和2014年北京卷的第29 題；同時，對植物激素作用機制圖的理解與分析也在高考中有所考查，例如2016年北京卷的第30 題。因此，在一輪復習時，除了要回顧核心知識外，還應注重能力訓練。

1.2 學情分析 學生通過對“生長素的發現過程”“生長素的生理作用”進行復習后，已經掌握了植物激素的基本知識，但對于植物激素調節生命活動的機理認識不夠深刻。在能力上，學生具備一定的材料、圖表分析能力，但實驗與探究能力、獲取信息能力仍需提升。

2 教學目標

1）知識目標：概述植物激素的概念；描述植物激素的作用機理及不同激素間的關系。

2）能力目標：通過分析問題情境，培養學生獲取信息的能力和實驗探究分析的能力；通過讀圖描述植物激素的作用機理，提高學生的表述能力和綜合運用能力。

3）情感、態度與價值觀目標：認同多種激素共同調節植物的生命活動；通過分析科學探究實例，認同植物激素是通過調節細胞代謝從而調節植物的生命活動。

3 教學重、難點

1）重點：植物激素的概念；通過分析問題情境和植物激素作用機制圖，理解植物激素的作用機制。

2）難點：在問題情境下，通過設計實驗、分析實驗結果及分析分子機制模型圖，自主探究植物激素的調節作用機制。

4 教學設計流程圖

本節課的教學設計流程圖如圖1所示。

圖1 教學設計流程圖

5 教學過程

5.1 回顧舊知，引入新課 通過3 個問題“植物激素是由誰產生的？產生部位就是作用部位嗎？植物激素有什么作用？”以此讓學生回顧植物激素的概念。植物激素是如何調節生命活動的？本節課以赤霉素為例，探究植物激素的生理作用及作用機理。

5.2 分析實驗，提出問題

展示：生物學興趣小組研究課題“赤霉素對小麥種子萌發的影響”的實驗結果。分別用不同濃度的赤霉素溶液處理相同數目、大小基本相同的小麥種子，處理2 d 后小麥種子的萌發情況如圖2。請學生觀察并描述實驗現象，并得出實驗結論。

圖2 “赤霉素對小麥種子萌發的影響”實驗結果

學生通過觀察結果可以發現：隨著赤霉素濃度的增加，小麥種子的萌發率和胚根的長度均有所增加，從而得出結論“赤霉素可以促進小麥種子的萌發”。通過對實驗結果的觀察，學生可以更直觀地體會到赤霉素的生理功能，并引出問題情境“為什么赤霉素可以促使種子萌發？”

5.3 依據資料，推斷分析

資料1：查閱種子萌發的相關資料。種子萌發過程中消耗貯藏物質，需要在一系列酶的催化作用下才能進行。種子萌發過程中淀粉的分解主要是在淀粉酶的催化下完成的。研究發現β-淀粉酶已經存在于干燥種子中，而α-淀粉酶不存在或很少存在于干燥種子中，需要在種子萌發時重新合成。

思考問題：通過資料分析，猜測赤霉素促進種子萌發原因。

學生依據資料，作出猜想：赤霉素誘導α-淀粉酶的合成。教師進一步追問：如何設計實驗證明？

學生進行小組討論。教師引導學生注意無關變量，要保證條件相同且適宜，同時注重科學表述。學生可表述出：實驗組的小麥種子用一定濃度的赤霉素溶液處理，而對照組的小麥種子用等量的蒸餾水處理。在α-淀粉酶的檢測方法上，大部分學生想到用處理后的種子的提取液處理淀粉溶液，再利用斐林試劑檢測淀粉是否水解，進而確定是否產生了α-淀粉酶。在討論中，部分學生提出質疑：上述方法只能證明產生了淀粉酶，并不能確定是α-淀粉酶。針對這一問題，學生進一步完善實驗：可以通過核酸分子雜交技術，檢測是否產生α-淀粉酶的mRNA，或者利用抗原抗體雜交技術檢測是否產生了α-淀粉酶。

資料2：Higgins 實驗［3］，檢測了赤霉素處理種子（10-6mol/L 赤霉素浸泡大麥種子8 h），與未處理種子（蒸餾水浸泡大麥種子8 h）中α-淀粉酶與α-淀粉酶mRNA 合成量，結果如圖3所示。

圖3 Higgins 實驗結果圖

思考問題：圖a、圖b 分別說明了什么？

圖a 驗證了“赤霉素可以促進α-淀粉酶合成”的猜想，圖b 進一步證明了赤霉素可以誘導α-淀粉酶基因的轉錄，進而促進α-淀粉酶的合成。

在上述環節中，學生依據查閱的資料作出假設并設計實驗，再通過分析實驗結果得出結論。同時，學生在教師的引導下，結合材料和實驗結果，自主完成科學探究的過程，鍛煉了學生獲取和整合信息、實驗設計、實驗結果分析和科學表述等能力。

5.4 分析材料，得出結論 教師根據上述結論，進一步提出問題：赤霉素如何誘導α-淀粉酶基因的轉錄？

資料3：MYB 蛋白是真核細胞中的一類轉錄因子，它們在結構上都有一段保守的氨基酸序列（DNA 結合結構域），能夠和特定的DNA 序列結合，啟動相關基因的轉錄。研究發現，α-淀粉酶基因的啟動子中的一段序列，與MYB 蛋白能特異結合的DNA 序列很相似，如圖4所示。

