深度學(xué)習(xí)視角下“細胞分化”概念的構(gòu)建

摘" 要：

本文選取社會性議題“白血病治療新思路”作為教學(xué)情境，通過初建概念、感悟概念、深化概念、應(yīng)用遷移，引導(dǎo)學(xué)生基于事實與證據(jù)提出假說與論證，理解細胞分化概念的內(nèi)涵與外延，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，滲透社會責(zé)任意識，進而實現(xiàn)培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；細胞分化；概念構(gòu)建

文章編號：1003-7586（2024）12-0026-04" 中圖分類號：G633.91

文獻標識碼：B

基金項目：

（1）陜西省教育科學(xué)研究“十四五”規(guī)劃2022年度規(guī)劃課題“單元主題教學(xué)視域下高中生物學(xué)科學(xué)思維培養(yǎng)的實踐研究”（SGH22Y0211）；（2）西安市教育科學(xué)研究“十四五”規(guī)劃2023年度規(guī)劃課題“基于KWL策略提高中學(xué)生生物學(xué)學(xué)科提問能力的實踐研究”（2023XAGH178）。

深度學(xué)習(xí)是相對于淺層學(xué)習(xí)的一種學(xué)習(xí)理念，立足學(xué)生的前概念，引導(dǎo)學(xué)生通過深層次加工批判性地學(xué)習(xí)新知識、新觀念，從而促進概念的構(gòu)建。指向深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)設(shè)計一般流程為：明確教學(xué)目標—進行課程開發(fā)（面向項目式學(xué)習(xí)）—課堂教學(xué)策略（合作探究、深度思考、個性化教學(xué)）—教學(xué)評價（形成性評價）。［1］課堂教學(xué)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)都基于深度學(xué)習(xí)理念，從學(xué)習(xí)者的角度出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為最終目的，通過引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，主動解決問題，能夠有效提升課堂效率，提高學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。東北師范大學(xué)胡航和董玉琦認為深度學(xué)習(xí)是主動性、批判性的有意義學(xué)習(xí)，要求學(xué)生通過對真實情境的深層加工，主動建立新舊知識之間的聯(lián)系，重新建構(gòu)概念，從而實現(xiàn)對概念的深度理解，最后通過將概念應(yīng)用于真實情境解決復(fù)雜問題，最終實現(xiàn)高階思維能力的發(fā)展。［2］

“細胞分化”一節(jié)是對細胞分裂知識的延伸與拓展，同時也是后續(xù)學(xué)習(xí)基因表達、克隆技術(shù)、植物組織培養(yǎng)等內(nèi)容的基礎(chǔ)。鑒于本節(jié)內(nèi)容繁多，加之學(xué)生尚未系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過遺傳學(xué)知識，故而對細胞分化的理解僅限于淺層次的記憶與背誦，難以理解細胞分化的本質(zhì)。因此，筆者沿著創(chuàng)設(shè)情境，初建概念—深度加工，感悟概念—學(xué)以致用，深化概念—拓展延伸，應(yīng)用遷移的深度學(xué)習(xí)路徑，通過圖片、視頻等科學(xué)史材料和科學(xué)前沿內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生體驗知識的發(fā)生，在不斷強化感性認識的基礎(chǔ)上，通過深入思考與分析提升理性認識，培養(yǎng)高階思維，最終歸納概括并自主構(gòu)建細胞分化的概念。

1" 創(chuàng)設(shè)情境，初建概念

教師播放介紹白血病致病原因與治療方法的視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析移植造血干細胞治療白血病的原理。學(xué)生結(jié)合初中所學(xué)的血細胞相關(guān)知識，回顧造血干細胞可以分化為不同類型的血細胞的內(nèi)容，并分析不同血細胞之間的差異，初步構(gòu)建細胞分化的概念，并初步認識細胞分化與細胞分裂之間的區(qū)別。教師補充說明植物不同組織細胞間的差異，引導(dǎo)學(xué)生認同細胞分化普遍發(fā)生在動植物體內(nèi)。

設(shè)計意圖：

教師將本節(jié)課學(xué)習(xí)任務(wù)融入“白血病治療新思路”這一真實性情境中，使學(xué)生學(xué)習(xí)更具有社會參與性與探究性，從而有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生深度思考。

