基于主線化情境的“植物細胞工程”專題復習

張 蕓

（南京航空航天大學蘇州附屬中學 江蘇蘇州 215121）

1 教材分析及設(shè)計思路

“植物細胞工程”是人教版2019年版高中生物學教材《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》模塊第二章的內(nèi)容，包括植物細胞工程的基本技術(shù)和植物細胞工程的應用兩節(jié)內(nèi)容。在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中，本節(jié)課的內(nèi)容隸屬于選擇性必修課程模塊3“生物技術(shù)與工程”中的大概念4，即“細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產(chǎn)品”。通過新授課的學習，學生對植物組織培養(yǎng)及其應用、植物體細胞雜交的相關(guān)知識有一定的了解，但由于本專題內(nèi)容實踐性比較強，知識也比較零散，簡單地介紹教材的相關(guān)知識，容易導致學生失去對該部分內(nèi)容學習的興趣，也不利于學生知識體系的建構(gòu)和核心素養(yǎng)的發(fā)展。

《課程標準》明確指出生物學學科核心素養(yǎng)是學生在解決真實問題情境中的實際問題時所表現(xiàn)出來的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。可見，核心素養(yǎng)的發(fā)展離不開情境的支撐。為了更好地幫助學生構(gòu)建知識體系，發(fā)展核心素養(yǎng)，筆者在教學時嘗試創(chuàng)設(shè)貫穿整節(jié)課的主線化情境，通過問題驅(qū)動、合作探究等方法，在增強課堂教學連貫性的同時，引導學生在解決問題的過程中逐步建構(gòu)知識體系，培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

2 教學目標

①能運用結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念，概述植物組織培養(yǎng)和植物體細胞雜交技術(shù)的原理和過程。

②能基于事實和證據(jù)，采用歸納與概括等方法，說明植物細胞工程利用快速繁殖、脫毒、次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)、育種等方式有效提高了生產(chǎn)效率。

③認同植物細胞工程的發(fā)展對社會、經(jīng)濟的發(fā)展以及環(huán)境保護都具有重要意義，增強社會責任感。

3 教學過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導入新課

教師播放被譽為“百草之王”的天山雪蓮的有關(guān)視頻：天山雪蓮是新疆特有的名貴中草藥，具有抗炎鎮(zhèn)痛、抗癌、降血壓、清除自由基等作用，但因其生存環(huán)境特異，生長緩慢，加上長期以來的掠奪性采挖，野生天山雪蓮瀕臨滅絕。并提出問題：利用什么技術(shù)可以快速獲得大量的天山雪蓮？能否畫出該技術(shù)的主要過程圖？

設(shè)計意圖：教師選擇天山雪蓮這一充滿神秘色彩的植物創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學生的學習興趣和探究欲，并促進學生聯(lián)系所學知識，為復習課的學習做好鋪墊。

3.2 承接情境，探究植物組織培養(yǎng)的過程和條件

在導入情境下，教師提供資料：科研人員利用天山雪蓮的葉肉細胞進行植物組織培養(yǎng)技術(shù)獲得了大量的優(yōu)質(zhì)組培苗，并展示該技術(shù)的主要過程圖（圖1）及所用的MS培養(yǎng)基。教師設(shè)置問題串：（1）該技術(shù)的原理是什么？涉及的細胞分裂方式是什么？（2）植物細胞表現(xiàn)出全能性的條件有哪些？（3）MS培養(yǎng)基中添加蔗糖的目的是什么？培養(yǎng)基采用什么方法滅菌？滅菌時應先滅菌后分裝還是先分裝后滅菌？（4）對外植體進行消毒還是滅菌？植物組織培養(yǎng)要求無菌操作的目的是什么？（5）過程①②③分別是什么？誘導脫分化和再分化時對光照的要求如何？（6）如何調(diào)節(jié)生長素和細胞分裂素的比值以誘導愈傷組織、芽或根的形成？

圖1 植物組織培養(yǎng)過程示意圖

設(shè)計意圖：植物細胞工程的基礎(chǔ)是植物組織培養(yǎng)，本專題復習以植物組織培養(yǎng)的過程入手，教師可將該技術(shù)的主要過程寫在黑板上“外植體→愈傷組織→生芽→生根→植株”，以此為主線，將后續(xù)植物組織培養(yǎng)的應用和植物體細胞雜交技術(shù)的內(nèi)容融入這條主線中。這樣處理不僅能持續(xù)調(diào)動學生的積極性和探究欲，還能幫助學生建構(gòu)完整的知識體系。

3.3 分解情境，探究植物組織培養(yǎng)的應用

教師分解情境，根據(jù)每個子情境，設(shè)置問題。

子情境1：天山雪蓮可以用種子繁殖。但種子成熟時，新疆天山已開始下雪，采集種子比較困難，且雪蓮種子的萌發(fā)率低，生長緩慢。如何解決這一困境？人工種子的組成部分有哪些？為什么要選擇透氣的種皮？人工種子與傳統(tǒng)種子相比有哪些優(yōu)點？

