設置基于實驗事實的進階問題，提升學生生物學學科核心素養

陳海波

摘要：以一節公開課“動物細胞培養和核移植技術（第一課時）”為例，評析教師如何在課堂教學中圍繞培養學生生物學核心素養，以便更好地達成相關學業要求。

關鍵詞：核心素養 動物細胞培養 學業要求

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

根據《普通高中生物課程標準（2017版）》，“生物技術與工程”模塊的教學要求學生結合生產和生活實際舉例說出生物工程及相關技術的基本原理，針對人類生產和生活的某一需求，嘗試提出初步的工程學構想，并就生活或社會熱點話題中與生物技術和工程有關的話題，基于證據運用生物學基本概念和原理，就生物技術與工程的安全與倫理問題表明自己的觀點并展開討論。“動物細胞培養和核移植技術（第一課時）”隸屬的大概念是“通過細胞水平的操作，獲得有用的生物體或其產品”，重要概念是“動物細胞工程包括細胞培養、核移植、細胞融合和干細胞的應用”，本節課的次位概念是“闡明動物細胞培養是從動物體獲得相關組織，分散成單個細胞后，在適宜的培養條件下讓細胞生長和增殖的過程。動物細胞培養是動物細胞工程的基礎。”

1課堂實錄

本節課開課教師授課過程大致如下：

引入：Nature雜志封面上關于戴一凡教授課題組利用基因敲除技術，在美國培育出基本不含“排斥基因”的第一代基因敲除豬——“萬能”豬（圖1）。2011年初，戴一凡教授將第二代基因敲除豬的幾十管細胞遠渡重洋，從美國“飄”到了南京。教師提出開放性問題：如果你是戴一凡團隊的一員，對于這些細胞，你要做哪些工作？

教學過程：①探索動物細胞培養的條件;②嘗試構建動物細胞培養流程圖;③完善動物細胞培養流程圖;④動物細胞培養技術的應用（“萬能”豬的培育）。

小結：以戴一凡團隊目前開展的工作為引，進行課堂小結。

延伸：布置課后拓展提升，提出“動物細胞培養技術的應用前景和現狀”“核移植技術的應用前景”“器官短缺問題的其他解決措施”“異體器官移植的其他進展和存在的困難”等課題，要求每個小組選擇一個課題，分工合作查閱資料，下節課進行匯報交流。

2課堂評析

2.1通過概念建構，形成生命觀念

本節課在備課時確定的核心思路為：讓學生結合動物細胞培養過程中呈現的各種數據和資料的分析，提出并完善動物細胞培養的工程學構想，以此主動建構“動物細胞培養”的概念。例如，教師展示培養瓶中細胞生長曲線圖（圖2），引導學生思考：在培養過程中若想獲得大量的培養細胞，該如何操作？

學生在理解此概念的基礎上形成結構與功能觀、物質與能量觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀等生命觀念;能夠用生命觀念解釋動物細胞培養技術的基本原理，形成科學的自然觀和世界觀，并以此指導探究生命活動規律，增強學生解決實際問題的能力。

2.2基于實驗事實的分析發展科學探究能力

本節課的課堂主體部分以動物細胞培養實驗事實為依據，教師展示培養過程中示意圖、實物圖、數據變化曲線圖等，引導學生進行觀察、描述并提出問題。學生通過小組合作與交流，以頭腦中已有的前概念為基礎進行思維判斷，嘗試作出解釋，促進對動物細胞培養這個概念的建立、理解和應用。例如，教師出示資料“有關研究表明，細胞必須與其他細胞或細胞外基質發生聯系才能生存，否則細胞就會凋亡”，引導學生分析細胞在培養瓶中的生長特點，再輔以細胞生長的實物圖（圖3），讓學生直觀感受細胞貼壁生長的特點。

實驗事實中蘊含豐富的科學思維、科學探究方法。教師引導學生分析實驗事實，幫助學生深入思考科學家的思維過程，領悟科學家是如何發現問題、合理假設、演繹推理和得出結論的，體驗科學家不斷深化對問題認識的過程。整個學習過程發展了學生的科學探究能力。

2.3以進階問題為驅動，發展科學思維能力

教學過程中，教師設置進階問題串，有利于學生將已有經驗和學習內容與新授知識進行有機是融合，有效地拉近新授知識與已有知識和經驗的距離，為學生提供知識的生長點。

課堂上，教師以“動物細胞培養的基本流程是怎樣的？”為核心問題，在每一階段的實驗事實和相關資料的呈現過程中，以學生已有知識和經驗為基礎，設置了系列問題。例如，體外培養哺乳動物細胞應該提供哪些條件呢？問題設置以學生已有的內環境知識為基礎，體外培養細胞就是要模擬細胞體內生存狀態，學生很容易聯系并回答。但是，“無菌、無毒”對學生來講有些陌生，于是教師提出進階問題：如何滿足細胞培養所需的無菌、無毒環境？再如，教師提供資料，并提出問題：研究發現動物組織細胞間隙含有彈性纖維蛋白、膠原纖維蛋白等物質，能將細胞網絡在一起形成具有一定彈性和韌性的組織或器官。成塊的組織中細胞與細胞靠在一起，彼此限制了細胞的生長和增殖。若使用組織或器官進行動物細胞培養，在培養前需對組織塊怎樣處理？可以采用哪種溫和的方法？為什么這樣操作？學生從資料中可以提取出“動物組織細胞間隙含有彈性纖維蛋白、膠原纖維蛋白等物質”這樣的有效信息，根據必修1酶發揮催化作用的特性和條件，順利解決這個問題。但細胞膜上也是有蛋白質的，于是有了進階問題：如何弱化蛋白酶對細胞的影響？若想獲得大量的培養細胞，該如何操作？貼壁的細胞怎么脫落呢？為什么要分瓶培養？材料常選用動物胚胎或幼齡動物的組織、器官，為什么？癌細胞體外培養時會發生接觸抑制現象嗎，為什么？這些進階問題的創設有效助推了學生的學習進程，使學生積極主動地投入到學習活動中去，發展學生的科學思維能力。

2.4關注社會熱點，增強社會責任感。

教學中，教師以戴一凡教授課題組利用基因敲除技術，在美國培育出基本不含“排斥基因”的第一代基因敲除豬“萬能”豬，用以解決現今社會熱點問題之一——器官移植為引入，充分激發學生學習興趣和探知欲望。教師提出問題：如何將第二代基因敲除豬的細胞培養成許多的“萬能”豬？從而對動物細胞培養技術的應用進行拓展，讓學生理解動物細胞培養是動物細胞工程的基礎。最后，學生查閱資料了解動物細胞培養技術的應用前景和現狀、核移植技術的應用前景、器官短缺問題的其他解決措施、異體器官移植的其他進展和存在的困難等，引導學生關注社會重要議題，提升學生開展生物學實踐活動的意愿和能力，理解生物科學技術對社會發展的作用，了解技術可能帶來的多方面影。整節課以“萬能豬”的研究和應用貫穿始終，切實增加學生的社會責任感。

3教學建議

當然，因課堂教學內容和時間的限制，就動物細胞培養技術及其應用的安全與倫理問題未充分開展討論，只能作為課后延伸探討。下節課，教師組織學生將查閱的資料和整理的信息形成小論文，進行交流，采用學生自評和互評、小組評和教師評相結合的方式，加深學生對動物細胞培養及其他動物細胞工程技術的理解，了解該領域最新研究進展及實際應用。

總之，整節課體現了以學生發展為中心的教學理念，提升了學生的生物學學科核心素養，為中學一線教師起到了引領與示范作用。