巧設(shè)科學(xué)史情境，重走科技探索之路
——以“細(xì)胞工程的發(fā)展歷程”一節(jié)為例

（福建省莆田第二中學(xué) 福建莆田 351131）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，有效的教學(xué)情境能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，并點燃學(xué)習(xí)熱情，使其形成良好的求知心理，從而主動參與對所學(xué)知識的探索發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識過程。生物科學(xué)史蘊含著科學(xué)本質(zhì)觀、科學(xué)研究方法、科學(xué)探究精神，體現(xiàn)科學(xué)研究態(tài)度，是教師設(shè)計有效教學(xué)情境生動的良好素材，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)必備知識、培養(yǎng)關(guān)鍵能力。現(xiàn)以人教版新教材《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第二章“細(xì)胞工程”的“科技探索之路——細(xì)胞工程的發(fā)展歷程”為例，設(shè)計“科技探索之路”科學(xué)史情境的教學(xué)，以供參考。

1 以學(xué)定教，確定教學(xué)主線

高二學(xué)生已掌握細(xì)胞學(xué)說內(nèi)容、細(xì)胞全能性概念，了解多利羊的克隆過程；具備一定的自主探究與合作學(xué)習(xí)的能力，以及發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計實驗的能力。本節(jié)教材分別用一句話倒敘介紹動、植物細(xì)胞工程發(fā)展歷程中的關(guān)鍵科學(xué)家及技術(shù)或成果，如“1902年，哈伯蘭特（G.哈伯蘭德，1854—1945）提出了細(xì)胞全能性的理論，但相關(guān)的實驗嘗試沒有成功”，然后再展開介紹。因此，筆者將教學(xué)主線確定為“植物組織培養(yǎng)技術(shù)→植物細(xì)胞工程，體細(xì)胞動物克隆技術(shù)→動物細(xì)胞工程”。教學(xué)重難點為：分析植物組織培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展過程史料，追溯“細(xì)胞全能性”概念的發(fā)生；分析多利羊的克隆過程圖；舉例說明細(xì)胞工程的應(yīng)用及前景。

2 設(shè)計思路，明確教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)思路：依據(jù)教學(xué)主線，對教材尤其是植物組織培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行史料補充和深度加工。教學(xué)通過文字、圖表資料等展示相關(guān)情境或情境活動，以問題化的形式或者開放式的任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識和相關(guān)能力去解決問題，使學(xué)生體會科學(xué)結(jié)論的發(fā)展性和可修正性，體味科學(xué)本質(zhì)，學(xué)習(xí)科學(xué)家精神，培養(yǎng)科學(xué)探究能力以及科學(xué)態(tài)度價值觀，最終實現(xiàn)核心價值的引領(lǐng)作用。

教學(xué)目標(biāo)：①分析科學(xué)史資料，追溯“細(xì)胞全能性”概念的發(fā)生，嘗試提出植物組織培養(yǎng)所需的適宜條件，樹立生命觀念。②分析多利羊的克隆過程圖，認(rèn)識細(xì)胞分化程度和全能性大小的關(guān)系，理解體細(xì)胞克隆技術(shù)的實現(xiàn)需要其他動物細(xì)胞工程技術(shù)的支撐，發(fā)展生命觀念和科學(xué)思維。③體會得出實驗結(jié)論的方法，訓(xùn)練科學(xué)思維和實驗探究能力。④能夠理性運用細(xì)胞工程的相關(guān)原理和技術(shù)就相關(guān)問題發(fā)表觀點，培養(yǎng)社會責(zé)任。

