“植物组织培养原理与应用”结构化复习教学实践

史佳琴

（苏州高新区第一中学 江苏苏州 215011）

1 教材分析与设计思路

“植物组织培养原理与应用”是人教版《选择性必修3·生物技术与工程》第二章第一节的内容，是植物细胞工程的实际应用之一，也是植物体细胞杂交技术的基础。在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》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，学生已经掌握无菌操作、植物组织培养的条件与过程，因此教师可引导学生对已学内容进行深化和拓展。由于高三学生的时间有限，课前一周，教师组织学生到学校的生物组培实验室完成实验准备及基本操作；学生分组自主完成探究实验，以便于课堂上交流总结。

《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中指出，学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力是高考将考查的重点。知识结构化是把看似混乱、无序的信息按照一定的联系结构重新整合，用来更好地学习、思考、表达和解决问题的一种思维过程。基于陶行知的生活教育理念，下面以“植物组织培养原理与应用”的复习为例，教师用真实的情境展现问题，创设与本节课内容相关的问题解决的环境，在问题的引领下将教材内容进行划分，形成知识组块，引导学生主动探究。教师引导学生将重要的事实、概念、过程等联系起来形成良好的知识结构的同时，引领学生经历生物学知识产生的过程，帮助他们发现各知识点之间的内在联系，提升其遇到问题积极思考、探究、归纳分析的综合能力，内化成解决问题的技能，进而提高核心素养和思维能力。

2 教学目标

（1）通过资料分析，针对人类生产生活实际需求，说出植物组织培养技术的原理，以及与微型繁殖的联系，并能描述人工种子、脱毒苗的制备方法，解决实际困难。

（2）在植物细胞工程中基于问题运用生物学基本概念和原理，选取相应生物技术和方法，进行简单的实验设计和过程操作。

（3）能够根据植物组织培养技术的原理，联系诱变育种、单倍体育种、基因工程育种等技术，说出作物育种的新途径，增强认知建构能力和综合运用能力。

3 教学过程

3.1 情境设疑，导入新课

教师播放位于“九大仙草”之首的药用植物——铁皮石斛的视频，针对野生铁皮石斛的濒危之困，提出问题：如何实现铁皮石斛的大量快速繁殖以满足市场需求？学生想到利用植物组织培养技术进行微型繁殖，由此引出本节复习课的主题——植物组织培养技术。教师解释：工厂化生产铁皮石斛时，可以利用少量外植体材料，循环操作某些流程就可以实现大量微型繁殖。

设计意图：教师呈现生产、生活中遇到的实际难题，使学生在教学与生活生产中实际问题之间搭建起桥梁，创设真实情境激发学生联想，调动学生的思维。

3.2 合作实验，实验过程结构化

课前学生通过教师发放的实验任务单（表1），完成分组实验。课堂上，教师通过设置一系列问题串：①微型繁殖利用的植物组织培养技术的原理是什么？主要过程有哪些？②植物细胞表现出全能性的条件有哪些？③在展示的MS培养基配方中分别含哪些大量元素和微量元素？用蔗糖作为有机碳源的优势有哪些？④培养过程如何促进生根和长芽？⑤无菌操作流程对实验结果有什么影响？学生在带着问题回顾基础知识的同时，结合课前完成的分组实验，小组进行结果交流分享。

表1 学生分组实验及探究任务单

甲组学生展示、汇报：灭菌不彻底的培养基会长出霉菌等微生物，导致愈伤组织等难以正常生长。MS培养基中添加蔗糖，除了为植物提供更多的碳源和能源物质外，能更好地维持培养基中低渗环境，避免植物因细胞脱水而生长受影响。此外，通过与添加葡萄糖组对比，微生物生长最容易利用的是葡萄糖。乙组学生汇报不同浓度试剂的处理组合下外植体的诱导率和染菌率不同：外植体的诱导率最高而染菌率相对较低的是体积分数为70%的酒精溶液和质量分数为0.1%的氯化汞组合浓度，实验材料不同结果有差异。丙组学生汇报植物激素生长素与细胞分裂素在不同使用比例下的结果，分析不同种类的培养基主要区别在于激素的巧妙应用，并指出部分植物脱分化过程有光会导致不出现愈伤组织而生成维管组织，但工厂化生产铁皮石斛对愈伤组织的扩大培养可以不避光。师生总结：植物组织培养技术的过程因植物种类、提取部位、实验目的等不同而有差异，并非是一个僵化的过程。

