基于逻辑和证据的“细胞的分化”教学设计

赵怡霞 乔秀芹 李晓伶

（1 北京市第四中学顺义分校 北京 101318 2 北京市顺义区教育研究和教师研修中心 北京 101300）

1 教学分析

《普通高中生物学课程标准（2017 版）》对“细胞分化”相关内容的要求是“2.3.2 说明在个体发育过程中细胞在形态、结构和功能方面发生特异性的分化，形成了复杂的多细胞生物体”和“1.3.1 说明有些生物体只有一个细胞，而有的由很多细胞构成，这些细胞形态和功能多样，但都具有相似的基本结构”［1］。人教版教材内容包括细胞分化的定义、意义、特点、原因，以及细胞的全能性、干细胞等知识。其中细胞分化是核心内容，细胞的全能性、干细胞都是细胞分化内容的拓展。结合课程标准要求和教材内容分析可知，细胞分化体现了细胞在严整的结构、有序的代谢的基础上所表现出的发展与变化，既是对细胞结构、功能、增殖等知识的拓展和延伸，也是学生后续学习遗传、变异的重要基础，对于学生认同结构与功能相适应的观点有着重要作用。

学生初中对细胞分化有了一定的认识，知道基因与遗传有关，能控制生物的性状。结合前几单元的学习，学生知道蛋白质是生命活动的主要承担者，能说明有丝分裂前、后，亲、子代细胞中的遗传物质相同，对结构和功能相适应的观点也有一定的认识。但对基因、DNA、蛋白质、性状之间的关系不清晰，利用已有知识分析推理、解决问题的能力有待发展，利用生物学观点分析问题的能力有待提高。

基于以上分析，如何创设真实情境、设计有效问题、关注学生实践？如何帮助学生形成有关细胞分化及相关内容间合理的知识体系？如何在学习过程中形成科学的观点、思路和方法？这是教师教学过程中应特别关注的问题。最终通过这些问题的解决，逐步提升学生生物学学科核心素养。

2 教学目标

1）结合实例分析，运用结构与功能相适应的观点，分析细胞分化的意义和原因。

2）基于逻辑和证据，进行分析和推理，概括总结细胞分化的原因，说明细胞的全能性。

3）观察胚胎发育过程，展开交流，并尝试提出问题。

4）利用所学概念探讨有关疾病治疗的问题，提出合理的方案，认同生物学发展对人类的重大贡献。

3 教学重、难点

细胞分化的原因。

4 教学策略

基于学生的实验和观察、材料分析的问题解决：从斑马鱼胚胎发育过程的观察入手，帮助学生明确细胞分化的定义。通过一系列的问题引领，学生运用知识、证据和逻辑深化对重要概念的学习。

5 教学准备

1）斑马鱼胚胎观察实验（过程见图1）。

图1 斑马鱼胚胎观察实验流程图

2）斑马鱼胚胎发育观察的汇报材料：汇总观察结果，实验小组制作PPT。

3）阅读资料：教师通过查阅相关论文并整理形成阅读资料，内容包括电泳技术的简单介绍、斑马鱼不同胚胎期蛋白质分离结果、结果分析图。

4）视频：斑马鱼的胚胎发育过程、中国科学家邓宏魁带领团队在干细胞研究方面取得的成就。

5）多媒体课件。

6 教学过程

6.1 创设情境，导入新课 通过提出“我是怎么来的”，展示学生成长的照片，在分享成长的快乐的同时，指出每个人都是由受精卵经过一系列的变化，最终成长为现在的自己。在这个过程中细胞发生了哪些主要的变化？引发学生思考。

6.2 实验分享，概括细胞分化的定义 结合实验小组学生分享的实验成果和科学家的观察结果，学生体会胚胎发育过程中细胞经历的的变化，形成细胞分化的定义。

实验小组学生介绍实验并分享实验结果：1）斑马鱼的主要特点：小型热带鱼，条纹像斑马，体长3～4 cm，耐寒性强，易饲养，胚胎透明，易观察。2）实验主要过程：适应性饲喂—获得受精卵—观察胚胎。3）观察结果（图2）。