圖4 MYB 蛋白功能示意圖

思考問題：MYB 蛋白的功能是什么？是否能類比推測MYB 與α-淀粉酶基因有何關系？

學生類比推測：MYB 蛋白可以啟動α-淀粉酶基因的轉錄。

資料4：Gubler 用赤霉素處理種子后，每間隔一段時間，提取種子的mRNA，分別檢測MYB 的基因與α-淀粉酶基因的相對轉錄水平［4］，結果如圖5所示。

圖5 Gubler 實驗結果圖

思考問題：α-淀粉酶的mRNA 與MYB 的mRNA 之間有什么關系？

學生通過分析實驗結果，發現α-淀粉酶的mRNA 的產生是受MYB 的mRNA 影響的。進一步推斷：α-淀粉酶基因的轉錄受到MYB 蛋白的調控。

在上述環節中，學生通過資料3 的信息，類比MYB 蛋白調控的基因序列與α-淀粉酶基因序列，可推斷出MYB 蛋白可以啟動α-淀粉酶基因的轉錄，同時鍛煉了學生類比推理的科學思維。通過分析資料4，可證實α-淀粉酶的mRNA 的產生是受MYB 的mRNA 影響的，為上一推測提供了有力證據，從而推斷α-淀粉酶基因的轉錄受到MYB 蛋白的調控。在此過程中，學生的讀圖能力、邏輯思維能力得到訓練。5.5 模型分析，探明機制 回顧前2 個環節得到的結論，赤霉素可以誘導α-淀粉酶基因的轉錄，而α-淀粉酶基因的轉錄受到MYB 蛋白的調控。赤霉素、MYB 蛋白、α-淀粉酶三者有何關系？

資料5：赤霉素誘導產生α-淀粉酶的分子機制模型（圖6）。

圖6 赤霉素誘導α-淀粉酶合成的分子機制

思考問題：

1）GID1 的作用是什么？

2）①、②、③代表事件發生的先后順序，請分析DELLA 與MYB 基因的轉錄有何關系？

3）MYB 基因與α-淀粉酶基因轉錄之間有何關系？

4）用文字和箭頭表示赤霉素誘導α-淀粉酶的分子機制。

學生分組討論，逐一解答問題，一步步構建赤霉素誘導α-淀粉酶合成的分子機制，并用文字和箭頭表示為“GA+GID1→DELLA 降解→MYB→α-淀粉酶”。

教師補充講述：GA 與GID1 結合后引起GID1構象變化，DELLA 與GA-GID1 復合體結合后，其構象也發生變化。DELLA 結構域的構象變化誘導了GRAS 結構域的構象變化，進而引起DELLA 的降解（圖7）。

圖7 GA 與GID1、DELLA 結 合 過 程［6－7］

以赤霉素的作用機制為例，師生共同總結出植物激素的作用機制：植物激素通過與受體結合激活相關基因的表達，調節細胞的代謝，進而起到調節植物生命活動的作用。

5.6 拓展提升，整體認識

資料6：經研究發現，脫落酸（ABA）可以抑制MYB 基因的表達，同時可激活ABI5 基因的表達，而ABI5 蛋白可激活種子中脫落酸介導的基因轉錄，從而導致種子休眠。細胞分裂素（CK）可以激活ARRs 基因的表達,從而抑制ABI5 基因的轉錄水平，解除種子休眠，使種子進入萌發狀態［5］（圖8）。

圖8 植物激素ABA、GA、CK 調控種子萌發的相互關系

思考問題：3 種激素對于種子萌發分別有什么影響？3 種激素的作用關系如何？

師生共同總結：植物生長發育的各個階段都是多種激素共同調控的結果。

通過分析3 種激素在種子萌發過程中發揮的作用，使學生認同植物生長發育的各個階段都是多種激素共同調控的結果，訓練學生綜合分析文字、圖表等不同形式信息的能力。

6 教學反思

1）創設問題情境，培養探究意識。為了提升學生的科學探究能力，首先要激發學生的探究意識，調動其探究興趣，教師需創設貼切的、有層次的問題情境。在復習課中，問題情境最好是脫離教材的新情境，以培養學生解決實際問題的能力。問題情境的來源有很多，可基于生物學實驗現象創設問題情境，例如本節課根據生物學興趣小組的實驗結果，引出了“赤霉素如何促進種子的萌發?”這一問題；還可聯系前沿的科學研究實例創設問題情境，例如在復習動物細胞工程時，可聯系我國克隆猴的研究成果創設情境；問題情境亦可來自生活中的常見現象。

2）縝密邏輯思維，注重探究過程。任何科學結論的得出都需要依據大量的實驗證據，且各種證據之間存在嚴謹的邏輯關系。教師需要梳理出證據之間的邏輯關系，引導學生逐步進行探究，其中最好的方法就是設計層次分明的問題串。本節課以探究赤霉素作用的分子機理為主線，設計了層層遞進的問題：為什么赤霉素可以促使種子萌發？赤霉素為什么能誘導α-淀粉酶的合成？赤霉素如何誘導α-淀粉酶基因的轉錄？赤霉素誘導產生α-淀粉酶的分子機制是什么？從而引導學生從現象到機理、從宏觀到微觀進行探究。

3）改進教學方法，鼓勵自主探究。基于科學探究能力培養的課堂需要發揮學生的主動性和創造性，營造民主、開放的課堂氛圍可激發學生的思維。一方面，教師提出的思考問題應具有開放性，例如“如何設計實驗證明赤霉素能夠誘導α-淀粉酶的合成？”通過思考、討論，學生可提出不同實驗思路，并對其他學生的實驗思路提出質疑或建議，最終達成共識。另一方面，課堂教學組織形式應該是開放的，可通過小組合作探究、分組競賽等多種教學方式，給予學生充分思考和發表個人觀點的機會，真正實現由“教師教”到“學生學”的轉變。