设计意图：课前，学生利用实验任务单，完成组内合作探究，在实践中将植物组织培养的基本实验流程结构化。学生通过亲自实验，定时观察，如实记录，在合作实践与尝试中学习，完成对知识的梳理、重构，有助于保持旺盛的学习和探究热情。学生不仅能说出实验原理、流程等，对探索实验过程中遇到的问题进行分析归纳思考，在交流合作过程中还可以生成知识。这些经历可以提高他们分析问题能力和深入思考能力，培养实事求是的科学思维。

3.3 挖掘材料，在任务驱动下探究

教师展示野生铁皮石斛极为细小的种子图片，创设情境：这些种子在自然条件下很难正常萌发和保存。铁皮石斛含有多糖类、生物碱类、倍半萜类及挥发油类等多种药用成分。如何获得铁皮石斛的种子？如何利用所学知识在短时间获得铁皮石斛中大量重要生物活性物质？学生在学案上写出流程图。学生讨论后，得出：获得铁皮石斛种子的流程是取外植体→培养至愈伤组织阶段→胚状体、丛芽→人工种子；获得生物活性物质的流程是取外植体→培养至愈伤组织阶段→在液体培养基中悬浮震荡培养→提取多糖及生物碱。

植物愈伤组织经悬浮培养可得到有药用价值的细胞产物，但也出现了新的问题。教师接着呈现情境，引导学生思考：技术人员在对铁皮石斛的原球茎（简称PLBs，类似愈伤组织的高级阶段）进行悬浮培养时，发现细胞干重随蔗糖浓度和pH变化而下降。①愈伤组织细胞干重在后期下降的可能原因有哪些？②培养过程中，不断通入无菌空气并进行搅拌的好处是什么？学生分析后回答。

设计意图：教师充分挖掘材料，通过问题情境帮助学生联想到人工种子和细胞悬浮培养的技术，使学生理解植物组织培养技术已应用于社会生产的各个方面。同时，结合愈伤组织培养过程出现的问题，引导学生串联复习细胞培养中的知识点。

3.4 思维延展，用多种技术解决新问题

教师指出：铁皮石斛组培苗由于反复培养易受病毒的侵染，导致品质退化，通过脱毒技术可提高铁皮石斛的产量和品质。如何获得脱毒的铁皮石斛植株？学生联想到脱毒苗技术。教师展示不同热处理时间、茎尖长度等实验条件下对脱毒苗成活率和脱毒率的影响数据，学生总结对铁皮石斛的茎尖脱毒效果更好的实验条件。

教师介绍植物抗病毒机制的最新科研情况：2020年10月9日出版的杂志报道了中国科技大学赵忠团队的研究成果，找到了植物中普遍存在的干细胞免疫病毒的关键因子——WUSCHEL（WUS）蛋白，由WUS基因表达产生，易受病毒感染诱导，阐明了植物干细胞广谱抗病毒的机制。并引导学生思考：①铁皮石斛脱毒苗会感染病毒吗？②若想获得抗病毒铁皮石斛可用什么方法？其遗传学原理是什么？需要处理什么结构？学生分组讨论，提出：诱变育种和用转基因技术育种等，诱变后培育出的铁皮石斛不一定抗病毒，可以利用基因工程向植物导入抗病毒基因，定向改造生物。教师总结并继续延展学生思维：检测获得的转基因铁皮石斛植株是否具有抗病毒的特性，往往需要进行个体生物学水平鉴定。教师引导学生思考简单的实验思路。

设计意图：教师在日常教学中带领学生在联系知识的同时，也注重多级开放，关注科研进展。将铁皮石斛面临的问题逐步呈现在学生面前，激活知识之间的联系，以强有力的情境引导学生提取和迁移知识，转化成解决实际问题的技能。学生在应用过程中感受到科学带来的福祉，更能激发学习的动力与热情。