2" 深度加工，感悟概念

2.1" 基于事實，初探機理

在認識細胞分化概念的基礎(chǔ)上，學(xué)生產(chǎn)生疑問：分化后的細胞為何會執(zhí)行不同的功能？教師首先引導(dǎo)學(xué)生回顧細胞膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體薄膜等結(jié)構(gòu)的功能，分析不同生物膜功能不同的原因，由此得出“細胞的不同結(jié)構(gòu)能夠執(zhí)行不同功能主要依賴于其蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量不同”的結(jié)論?；谶@一認識，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生通過類比推理，得出分化后的細胞之所以能執(zhí)行不同功能，可能是因為這些細胞中蛋白質(zhì)種類和數(shù)量不同，即細胞分化的結(jié)果是細胞中蛋白質(zhì)種類和數(shù)量不同。

資料1：斑馬魚胚胎發(fā)育不同階段的蛋白質(zhì)種類如圖1A所示。

資料2：2000年，我國研究人員對大鼠17種器官的蛋白質(zhì)組成情況進行分析（見圖1B）。該方法可通過條帶的位置及顏色深淺來判斷蛋白質(zhì)分子的種類和數(shù)量。

學(xué)生通過分析斑馬魚不同時期的胚胎與大鼠不同組織細胞中的蛋白質(zhì)種類，為先前提出的假說提供證據(jù)支撐，明確細胞分化的結(jié)果是細胞中蛋白質(zhì)種類和數(shù)量不同。

設(shè)計意圖：學(xué)生根據(jù)已有知識對細胞分化的本質(zhì)提出猜想，教師提供實驗資料作為支撐，幫助學(xué)生論證猜想，引導(dǎo)學(xué)生基于事實與證據(jù)進行推理，為后續(xù)進一步深入探究細胞分化的本質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

2.2" 深度剖析，明晰機理

鑒于高一年級學(xué)生尚未學(xué)習(xí)中心法則及基因表達的內(nèi)容，難以理解細胞分化的本質(zhì)，故該內(nèi)容是本節(jié)的難點內(nèi)容。筆者以豐富的科學(xué)史、生物學(xué)事實等資料為依托，通過設(shè)計層次分明的問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建細胞分化的概念，并認識其內(nèi)涵和外延。

針對細胞分化的根本原因這一核心議題，學(xué)生根據(jù)已有知識提出假說1“細胞分化是由于細胞核中部分基因丟失”，并嘗試構(gòu)建模型（見圖2）。

教師展示我國科學(xué)家利用纖維細胞克隆“中中”和“華華”克隆猴的實例，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：已分化的成纖維細胞的細胞核仍然可以克隆出“中中”和“華華”，說明分化后的細胞仍包含該生物發(fā)育成完整個體所需要的

全部

遺傳信息。學(xué)生由此推測在細胞分化的過程中遺傳信息并未丟失。教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生提出假說2：在某個特定的細胞中，有些基因發(fā)揮作用，有些基因沒有發(fā)揮作用。學(xué)生據(jù)此構(gòu)建兩種可能的模型（見圖3）。

教師繼續(xù)展示兩則研究資料，引導(dǎo)學(xué)生分析兩種假說的正確性。

資料3：已知相同的DNA能發(fā)生結(jié)合，不同的DNA不能結(jié)合。生物學(xué)家提取了小鼠腦、腎、胸腺、脾、肝組織細胞的DNA，分別與小鼠胚胎細胞DNA進行雜交。結(jié)果表明，來自各種組織細胞的DNA的結(jié)合率和結(jié)合量都一樣。

資料4：人體細胞內(nèi)大約有2萬～2.5萬個基因，分析結(jié)果表明，這些基因約 50%在所有組織細胞中都表達，而有大約15%的基因在一個或幾個特定的組織或器官中表達，比如胰島素基因只在胰島B細胞中表達，血紅蛋白基因只在紅細胞中表達。