图2 斑马鱼胚胎发育过程

教师出示科研工作者在斑马鱼个体发育到一定阶段时，对眼球组织的观察结果（图3）。最外层是形如羽毛的光感受器细胞，里面一层是视网膜上的圆形色素细胞。由72 h 到96 h，光感受器细胞进一步排列整齐。

图3 斑马鱼眼球组织切片［3］

提问：结合上述观察，斑马鱼的发育过程中，细胞发生了哪些主要变化？这些变化有何意义？

学生根据上述材料总结：1）细胞通过增殖，数量变多，在此过程中细胞的形态、结构、功能都发生了变化。2）细胞形态结构的变化与细胞的功能相适应，有利于提高细胞相应生理功能的效率，是个体发育的基础。

设计意图：学生亲历实验，观察、分享实验结果，对细胞的生命历程有了直观且较为全面的认识。

6.3 资料分析，深化概念 学生结合所学和教师提供的素材，在推理、寻找证据、质疑、再推理中，深入理解细胞分化的原因和细胞的全能性。

问题1：从分子水平分析，在斑马鱼的胚胎发育过程中，细胞的形态、结构、功能为什么发生了变化？学生推测：与生命大分子有关，由于蛋白质是生命活动的主要承担者，所以蛋白质的种类、含量可能发生了变化；蛋白质合成由DNA 控制，所以也应与DNA 有关。

资料1：斑马鱼不同胚胎时期蛋白质电泳结果（图4、图5）。

图4 斑马鱼不同胚胎期蛋白质电泳检测结果［4］

图5 3 d 胚胎和5 d 胚胎蛋白质分离结果分析图［5］

学生分析并得出结论：细胞分化的直接原因是不同种类细胞中蛋白质的种类不完全相同。教师在此基础上结合模式图简要指出，控制蛋白质合成的一段DNA 是一个基因，基因控制相应蛋白质的合成，即基因的表达。

问题2：从基因的角度尝试解释，为什么不同种类细胞的蛋白质不完全相同？部分学生认为，由于不同种类细胞中蛋白质不完全相同，则推知不同种类细胞中基因不完全相同。另一部分学生认为，有丝分裂过程中，遗传物质复制均分，所以不同细胞中基因应相同。

资料2：克隆羊多莉的培育过程。

学生分析并得出结论：克隆羊的细胞的遗传物质都来自乳腺细胞核，但克隆羊体内也含有胰岛素等其他特定细胞所能合成的蛋白质，证明乳腺细胞虽然分化，却仍含有控制小羊生长发育的全套遗传物质。综上说明已分化的细胞中的遗传物质并没有改变，而是遗传物质的表达不完全相同。

教师总结：1）细胞分化的根本原因是基因表达不同，并非基因改变，即基因的选择性表达；2）已分化细胞的细胞核中遗传物质与受精卵一样并未改变，因此一个已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，即细胞具有全能性。

问题3：细胞在生物体中并未表现出全能性，而是进行了基因选择性表达，影响基因选择性表达的因素是什么？请结合克隆羊多利的形成过程加以分析。学生分析讨论：重组细胞与乳腺细胞的区别是细胞质不同，说明基因的表达可能受到细胞质物质的调控。

资料3：1）果蝇卵漏实验：在果蝇受精卵的前端注入来自尾端的细胞质，该受精卵发育成双尾端的果蝇［2］，说明基因的选择性表达确实受到了细胞质内一系列物质的调控。2）细胞信号转导图：说明细胞基因选择性表达过程是在严密的调控下进行的，要受到内、外多种因素的共同调控，是稳定、不可逆的。

问题4：已分化的细胞在体内能表现出全能性吗？如果人为需要某细胞表现出全能性，应如何处理？学生分析讨论：已分化的细胞在体内是无法表现出全能性的，因为细胞分化受到了细胞严密的调控，细胞的形态、结构与细胞的功能相适应，不能轻易改变。所以，表现出全能性的条件，需要离体，即脱离原有调控；人为加入调控物质，改变基因的表达情况，使细胞表现出全能性。

