基于學(xué)情和實(shí)驗(yàn)建構(gòu)生物學(xué)概念的教學(xué)設(shè)計(jì)

孟祥成 陳維 王立平

摘要 以“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”為例，基于學(xué)情和實(shí)驗(yàn)操作建構(gòu)生物學(xué)概念，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移運(yùn)用能力、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力、提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)建構(gòu)生物學(xué)概念

中圖分類號(hào) G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 教材分析

本節(jié)“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”選自2019年人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第二章第一節(jié)“植物細(xì)胞工程”。開(kāi)篇以蘭花自然繁殖存在問(wèn)題，尋求解決方法的情境導(dǎo)入，引出植物組織培養(yǎng)技術(shù)。教材內(nèi)容排布為植物組織培養(yǎng)技術(shù)的原理、概念、過(guò)程及探究實(shí)踐“菊花的組培實(shí)驗(yàn)”，本節(jié)課的內(nèi)容是植物細(xì)胞工程的基礎(chǔ)技術(shù)，為后面將學(xué)習(xí)的植物體細(xì)胞雜交技術(shù)、作物新品種培育、植物基因工程應(yīng)用等內(nèi)容做好鋪設(shè)。

2 學(xué)情分析

《生物學(xué)·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第一章“微生物的基本培養(yǎng)技術(shù)”中，學(xué)生已經(jīng)掌握了培養(yǎng)基的配制和無(wú)菌操作技術(shù)。初步知道了人為培養(yǎng)生物的方法和過(guò)程，具備一定的實(shí)驗(yàn)操作能力、科學(xué)探究能力和生命觀念的意識(shí)。在2019年人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第六章第二節(jié)“細(xì)胞的全能性”的思考·討論欄目中為了便于學(xué)生理解細(xì)胞全能性的內(nèi)涵，也提及到“胡蘿卜經(jīng)組織培養(yǎng)產(chǎn)生完整植株的過(guò)程，因此基于學(xué)情，教師可以變傳統(tǒng)講授生物學(xué)概念為實(shí)驗(yàn)建構(gòu)“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”這一生物學(xué)概念，滿足學(xué)生發(fā)展需要、興趣愛(ài)好并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力。

3? 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)植物組織培養(yǎng)技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱組培技術(shù)）實(shí)例分析，概述組培技術(shù)原理、植物細(xì)胞全能性的定義、原因、表現(xiàn)條件，樹(shù)立結(jié)構(gòu)與功能觀。

（2）基于科學(xué)史資料閱讀，了解細(xì)胞工程發(fā)展概況、現(xiàn)狀、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用，提升閱讀理解、信息獲取、歸納概括等科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)精神和科研態(tài)度。

（3）通過(guò)參與“菊花組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)”，基于學(xué)情和親身實(shí)踐建構(gòu)“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”生物學(xué)概念，提升實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神、增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

4 教學(xué)過(guò)程

4.1課前準(zhǔn)備

由生物興趣小組進(jìn)行文獻(xiàn)查閱和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。具體包括：查閱文獻(xiàn)了解不同植物激素使用量對(duì)菊花組培技術(shù)的影響，確定學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)激素的配比，配制一部分培養(yǎng)基并滅菌以備使用。教師購(gòu)置MS基礎(chǔ)培養(yǎng)基、菊花無(wú)菌苗、口罩、鞋套等，提前對(duì)實(shí)驗(yàn)服、實(shí)驗(yàn)器具、超凈工作臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行消毒和滅菌。

4.2情境導(dǎo)入——基于學(xué)情初構(gòu)概念

教師播放品種多樣形態(tài)各異的開(kāi)封菊花展圖片，告知學(xué)生這么多千姿百態(tài)、顏色不一的菊花可以通過(guò)營(yíng)養(yǎng)繁殖與種子繁殖。設(shè)問(wèn)：利用什么方法能實(shí)現(xiàn)用料少、成苗量大、快速獲得大量品色各異的菊花呢？圖片引起學(xué)生興趣，直入正題“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”。以問(wèn)題串形式回顧：①組培技術(shù)的原理是什么？利用文字和箭頭描述實(shí)驗(yàn)過(guò)程？②什么是植物細(xì)胞的全能性？③植物細(xì)胞都具有細(xì)胞全能性嗎？都能體現(xiàn)全能性嗎？④體現(xiàn)全能性的條件是什么⑤遺傳物質(zhì)的本質(zhì)和作用是什么？基于已有的知識(shí)讓學(xué)生將其中因果關(guān)系梳理清晰：植物體中的細(xì)胞因?yàn)榫哂斜疚锓N全部遺傳物質(zhì)，其具有控制代謝、發(fā)育、性狀等功能，細(xì)胞就擁有發(fā)育成完整個(gè)體的潛力，但由于細(xì)胞處于特定時(shí)間和空間內(nèi)，基因選擇性表達(dá)的限定，它不能表現(xiàn)全能性，所以想更好表現(xiàn)全能性必須選取幼嫩組織脫離機(jī)體，給予適應(yīng)條件，這是植物組織培養(yǎng)技術(shù)概念的基礎(chǔ)，如圖1所示：