學(xué)生分析資料得出結(jié)論：小鼠不同細胞中的基因相同，由此否定假說1。結(jié)合資料2和資料4，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同組織細胞中蛋白質(zhì)種類和含量不完全相同，是由于基因在不同組織細胞中執(zhí)行功能的情況不同，但有些對生命活動至關(guān)重要的基因在不同的組織細胞中均會表達，學(xué)生從而確定假說2-1的模型（見圖3A）為正確的模型。教師由此引導(dǎo)學(xué)生分析，為何同一個體不同組織中蛋白質(zhì)種類不同？學(xué)生以人體血細胞、肌肉細胞、胰島B細胞為例進行闡述，歸納細胞分化的意義，進而培養(yǎng)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

教師介紹案例：

屠呦呦團隊發(fā)現(xiàn)黃花蒿含有抗瘧活性成分的主要部位是葉片

，引導(dǎo)學(xué)生深入分析黃花蒿葉片細胞中與青蒿素有關(guān)的基因在特定的時間和空間選擇性表達的原因。

教師提供資料：“黑色素細胞合成黑色素、分化后的細胞始終保持分化后狀態(tài)”，進一步引導(dǎo)學(xué)生深入分析細胞分化的特點。學(xué)生由此歸納出細胞分化的概念、本質(zhì)及特點。

設(shè)計意圖：學(xué)生進一步運用“假說-演繹”法分析細胞分化的本質(zhì)，經(jīng)歷提出假說—尋找證據(jù)—否定假說—提出新的假說—尋找證據(jù)—得出結(jié)論的過程，在合作學(xué)習(xí)中逐步修正錯誤認識，主動構(gòu)建細胞分化的概念，拓展其內(nèi)涵和外延，從而對細胞分化的認識更加豐富且立體。學(xué)生在不斷論證的過程中，形成基于事實與證據(jù)進行論證的思維意識，提升科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。

2.3" 實踐探索，運用機理

教師引導(dǎo)學(xué)生深入思考分化后的細胞在生物體內(nèi)一直保持分化后狀態(tài)的原因，并說明細胞分化是在嚴密的調(diào)控下進行的，要受到內(nèi)外多種因素的共同調(diào)控，往往是穩(wěn)定、不可逆的。但此結(jié)論與克隆猴“中中”和“華華”的成功克隆相悖，從而使學(xué)生產(chǎn)生認知沖突。學(xué)生分析提出：通過更換細胞質(zhì)來改變基因表達，可以使已分化的動物細胞脫離原來的分化狀態(tài)。教師展示非洲爪蟾細胞核移植實驗、克隆羊及克隆牛的培育過程，進一步論證學(xué)生提出的觀點。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析胡蘿卜韌皮部細胞組織培養(yǎng)、煙草的花粉離體培養(yǎng)的實例，歸納細胞全能性的概念并比較動物、植物細胞全能性的差異，并從中總結(jié)細胞表達全能性的條件。教師引導(dǎo)學(xué)生深入思考為何離體的細胞仍可以被誘導(dǎo)分化并形成完整個體。學(xué)生結(jié)合資料3及克隆技術(shù)總結(jié)：細胞分化與細胞核中的遺傳物質(zhì)有關(guān)，即體細胞中都含有該物種的全部遺傳信息，從而認識細胞具有全能性的根本原因。

設(shè)計意圖：

教師通過一系列的問題設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生深入思考“已分化的細胞是否能脫離分化”，旨在培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力、質(zhì)疑與反思、分析和解決問題的能力，讓學(xué)生從傳統(tǒng)的知識接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的構(gòu)建者，有助于學(xué)生更好地理解細胞全能性的本質(zhì)及其背后的科學(xué)原理。

