基于主线化情境的“植物细胞工程”专题复习

张 芸

（南京航空航天大学苏州附属中学 江苏苏州 215121）

1 教材分析及设计思路

“植物细胞工程”是人教版2019年版高中生物学教材《选择性必修3·生物技术与工程》模块第二章的内容，包括植物细胞工程的基本技术和植物细胞工程的应用两节内容。在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中，本节课的内容隶属于选择性必修课程模块3“生物技术与工程”中的大概念4，即“细胞工程通过细胞水平上的操作，获得有用的生物体或其产品”。通过新授课的学习，学生对植物组织培养及其应用、植物体细胞杂交的相关知识有一定的了解，但由于本专题内容实践性比较强，知识也比较零散，简单地介绍教材的相关知识，容易导致学生失去对该部分内容学习的兴趣，也不利于学生知识体系的建构和核心素养的发展。

《课程标准》明确指出生物学学科核心素养是学生在解决真实问题情境中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格和关键能力。可见，核心素养的发展离不开情境的支撑。为了更好地帮助学生构建知识体系，发展核心素养，笔者在教学时尝试创设贯穿整节课的主线化情境，通过问题驱动、合作探究等方法，在增强课堂教学连贯性的同时，引导学生在解决问题的过程中逐步建构知识体系，培养学生的生物学学科核心素养。

2 教学目标

①能运用结构与功能观、物质与能量观、稳态与平衡观等生命观念，概述植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理和过程。

②能基于事实和证据，采用归纳与概括等方法，说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢产物生产、育种等方式有效提高了生产效率。

③认同植物细胞工程的发展对社会、经济的发展以及环境保护都具有重要意义，增强社会责任感。

3 教学过程

3.1 创设情境，导入新课

教师播放被誉为“百草之王”的天山雪莲的有关视频：天山雪莲是新疆特有的名贵中草药，具有抗炎镇痛、抗癌、降血压、清除自由基等作用，但因其生存环境特异，生长缓慢，加上长期以来的掠夺性采挖，野生天山雪莲濒临灭绝。并提出问题：利用什么技术可以快速获得大量的天山雪莲？能否画出该技术的主要过程图？

设计意图：教师选择天山雪莲这一充满神秘色彩的植物创设情境，激发学生的学习兴趣和探究欲，并促进学生联系所学知识，为复习课的学习做好铺垫。

3.2 承接情境，探究植物组织培养的过程和条件

在导入情境下，教师提供资料：科研人员利用天山雪莲的叶肉细胞进行植物组织培养技术获得了大量的优质组培苗，并展示该技术的主要过程图（图1）及所用的MS培养基。教师设置问题串：（1）该技术的原理是什么？涉及的细胞分裂方式是什么？（2）植物细胞表现出全能性的条件有哪些？（3）MS培养基中添加蔗糖的目的是什么？培养基采用什么方法灭菌？灭菌时应先灭菌后分装还是先分装后灭菌？（4）对外植体进行消毒还是灭菌？植物组织培养要求无菌操作的目的是什么？（5）过程①②③分别是什么？诱导脱分化和再分化时对光照的要求如何？（6）如何调节生长素和细胞分裂素的比值以诱导愈伤组织、芽或根的形成？

图1 植物组织培养过程示意图

设计意图：植物细胞工程的基础是植物组织培养，本专题复习以植物组织培养的过程入手，教师可将该技术的主要过程写在黑板上“外植体→愈伤组织→生芽→生根→植株”，以此为主线，将后续植物组织培养的应用和植物体细胞杂交技术的内容融入这条主线中。这样处理不仅能持续调动学生的积极性和探究欲，还能帮助学生建构完整的知识体系。

3.3 分解情境，探究植物组织培养的应用

教师分解情境，根据每个子情境，设置问题。

子情境1：天山雪莲可以用种子繁殖。但种子成熟时，新疆天山已开始下雪，采集种子比较困难，且雪莲种子的萌发率低，生长缓慢。如何解决这一困境？人工种子的组成部分有哪些？为什么要选择透气的种皮？人工种子与传统种子相比有哪些优点？