3.5 构建结构化知识框架，引导深度学习

教师呈现资料：铁皮石斛的不同部位都可以食用，发挥的功效也不同，市场上存在的石斛产品，多数是对铁皮石斛不同部位进行粗加工和深加工得到的，如石斛鲜条、石斛粉等。教师提出问题：①从铁皮石斛上取下的不同部位，经植物组织培养后，得到的基因型都和亲本一致吗？②花药离体培养得到的是什么植株？有什么特点？③哪些措施能够获得稳定遗传的植株？学生讨论后总结：通过改变外植体，如提供花粉、杂种细胞、转基因细胞等，就可以利用植物组织培养得到不同的产品；利用物理或者化学方法处理愈伤组织，有希望得到突变体，这为作物育种提供新的思路。教师结合以上问题，请学生构建围绕植物组织培养的知识框架，同时借助希沃教师助手展示学生写的结果，通过学生自评、互评后完善流程图，具体如图1所示。

图1 植物组织培养的知识框架

设计意图：植物组织培养除了应用于微型繁殖、作物脱毒、人工种子等，还可以结合其他育种技术。深度学习理论认为，学生要在深入理解的基础上，将知识迁移到不同新情境下以解决问题。在“解决野生铁皮石斛濒危之困”的背景下，运用整体联系的观点将相关的现代生物技术综合起来思考，能够点燃学生的思维火花，激发探究欲望，培养高阶思维。这样既锻炼了学生在生产实践中的认知建构能力，又促进学生对知识的迁移，使学生真正体会知识技术背后的应用价值，有助于提升解决实际问题的能力，同时磨练科学思维，增强社会责任意识。

4 教学反思

4.1 知识结构化，为思维而教

美国著名心理学家布鲁纳指出：“获得知识，如果没有完整的知识结构把它们联系在一起，那是多半被遗忘的知识。”教师要用促进提取和应用的方式组织知识，帮助学生将碎片化知识检索出来。本节课上，教师从探索实验开始，把问题分解后以任务单的形式布置给学生完成实验，在实践与试错中学习，重视动手实践与合作能力，确保学生有充分的机会去探索感兴趣的问题。再以问题串引领他们探讨构建实验部分单元知识。学生在问题的引导下通过检索知识来解决实际应用中的难题，再以专家的视角，将不同的教学内容进行串联，分类归纳形成知识主题，将内容结构化。教师重视学生的思维过程，让学生与同学、与教师、与自我对话，逐渐养成像科学家那样使用小问题分析能力和惯性思维进行思考和问题解决的习惯，在实践中逐层提高思维结构，改善思维品质。

4.2 问题情境引领，以能力为重

学生的学习过程是接受和使用信息的过程。教师注重知识实际应用，可以增强学生的学习动机。本节课中，教师以真实问题“如何解决野生铁皮石斛濒危之困”作为科学思维、科学探究的主线，提供一系列情境资料，引导学生在问题导向下思考、任务驱动下探究，并按照“问题情境—问题解决—知识延展—知识深化"几个环节展开教学过程。面对多角度开发铁皮石斛产品中遇到的问题，教师设计递进式问题将植物组织培养技术条件、人工种子、脱毒苗等生物技术紧密结合，自然融入多种育种方式，将知识放在一个整体框架中，层层展开，环环相扣。学生从对知识的记忆学习转化为运用概念、原理等解决实际问题的能力，实现了问题引领、能力为重、素质为基、问题解决的课堂。

4.3 实验探究，考虑学生未来生活需要

植物组织培养技术的专业实践性强，应用广泛，让学生参与实践，可为进一步学习和职业规划奠定基础。在生物学教学中，教师要考虑学生未来的生活需要，引导其将来将学到的技能应用于实践。本节课基于真实问题的研究，创设条件为学生提供实践机会，设置了探究空间，放手让学生在体验与试错中学习，培养动手实践能力，提高合作意识，产生思维碰撞，确保学生有充分的机会去探索感兴趣的问题，实现学生的学习与生产实践操作的紧密联系，使学生在体验中实现知识的迁移、知识的创造和智造。教师注重将学生培养成心系社会，善解难题，服务社会的人，协调发展其生命观念、科学思维、科学探究和社会责任，使其具备适应社会发展需要的必备品格和综合能力。