3" 學(xué)以致用，深化概念

深度學(xué)習(xí)的核心在于學(xué)生達成對知識的構(gòu)建和理解。［5］筆者引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活，分組交流和展示，完成進階任務(wù)，同時深化對概念的理解，內(nèi)化并重構(gòu)認知。在學(xué)生完成概念構(gòu)建的基礎(chǔ)上，教師展示人體干細胞、心肌細胞、味蕾細胞、血細胞等不同細胞的壽命，引導(dǎo)學(xué)生思考：血細胞壽命往往很短，消失的細胞該如何補充？學(xué)生思考并認識到干細胞分化具有持久性。教師回歸課時情境“白血病治療新思路”，展示我國目前骨髓移植成功案例數(shù)量6 800例與志愿者數(shù)量242萬人之間的數(shù)量懸殊差距，引導(dǎo)學(xué)生思考導(dǎo)致骨髓移植成功率低的原因，并根據(jù)所學(xué)知識嘗試解決配型困難的問題。學(xué)生提出誘導(dǎo)體細胞脫分化或者核移植的方法。教師

繼續(xù)展示日本科學(xué)家誘導(dǎo)多功能干細胞的產(chǎn)生，以及我國科學(xué)家首次用iPS細胞克隆出完整的活體實驗鼠的案例，同時進一步拓展全能性的概念，構(gòu)建完整的知識體系。

設(shè)計意圖：教師回歸“白血病治療新思路”這一課堂情境，展示器官移植面臨的現(xiàn)實問題，引導(dǎo)學(xué)生利用細胞分化及全能性的相關(guān)知識嘗試解決供源不足及成功率低的問題，培養(yǎng)社會責(zé)任意識。

教師以概念圖的形式，引導(dǎo)學(xué)生提出自己的結(jié)構(gòu)化認知體系，有效促進學(xué)生掌握新概念的內(nèi)涵和外延，實現(xiàn)前概念與新概念的有效轉(zhuǎn)換，進而達成細胞分化這一概念的深度理解和應(yīng)用。

4" 拓展延伸，應(yīng)用遷移

應(yīng)用遷移是實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的有效途徑。［6］教師通過應(yīng)用遷移，引導(dǎo)學(xué)生進行不斷反思與評價，從而達成正確的價值觀。在構(gòu)建細胞分化概念之后，教師要求學(xué)生課后查閱資料，了解核移植技術(shù)的最新研究進展，并分析該技術(shù)是否可以用于解決目前器官移植配型難的問題。

設(shè)計意圖：教師將探究從課堂延伸到課后，讓學(xué)生在新情境中利用生物學(xué)知識解決生活問題，提高其科學(xué)思維和探究能力；引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注器官移植問題，發(fā)展社會責(zé)任意識，進而發(fā)展生物學(xué)

學(xué)科核心素養(yǎng)。

5" 結(jié)語

本節(jié)課以“白血病治療新思路”為情境，引導(dǎo)學(xué)生初識概念；利用斑馬魚、大鼠和人體不同細胞中基因與蛋白質(zhì)水平為資料，設(shè)計系列驅(qū)動問題，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念；以動物克隆、植物組織培養(yǎng)等一系列科研情境，引導(dǎo)學(xué)生深化概念；以白血病為依托，聯(lián)系所學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用概念。在此過程中，學(xué)生不斷地提出問題并通過一系列證據(jù)進行嚴謹?shù)耐评砼c論證，逐步形成基于事實與證據(jù)的論證思維能力，滲透參與社會議題的社會責(zé)任意識。

參考文獻

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［2］胡航，董玉琦.技術(shù)促進深度學(xué)習(xí)：“個性化-合作”學(xué)習(xí)的理論構(gòu)建與實證研究［J］.遠程教育雜志，2017，35（3）：48-61．

［3］陳妍.1. 不同發(fā)育階段班馬魚單胚胎的蛋白質(zhì)組分析2. vsx1基因沉默對金魚早期胚胎發(fā)育的影響［D］.長沙：湖南師范大學(xué)，2008．

［4］王聰睿，賈德勇，武新勝，等.大鼠各組織器官蛋白質(zhì)圖譜分析［J］.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2024，21（5）：354-356．

［5］徐汛峰，付雷.基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)單元學(xué)習(xí)目標及評價設(shè)計——以“生物的進化”為例［J］.生物學(xué)教學(xué)，2020，45（8）：12-16．

［6］何晶晶，鄭曉惠.基于深度學(xué)習(xí)理論的生物學(xué)概念建構(gòu)——以“基因突變和基因重組”的教學(xué)為例［J］.生物學(xué)教學(xué).2020，45（3）：12-14.