子情境2：研究发现天山雪莲中具有药理活性的主要是一些黄酮类物质。为了获得大量的黄酮类物质，常利用植物组织培养技术将天山雪莲细胞培育到愈伤组织阶段，再用液体培养基对其进行悬浮培养，然后从培养液中提取黄酮类物质，以实现黄酮类物质的工业化生产。为什么培育到愈伤组织阶段？培养过程中要不断通入无菌空气并揽拌，原因有哪些？植物细胞培养与植物组织培养有何关系？

子情境3：采用天山雪莲的花粉粒经植物组织培养技术也可获得幼苗。该幼苗与由叶肉细胞培育成的幼苗基因型是否相同？该幼苗为几倍体？如何获得可育的二倍体？

子情境4：长期通过无性繁殖的雪莲，体内积累大量病毒，使得产量减少，造成很大的经济损失。病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在茎尖、根尖等分生区几乎不含病毒。如何获得脱毒雪莲苗？脱毒苗是否具有抗病毒能力？

子情境5：研究发现可以利用射线处理雪莲的愈伤组织，以获得具有某种抗病性状的雪莲突变体。为什么处理愈伤组织？射线处理后使其发生了何种变异？

设计意图：植物组织培养的应用这部分知识比较零散，学生不太理解这些应用与植物组织培养技术的关系，不清楚每种应用该培养到什么阶段。因此，笔者将导入情境分解为多个小情境，逐点融通主线化情境与每个知识点的内在联系，引导学生在问题驱动中有目的地学习，逐步建构知识体系，提升核心素养。

3.4 转接情境，探究植物体细胞杂交的原理和过程

教师设置情境：科研人员分离了天山雪莲（2n=32）和莴苣（2n=18）的原生质体并将其融合，为天山雪莲新种质选育奠定了基础（图2）。并设置问题串：（1）过程①所用的酶有哪些？该过程常加入适宜浓度的甘露醇以保持一定的渗透压，作用是什么？（2）过程②所用的方法有哪些？（3）融合后是否需要筛选？为什么？如何筛选？（4）过程③密切相关的细胞器是什么？（5）过程②的原理是什么？由杂种细胞d培育成新植株体现了什么原理？（6）新植株的染色体数是多少？几倍体？是否可育？（7）该技术与杂交育种有何区别？该技术有什么意义？

图2 植物体细胞杂交过程示意图

设计意图：植物组织培养是植物体细胞杂交的前提，在学生探究完植物组织培养的原理、过程、条件、应用等相关知识后，为了让课堂在一条情境主线的常规化探究中，更有新意，使学生的思维更加深入，笔者转变探究的方向，用情境将学生拉入一个新的但又紧密相关的探究视野。新情境的引领避免了活动和探究疲劳，会提高学生学习的积极性。同时，教师在新情境下设置问题串，驱动学生自主归纳和总结，以增强学生的科学思维素养。

3.5 串联情境，建构知识框架

探究完成后，教师引导学生将分解的小情境串联起来，建构本专题的知识框架（图3），以作最后的总结和深化。课后，教师收集和评选最优秀的作品，供其他学生学习和交流。

图3 植物细胞工程知识框架

设计意图：主线化情境的核心内涵在于它是结构化知识建构的重要途径。教师通过构建知识框架，不仅能帮助学生厘清知识之间的逻辑关系，更能培养学生归纳、概括、建模等科学思维能力和良好的学习习惯。

4 教学反思

马赫穆托夫的“问题教学”理论认为：教师在课堂教学中有意识地创设问题情境，能够让学生主动地思考探索，发现、提出并解决问题，提升学生的逻辑思维。主线化情境是以某一情境贯穿整节课，通过这条主线创设多个教学情境，引导学生用知识来探究生物学现象的成因，是实现课堂意义建构的一种整体式教学方式。本节课通过创设“天山雪莲的植物组织培养”这一主线化情境，将植物组织培养的原理、过程、条件、应用及植物体细胞杂交等相关知识整合融入，明显提升了教学效果，既发展了学生的知识和能力，也培养了学生的生物学学科核心素养。