子情境2：研究發(fā)現(xiàn)天山雪蓮中具有藥理活性的主要是一些黃酮類物質(zhì)。為了獲得大量的黃酮類物質(zhì)，常利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)將天山雪蓮細胞培育到愈傷組織階段，再用液體培養(yǎng)基對其進行懸浮培養(yǎng)，然后從培養(yǎng)液中提取黃酮類物質(zhì)，以實現(xiàn)黃酮類物質(zhì)的工業(yè)化生產(chǎn)。為什么培育到愈傷組織階段？培養(yǎng)過程中要不斷通入無菌空氣并攬拌，原因有哪些？植物細胞培養(yǎng)與植物組織培養(yǎng)有何關(guān)系？

子情境3：采用天山雪蓮的花粉粒經(jīng)植物組織培養(yǎng)技術(shù)也可獲得幼苗。該幼苗與由葉肉細胞培育成的幼苗基因型是否相同？該幼苗為幾倍體？如何獲得可育的二倍體？

子情境4：長期通過無性繁殖的雪蓮，體內(nèi)積累大量病毒，使得產(chǎn)量減少，造成很大的經(jīng)濟損失。病毒多集中在種子、老葉等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的組織中較少，在莖尖、根尖等分生區(qū)幾乎不含病毒。如何獲得脫毒雪蓮苗？脫毒苗是否具有抗病毒能力？

子情境5：研究發(fā)現(xiàn)可以利用射線處理雪蓮的愈傷組織，以獲得具有某種抗病性狀的雪蓮突變體。為什么處理愈傷組織？射線處理后使其發(fā)生了何種變異？

設(shè)計意圖：植物組織培養(yǎng)的應用這部分知識比較零散，學生不太理解這些應用與植物組織培養(yǎng)技術(shù)的關(guān)系，不清楚每種應用該培養(yǎng)到什么階段。因此，筆者將導入情境分解為多個小情境，逐點融通主線化情境與每個知識點的內(nèi)在聯(lián)系，引導學生在問題驅(qū)動中有目的地學習，逐步建構(gòu)知識體系，提升核心素養(yǎng)。

3.4 轉(zhuǎn)接情境，探究植物體細胞雜交的原理和過程

教師設(shè)置情境：科研人員分離了天山雪蓮（2n=32）和萵苣（2n=18）的原生質(zhì)體并將其融合，為天山雪蓮新種質(zhì)選育奠定了基礎(chǔ)（圖2）。并設(shè)置問題串：（1）過程①所用的酶有哪些？該過程常加入適宜濃度的甘露醇以保持一定的滲透壓，作用是什么？（2）過程②所用的方法有哪些？（3）融合后是否需要篩選？為什么？如何篩選？（4）過程③密切相關(guān)的細胞器是什么？（5）過程②的原理是什么？由雜種細胞d培育成新植株體現(xiàn)了什么原理？（6）新植株的染色體數(shù)是多少？幾倍體？是否可育？（7）該技術(shù)與雜交育種有何區(qū)別？該技術(shù)有什么意義？

圖2 植物體細胞雜交過程示意圖

設(shè)計意圖：植物組織培養(yǎng)是植物體細胞雜交的前提，在學生探究完植物組織培養(yǎng)的原理、過程、條件、應用等相關(guān)知識后，為了讓課堂在一條情境主線的常規(guī)化探究中，更有新意，使學生的思維更加深入，筆者轉(zhuǎn)變探究的方向，用情境將學生拉入一個新的但又緊密相關(guān)的探究視野。新情境的引領(lǐng)避免了活動和探究疲勞，會提高學生學習的積極性。同時，教師在新情境下設(shè)置問題串，驅(qū)動學生自主歸納和總結(jié)，以增強學生的科學思維素養(yǎng)。

3.5 串聯(lián)情境，建構(gòu)知識框架

探究完成后，教師引導學生將分解的小情境串聯(lián)起來，建構(gòu)本專題的知識框架（圖3），以作最后的總結(jié)和深化。課后，教師收集和評選最優(yōu)秀的作品，供其他學生學習和交流。

圖3 植物細胞工程知識框架

設(shè)計意圖：主線化情境的核心內(nèi)涵在于它是結(jié)構(gòu)化知識建構(gòu)的重要途徑。教師通過構(gòu)建知識框架，不僅能幫助學生厘清知識之間的邏輯關(guān)系，更能培養(yǎng)學生歸納、概括、建模等科學思維能力和良好的學習習慣。

4 教學反思

馬赫穆托夫的“問題教學”理論認為：教師在課堂教學中有意識地創(chuàng)設(shè)問題情境，能夠讓學生主動地思考探索，發(fā)現(xiàn)、提出并解決問題，提升學生的邏輯思維。主線化情境是以某一情境貫穿整節(jié)課，通過這條主線創(chuàng)設(shè)多個教學情境，引導學生用知識來探究生物學現(xiàn)象的成因，是實現(xiàn)課堂意義建構(gòu)的一種整體式教學方式。本節(jié)課通過創(chuàng)設(shè)“天山雪蓮的植物組織培養(yǎng)”這一主線化情境，將植物組織培養(yǎng)的原理、過程、條件、應用及植物體細胞雜交等相關(guān)知識整合融入，明顯提升了教學效果，既發(fā)展了學生的知識和能力，也培養(yǎng)了學生的生物學學科核心素養(yǎng)。