设计意图：基于逻辑和证据的分析，有利于学生形成科学的思维品质，通过对素材的深入分析，巧妙地突破重、难点。例如对克隆羊培育过程的分析，既能帮助学生认识细胞分化的原因，又能理解细胞的全能性；通过对细胞能否表现出全能性的深入追问，以及果蝇卵漏实验和细胞中的信号转导图的分析帮助学生认识：1）细胞分化受到细胞内、外一系列信号的调控，细胞分化的过程是复杂的调控过程，细胞一旦分化不能轻易改变和逆转。2）细胞分化的过程虽然复杂，但却通过一些简单的基本原理而实现。从而帮助学生从本质上理解生命的共性。

6.4 学以致用，解决问题 在学生认识了细胞分化原因和细胞全能性的基础上，进一步创设情境，引发学生的思考，在解决问题的过程中，深入理解重要概念。

在讲解干细胞的分类和特点后，引出白血病的相关资料。

资料1：在恶性肿瘤死亡率中，白血病在儿童及35 岁以下成人中居第1位，主要临床表现为贫血、出血、感染，进行血液、骨髓检查发现，血液中白细胞数量明显增多，骨髓增生活跃，存在大量原始白细胞。

问题1：请分析病因和治疗方案？学生讨论后指出细胞分化出了问题，可进行造血干细胞移植。

问题2：教师肯定学生所说的方案后提出：截至2018年1月，中华骨髓库统计，捐献造血干细胞例数6832 例，远低于242 万的志愿者数量，仅约为患者申请人数的1／10。由此可见配型成功的概率很低，因此需要更多的人伸出援助之手，以增大配型成功的可能性；同时，更需要解决配型难的问题。能否根据所学提出解决配型难这一问题的办法？学生结合所学提出：通过对体细胞诱导，使其转变为造血干细胞。

教师对学生的思路予以肯定，但“大道至简，知易行难”，顺势出示科学家艰辛而充满智慧的研究过程的相关资料。

资料2：1）获得诺贝尔奖的日本科学家山中伸弥的研究资料。2）我国科学家诱导皮肤细胞转变为小鼠全能干细胞进而发育成小鼠的资料。同时指出，尽管这一技术还存在很多问题，但利用患者自体细胞进行诱导全能干细胞并克隆器官很有前景，能为很多患者带来福音。

设计意图：有利于学生深刻认识细胞分化受到细胞内、外信息分子的调控，体会科学方案的提出虽简单，但最终变为现实需要付出长期艰苦的努力。

资料3：如果不慎被疟原虫感染，疟原虫会寄生在人体红细胞中而导致贫血等症状。我国科学家屠呦呦带领团队经历数百次失败后发现，黄花蒿含有的抗疟活性物质青蒿素主要分布在新鲜叶片中，最佳采摘时机是在植物即将开花之前，且青蒿素在细胞中的含量极低。

问题3：上述资料说明了什么？如何快速获得大量青蒿素？学生讨论后认为：1）上述现象是由于黄花蒿细胞中与青蒿素有关的基因在特定的时间和空间选择性表达的结果。2）选取优良品种的黄花蒿，取其细胞，在外界环境中加入调控物质，使其表现出全能性，快速获得大量优良品种，提取青蒿素。教师肯定学生的分析并指出：植物组织培养技术在植物的培育中已得到广泛应用，高三会进一步学习相关内容。该技术对于获得青蒿素是否适用，需进一步考证。

设计意图：1）结合关于植物的实例进行分析，利于学生认同细胞分化的普遍性。2）巩固学生对细胞全能性的理解，期望通过开放性的问题引发学生思考，为高三学习生物技术埋下伏笔。

7 板书设计（图6）

图6 板书设计

8 教学反思

本教学设计于2018年1月在高一年级实施，以学生亲历的实验为切入点。在提出假设、质疑、寻找证据、再提出新的问题的过程中，学生落实了对细胞分化和细胞全能性2 个重要概念的学习，进一步认同了结构与功能相适应的生命观念，提升了科学思维品质，在一定程度上领悟了科学研究的思路、方法和科学精神。