4.3教材閱讀——基于史料廣構(gòu)概念

教材是教師和學(xué)生學(xué)習(xí)的依據(jù)，是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱為《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的代表資料，具有權(quán)威性、主導(dǎo)性和基礎(chǔ)性。學(xué)生翻閱教材，閱讀細(xì)胞工程的發(fā)展歷程，了解細(xì)胞工程發(fā)展概況、快速歸納概括植物組織培養(yǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、列舉身邊了解的組培技術(shù)實(shí)例、教師展示本市農(nóng)科所科研成果圖片--千嬌百媚的百合花新品種，邀請(qǐng)興趣小組同學(xué)談?wù)剠⒂^農(nóng)科院的感想，同學(xué)們認(rèn)識(shí)到科學(xué)的進(jìn)步離不開(kāi)科研技術(shù)，知道他們從事實(shí)出發(fā)利用現(xiàn)有技術(shù)手段解決問(wèn)題并再發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，不斷推動(dòng)技術(shù)發(fā)展和科學(xué)發(fā)展，他們還有著求實(shí)、創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)、堅(jiān)毅等科研精神，拓展了植物組織培養(yǎng)技術(shù)的概念，如圖2所示：

4.4親身操作——基于實(shí)驗(yàn)全構(gòu)概念

菊花組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)是選修教材中內(nèi)容，部分中學(xué)學(xué)校是可實(shí)施的，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)具有普遍性、實(shí)踐性和技術(shù)性。綜合考慮學(xué)生人數(shù)、課時(shí)時(shí)間、健康安全等問(wèn)題，課程以學(xué)習(xí)小組為單位，理論知識(shí)回顧后由組長(zhǎng)統(tǒng)籌安排組員開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為三部分：課上同步完成“配制培養(yǎng)基和滅菌”、“接種外植體”、課后完成“培養(yǎng)觀察”。

4.4.1配制培養(yǎng)基和滅菌

此步驟在“微生物的基本培養(yǎng)技術(shù)”中已學(xué)，組長(zhǎng)主要巡視、引導(dǎo)、協(xié)調(diào)、指導(dǎo)學(xué)生如何配制培養(yǎng)基，還要精心梳理高壓蒸汽滅菌鍋使用方法和注意事項(xiàng)；鼓勵(lì)學(xué)生遷移運(yùn)用。為了節(jié)約時(shí)間，小組部分成員直接稱量購(gòu)買(mǎi)的MS培養(yǎng)粉（含有合適配比的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，每組配置約10瓶，每瓶約30ml），使用微波爐溶化，按照記錄單添加植物激素（每組添加的細(xì)胞分裂素與生長(zhǎng)素配比不同），調(diào)節(jié)pH 約為5.8后分裝至培養(yǎng)瓶，瓶體需要標(biāo)記區(qū)分組別，按照高壓蒸汽滅菌鍋使用方法進(jìn)行滅菌，以備下組學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用。

問(wèn)題思考：①培養(yǎng)基的成分有什么？②制備培養(yǎng)基的流程？③與微生物培養(yǎng)基成分進(jìn)行對(duì)比？

教師提示學(xué)生配置培養(yǎng)基時(shí)可在普通實(shí)驗(yàn)室操作，不是絕對(duì)的無(wú)菌環(huán)境，培養(yǎng)基和接種工具的合格性滅菌是實(shí)驗(yàn)的成功關(guān)鍵，注意關(guān)注滅菌細(xì)節(jié)：是否對(duì)稱螺旋密封？是否冷空氣排放徹底？是否滅菌徹底（取決于物品量、保溫時(shí)間等）？取出培養(yǎng)基后是否直接送至無(wú)菌區(qū)？

4.4.2接種外植體

消毒試劑升汞國(guó)家已經(jīng)嚴(yán)令禁止學(xué)校使用，學(xué)生初實(shí)驗(yàn)，為了考慮安全問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)效果問(wèn)題，本次實(shí)驗(yàn)減去外植體消毒過(guò)程直接接種無(wú)菌外植體。組長(zhǎng)嫻熟地演示無(wú)菌操作過(guò)程：70%酒精擦拭臺(tái)面和實(shí)驗(yàn)者雙手、點(diǎn)燃酒精燈并灼燒接種用具、無(wú)菌區(qū)剪取合適大小幼嫩組織、以合適的方向插入培養(yǎng)瓶中等等，每組其余成員在超凈工作臺(tái)中酒精燈火焰旁無(wú)菌區(qū)域獲取外植體，進(jìn)行無(wú)菌操作接種到課前由組長(zhǎng)已經(jīng)滅好菌的培養(yǎng)基中，并在瓶體標(biāo)記時(shí)間和人員。每組兩部分同學(xué)操作完成后再交換操作，順利高效完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