3 在情境中學(xué)習(xí)，促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展

3.1 追根溯源，體驗植物組織培養(yǎng)技術(shù)探索歷程

教師就教材中哈伯蘭德提出細(xì)胞全能性理論的過程進(jìn)行史料補充：1902年，他首次進(jìn)行高等植物的細(xì)胞培養(yǎng)實驗。雖然未能發(fā)生細(xì)胞分裂和增殖，但是他仍提出設(shè)想——高等植物的器官和組織可以不斷地分割，直至單個細(xì)胞；植物體細(xì)胞在適宜的條件下，有發(fā)育成完整植株的潛力。同年他發(fā)表了著名論文《植物細(xì)胞離體培養(yǎng)實驗》，提出植物細(xì)胞全能性是植物組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①哈伯蘭德提出植物細(xì)胞全能性設(shè)想的理論基礎(chǔ)是什么？②哈伯蘭德的實驗并沒有獲得再生植株。關(guān)于植物細(xì)胞的全能性也只是設(shè)想，他將實驗結(jié)果和設(shè)想以論文形式發(fā)表。這么做有何意義？③假如你是一名科學(xué)家，要設(shè)計實驗來驗證植物細(xì)胞的全能性。你可以從哈伯蘭德的設(shè)想中得到什么啟發(fā)？④如果讓你設(shè)計適宜的條件，你會考慮哪些因素，并說明原因。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生追溯植物組織培養(yǎng)技術(shù)以及“細(xì)胞全能性”概念的發(fā)生過程，促進(jìn)學(xué)生理解：一項科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是需要科學(xué)家具有敏銳的洞察力、創(chuàng)新嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，以及不懈的探索精神；哪怕是一種設(shè)想，也能為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展指引方向；設(shè)想需要通過實驗證明。同時，引導(dǎo)學(xué)生從哈伯蘭德的設(shè)想中獲得啟發(fā)，像當(dāng)時的科學(xué)家一樣去分析、推理、綜合，探索“適宜的條件”，在科學(xué)思維中體現(xiàn)“擔(dān)當(dāng)與能力”。

教師介紹科學(xué)家用56年的時間探索“適宜的條件”，并展示部分科學(xué)家的研究資料（表1）。

表1 研究植物組織培養(yǎng)條件的部分實驗

教師提出問題：①每一位科學(xué)家的研究和前人的有何不同？②我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了植物激素，除了IAA外，還需要往培養(yǎng)基中加入哪些激素？

設(shè)計意圖：教師利用問題①，讓學(xué)生通過分析、對比，體驗實驗材料和培養(yǎng)條件的不同，可能會影響實驗結(jié)果；利用問題②，讓學(xué)生能應(yīng)用植物激素知識，進(jìn)一步思考如何在此基礎(chǔ)上完善“培養(yǎng)條件”。教師接著介紹：20世紀(jì)40～50年代，科學(xué)家對培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基成分進(jìn)行了廣泛研究。由于細(xì)胞分裂素的發(fā)現(xiàn)，人們從而建立起離體培養(yǎng)器官分化激素配比模式：即細(xì)胞分裂素／生長素的比例是控制芽和根形成的主要因素之一。接著，教師展示Steward等人的研究成果（表2）。

表2 研究植物組織培養(yǎng)材料的部分實驗

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、對比表格資料，與之前的科學(xué)家進(jìn)行相比，從而發(fā)現(xiàn)這兩位科學(xué)家采用的是單細(xì)胞并且都能發(fā)育成植株，為細(xì)胞全能性理論提供強有力的支撐。至此，學(xué)生根據(jù)以上生物學(xué)事實和證據(jù)形成“細(xì)胞全能性”的概念。在學(xué)生厘清植物組織培養(yǎng)的原理、材料、條件的基礎(chǔ)上，教師介紹植物細(xì)胞工程的其他技術(shù)。

3.2 類比遷移，學(xué)習(xí)新知

經(jīng)過植物組織培養(yǎng)技術(shù)的探索，學(xué)生會產(chǎn)生疑問：一個植物細(xì)胞在適宜的條件下，能發(fā)育成完整的個體；那么，一個動物細(xì)胞在適宜的條件下，是否也能發(fā)育成完整的個體？教師順勢展示多利羊的克隆過程（圖1），提出問題：①多利羊是否由一個動物細(xì)胞直接培養(yǎng)獲得？請闡述判斷依據(jù)。②動物細(xì)胞是否具有全能性？為什么？③要實現(xiàn)體細(xì)胞動物克隆，需要先解決哪些技術(shù)問題？④你認(rèn)為克隆過程的核心步驟是什么？為什么？

