设置基于实验事实的进阶问题，提升学生生物学学科核心素养

陈海波

摘要：以一节公开课“动物细胞培养和核移植技术（第一课时）”为例，评析教师如何在课堂教学中围绕培养学生生物学核心素养，以便更好地达成相关学业要求。

关键词：核心素养 动物细胞培养 学业要求

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

根据《普通高中生物课程标准（2017版）》，“生物技术与工程”模块的教学要求学生结合生产和生活实际举例说出生物工程及相关技术的基本原理，针对人类生产和生活的某一需求，尝试提出初步的工程学构想，并就生活或社会热点话题中与生物技术和工程有关的话题，基于证据运用生物学基本概念和原理，就生物技术与工程的安全与伦理问题表明自己的观点并展开讨论。“动物细胞培养和核移植技术（第一课时）”隶属的大概念是“通过细胞水平的操作，获得有用的生物体或其产品”，重要概念是“动物细胞工程包括细胞培养、核移植、细胞融合和干细胞的应用”，本节课的次位概念是“阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养是动物细胞工程的基础。”

1课堂实录

本节课开课教师授课过程大致如下：

引入：Nature杂志封面上关于戴一凡教授课题组利用基因敲除技术，在美国培育出基本不含“排斥基因”的第一代基因敲除猪——“万能”猪（图1）。2011年初，戴一凡教授将第二代基因敲除猪的几十管细胞远渡重洋，从美国“飘”到了南京。教师提出开放性问题：如果你是戴一凡团队的一员，对于这些细胞，你要做哪些工作？

教学过程：①探索动物细胞培养的条件;②尝试构建动物细胞培养流程图;③完善动物细胞培养流程图;④动物细胞培养技术的应用（“万能”猪的培育）。

小结：以戴一凡团队目前开展的工作为引，进行课堂小结。

延伸：布置课后拓展提升，提出“动物细胞培养技术的应用前景和现状”“核移植技术的应用前景”“器官短缺问题的其他解决措施”“异体器官移植的其他进展和存在的困难”等课题，要求每个小组选择一个课题，分工合作查阅资料，下节课进行汇报交流。

2课堂评析

2.1通过概念建构，形成生命观念

本节课在备课时确定的核心思路为：让学生结合动物细胞培养过程中呈现的各种数据和资料的分析，提出并完善动物细胞培养的工程学构想，以此主动建构“动物细胞培养”的概念。例如，教师展示培养瓶中细胞生长曲线图（图2），引导学生思考：在培养过程中若想获得大量的培养细胞，该如何操作？

学生在理解此概念的基础上形成结构与功能观、物质与能量观、进化与适应观、稳态与平衡观等生命观念;能够用生命观念解释动物细胞培养技术的基本原理，形成科学的自然观和世界观，并以此指导探究生命活动规律，增强学生解决实际问题的能力。

2.2基于实验事实的分析发展科学探究能力

本节课的课堂主體部分以动物细胞培养实验事实为依据，教师展示培养过程中示意图、实物图、数据变化曲线图等，引导学生进行观察、描述并提出问题。学生通过小组合作与交流，以头脑中已有的前概念为基础进行思维判断，尝试作出解释，促进对动物细胞培养这个概念的建立、理解和应用。例如，教师出示资料“有关研究表明，细胞必须与其他细胞或细胞外基质发生联系才能生存，否则细胞就会凋亡”，引导学生分析细胞在培养瓶中的生长特点，再辅以细胞生长的实物图（图3），让学生直观感受细胞贴壁生长的特点。

实验事实中蕴含丰富的科学思维、科学探究方法。教师引导学生分析实验事实，帮助学生深入思考科学家的思维过程，领悟科学家是如何发现问题、合理假设、演绎推理和得出结论的，体验科学家不断深化对问题认识的过程。整个学习过程发展了学生的科学探究能力。

2.3以进阶问题为驱动，发展科学思维能力

教学过程中，教师设置进阶问题串，有利于学生将已有经验和学习内容与新授知识进行有机是融合，有效地拉近新授知识与已有知识和经验的距离，为学生提供知识的生长点。

课堂上，教师以“动物细胞培养的基本流程是怎样的？”为核心问题，在每一阶段的实验事实和相关资料的呈现过程中，以学生已有知识和经验为基础，设置了系列问题。例如，体外培养哺乳动物细胞应该提供哪些条件呢？问题设置以学生已有的内环境知识为基础，体外培养细胞就是要模拟细胞体内生存状态，学生很容易联系并回答。但是，“无菌、无毒”对学生来讲有些陌生，于是教师提出进阶问题：如何满足细胞培养所需的无菌、无毒环境？再如，教师提供资料，并提出问题：研究发现动物组织细胞间隙含有弹性纤维蛋白、胶原纤维蛋白等物质，能将细胞网络在一起形成具有一定弹性和韧性的组织或器官。成块的组织中细胞与细胞靠在一起，彼此限制了细胞的生长和增殖。若使用组织或器官进行动物细胞培养，在培养前需对组织块怎样处理？可以采用哪种温和的方法？为什么这样操作？学生从资料中可以提取出“动物组织细胞间隙含有弹性纤维蛋白、胶原纤维蛋白等物质”这样的有效信息，根据必修1酶发挥催化作用的特性和条件，顺利解决这个问题。但细胞膜上也是有蛋白质的，于是有了进阶问题：如何弱化蛋白酶对细胞的影响？若想获得大量的培养细胞，该如何操作？贴壁的细胞怎么脱落呢？为什么要分瓶培养？材料常选用动物胚胎或幼龄动物的组织、器官，为什么？癌细胞体外培养时会发生接触抑制现象吗，为什么？这些进阶问题的创设有效助推了学生的学习进程，使学生积极主动地投入到学习活动中去，发展学生的科学思维能力。

2.4关注社会热点，增强社会责任感。

教学中，教师以戴一凡教授课题组利用基因敲除技术，在美国培育出基本不含“排斥基因”的第一代基因敲除猪“万能”猪，用以解决现今社会热点问题之一——器官移植为引入，充分激发学生学习兴趣和探知欲望。教师提出问题：如何将第二代基因敲除猪的细胞培养成许多的“万能”猪？从而对动物细胞培养技术的应用进行拓展，让学生理解动物细胞培养是动物细胞工程的基础。最后，学生查阅资料了解动物细胞培养技术的应用前景和现状、核移植技术的应用前景、器官短缺问题的其他解决措施、异体器官移植的其他进展和存在的困难等，引导学生关注社会重要议题，提升学生开展生物学实践活动的意愿和能力，理解生物科学技术对社会发展的作用，了解技术可能带来的多方面影。整节课以“万能猪”的研究和应用贯穿始终，切实增加学生的社会责任感。

3教学建议

当然，因课堂教学内容和时间的限制，就动物细胞培养技术及其应用的安全与伦理问题未充分开展讨论，只能作为课后延伸探讨。下节课，教师组织学生将查阅的资料和整理的信息形成小论文，进行交流，采用学生自评和互评、小组评和教师评相结合的方式，加深学生对动物细胞培养及其他动物细胞工程技术的理解，了解该领域最新研究进展及实际应用。

总之，整节课体现了以学生发展为中心的教学理念，提升了学生的生物学学科核心素养，为中学一线教师起到了引领与示范作用。