問(wèn)題思考：①外植體選取條件？②接種過(guò)程中具體有哪些無(wú)菌操作環(huán)節(jié)？

教師提示學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的速度、熟練度和空氣流動(dòng)會(huì)影響污染率，重點(diǎn)提高防火安全意識(shí)及危險(xiǎn)隱患處理等。

4.4.3培養(yǎng)觀察

細(xì)胞全能性體現(xiàn)的條件也是植物組織培養(yǎng)的條件，將接種好的培養(yǎng)瓶放于恒溫光照培養(yǎng)箱中，溫度調(diào)至25℃，無(wú)光照培養(yǎng)（也可直接在無(wú)菌培養(yǎng)室培養(yǎng)）。觀察記錄培養(yǎng)情況：是否污染、是否分裂、記錄其大小，顏色等指標(biāo)。由于培養(yǎng)需要時(shí)間，實(shí)驗(yàn)還待繼續(xù)，則其余培養(yǎng)過(guò)程可以轉(zhuǎn)至問(wèn)題形式。

問(wèn)題思考：①完善植物組織培養(yǎng)技術(shù)流程圖？觀察到什么樣形態(tài)，被認(rèn)為是形成愈傷組織？②通過(guò)什么操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)脫分化和再分化？③如何操作使試管苗適應(yīng)外界環(huán)境，移栽成功？

學(xué)生通過(guò)人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)以及本節(jié)課的親身實(shí)踐，已經(jīng)能夠深刻感悟到植物組織培養(yǎng)技術(shù)過(guò)程的內(nèi)涵，這樣形成了植物組織培養(yǎng)技術(shù)概念的核心主干，如圖3所示：

4.5組間對(duì)比——基于對(duì)照再構(gòu)概念

實(shí)驗(yàn)結(jié)果受多方面因素影響，除了內(nèi)因植物種類、器官類型、年齡和新鮮度，還與外界的溫度、 pH、光、植物激素使用量、使用比例和使用順序等有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段組長(zhǎng)通過(guò)查閱文獻(xiàn)，已經(jīng)初步設(shè)定了脫分化過(guò)程不同組間植物激素的配比（即：生長(zhǎng)素大于細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素等于細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素小于細(xì)胞分裂素），實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循了對(duì)照原則、平行重復(fù)原則等科學(xué)原則，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果中大部分組別能很好的驗(yàn)證植物激素不同配比可以影響脫分化效果，有的組由于污染率和成活率問(wèn)題不能得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，學(xué)生的科研精神得到培養(yǎng)，也體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)的偶然性、重復(fù)性和科研艱辛。為了使實(shí)驗(yàn)完整和學(xué)會(huì)遷移運(yùn)用，教師播放自己錄制的“利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)百合幼苗視頻”。

問(wèn)題思考：①使用植物激素在哪些方面影響植物生長(zhǎng)發(fā)育？②反思降低實(shí)驗(yàn)污染率的具體措施有什么？

動(dòng)手操作配置培養(yǎng)基、滅菌培養(yǎng)基、獲取外植體、接種外植體等環(huán)節(jié)極大激勵(lì)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，真實(shí)實(shí)驗(yàn)視頻、熟悉的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，讓學(xué)生有信心繼續(xù)試驗(yàn)，繼續(xù)探究，在科研的道路上越走越遠(yuǎn)，進(jìn)一步完善了植物組織培養(yǎng)技術(shù)的概念，如圖4所示：

4.6聯(lián)系實(shí)踐——規(guī)劃將來(lái)職業(yè)生涯

《課程標(biāo)準(zhǔn)》學(xué)科素養(yǎng)的“社會(huì)責(zé)任”中提及“應(yīng)用生物學(xué)知識(shí)解決生產(chǎn)生活問(wèn)題”，“學(xué)業(yè)要求”充分認(rèn)識(shí)生物技術(shù)和工程的原理和過(guò)程，幫助學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，同時(shí)幫助學(xué)生更好的生活、就業(yè)，以及滿足部分學(xué)生選擇從事科學(xué)研究的需要。教師提示對(duì)“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”感興趣的同學(xué)可以填報(bào)農(nóng)林、園藝、生物技術(shù)等專業(yè)繼續(xù)深造，將來(lái)可以從事的工作有苗木生產(chǎn)、花卉生產(chǎn)、蔬菜生產(chǎn)和植物新品種的繁育等，還能提供大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)的能力和機(jī)會(huì)，提升社會(huì)責(zé)任感。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課嘗試基于學(xué)情和實(shí)驗(yàn)操作建構(gòu)生物學(xué)概念“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”，倡導(dǎo)學(xué)生成為課堂的主人，體會(huì)實(shí)驗(yàn)的快樂(lè)，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的成就感。教師扮演助學(xué)者，適時(shí)將學(xué)習(xí)過(guò)程的不完整續(xù)寫(xiě)完整，將基礎(chǔ)知識(shí)拓展延伸，緊湊而高效的課堂使學(xué)生掌握了技術(shù)原理、過(guò)程，同時(shí)達(dá)成發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展、助于學(xué)生滿足社會(huì)需求的生物課程任務(wù)。