設(shè)計意圖：問題①、②可以促進(jìn)學(xué)生理解動物由于分化程度高，其細(xì)胞全能性小，所以并不能直接由體細(xì)胞發(fā)育成個體，從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。問題③、④可以使學(xué)生理解實現(xiàn)動物克隆需要多項動物細(xì)胞工程技術(shù)的支撐，這些技術(shù)運用了結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等，使得改造生命體合乎規(guī)律。

教師展示前人科學(xué)家為動物細(xì)胞工程所做的貢獻(xiàn)（表3），介紹克隆羊之父Ian Wilmut正是“站在巨人的肩膀上”實現(xiàn)了利用體細(xì)胞核移植技術(shù)得到克隆動物；但是在10年之后，他卻在法庭上承認(rèn)自己并不是真正的克隆羊之父，真正的克隆羊之父是承擔(dān)了66%研究成果的Keith Campbell。

表3 動物細(xì)胞工程的部分研究成果

設(shè)計意圖：由克隆動物引申出其他技術(shù)，完善動物細(xì)胞工程體系。教師發(fā)揮核心價值的引領(lǐng)作用，引導(dǎo)學(xué)生不僅要以科學(xué)家為學(xué)習(xí)榜樣，擔(dān)負(fù)責(zé)任和使命，勇于思考和創(chuàng)新，更要做到學(xué)術(shù)有道，遵規(guī)而行。

最后，教師展示其他體細(xì)胞克隆動物，尤其是我國科學(xué)家培育的克隆猴“中中”和“華華”，以此增強學(xué)生的民族自豪感和責(zé)任感，激發(fā)其學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)動力，為實現(xiàn)科技興國而努力。

3.3 關(guān)注實踐，理性運用細(xì)胞工程技術(shù)

經(jīng)過課前對本章的預(yù)習(xí)以及本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備了一定的知識和能力。教師組織面向解決的活動——讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演：假如他們是想要與細(xì)胞工程研究中心尋求合作的公司，經(jīng)過前期的調(diào)查了解，請各公司代表闡述想進(jìn)行哪些技術(shù)合作，應(yīng)用于哪些方面？

設(shè)計意圖：教師注重引導(dǎo)學(xué)生將細(xì)胞工程技術(shù)理性地運用于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類健康、人文關(guān)懷等問題，為人類造福，從而讓學(xué)生體會技術(shù)可以將科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為工藝和產(chǎn)品，而科學(xué)、技術(shù)、社會的良性有效互動，可以不斷地調(diào)整著人類與自然界的關(guān)系，推動文明的發(fā)展。

4 反思

本節(jié)“科技探索之路”在有效史料的補充、支撐下，不再是單純的符號。學(xué)生置身在階梯式的科學(xué)史情境中，通過完成開放性任務(wù)逐步體驗植物組織培養(yǎng)技術(shù)的探索之路，追溯、獲得和理解“細(xì)胞全能性”的概念，實現(xiàn)知其然、知其所以然，從一般認(rèn)識形成生命觀念。

學(xué)生拾級而上，以點帶面，由植物組織培養(yǎng)技術(shù)到植物細(xì)胞工程，由體細(xì)胞動物克隆技術(shù)到動物細(xì)胞工程，完成細(xì)胞工程整體框架的構(gòu)建。教師科學(xué)、合理地加工科學(xué)史，創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)情境，使學(xué)生的學(xué)習(xí)仿佛發(fā)生在“科學(xué)家當(dāng)時的現(xiàn)實情況”中，促使他們像科學(xué)家那樣去學(xué)習(xí)、思考、探索、解決問題，對他們將來的學(xué)習(xí)或工作起到了指導(dǎo)作用，從而培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。