基于学情和实验建构生物学概念的教学设计

孟祥成 陈维 王立平

摘要 以“植物组织培养技术”为例，基于学情和实验操作建构生物学概念，培养学生知识迁移运用能力、提高学生实验操作能力、提升学生生物学学科核心素养。

关键词  植物组织培养实验建构生物学概念

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

1 教材分析

本节“植物组织培养技术”选自2019年人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》第二章第一节“植物细胞工程”。开篇以兰花自然繁殖存在问题，寻求解决方法的情境导入，引出植物组织培养技术。教材内容排布为植物组织培养技术的原理、概念、过程及探究实践“菊花的组培实验”，本节课的内容是植物细胞工程的基础技术，为后面将学习的植物体细胞杂交技术、作物新品种培育、植物基因工程应用等内容做好铺设。

2 学情分析

《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》第一章“微生物的基本培养技术”中，学生已经掌握了培养基的配制和无菌操作技术。初步知道了人为培养生物的方法和过程，具备一定的实验操作能力、科学探究能力和生命观念的意识。在2019年人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》第六章第二节“细胞的全能性”的思考·讨论栏目中为了便于学生理解细胞全能性的内涵，也提及到“胡萝卜经组织培养产生完整植株的过程，因此基于学情，教师可以变传统讲授生物学概念为实验建构“植物组织培养技术”这一生物学概念，满足学生发展需要、兴趣爱好并激发学生学习动力。

3  教学目标

（1）通过植物组织培养技术（以下简称组培技术）实例分析，概述组培技术原理、植物细胞全能性的定义、原因、表现条件，树立结构与功能观。

（2）基于科学史资料阅读，了解细胞工程发展概况、现状、未来发展趋势和生产实践的应用，提升阅读理解、信息获取、归纳概括等科学思维，培养科学精神和科研态度。

（3）通过参与“菊花组织培养实验”，基于学情和亲身实践建构“植物组织培养技术”生物学概念，提升实验技能、培养团队合作精神、增强社会责任感。

4 教学过程

4.1课前准备

由生物兴趣小组进行文献查阅和实验准备。具体包括：查阅文献了解不同植物激素使用量对菊花组培技术的影响，确定学生分组实验时激素的配比，配制一部分培养基并灭菌以备使用。教师购置MS基础培养基、菊花无菌苗、口罩、鞋套等，提前对实验服、实验器具、超净工作台、实验室等进行消毒和灭菌。

4.2情境导入——基于学情初构概念

教师播放品种多样形态各异的开封菊花展图片，告知学生这么多千姿百态、颜色不一的菊花可以通过营养繁殖与种子繁殖。设问：利用什么方法能实现用料少、成苗量大、快速获得大量品色各异的菊花呢？图片引起学生兴趣，直入正题“植物组织培养技术”。以问题串形式回顾：①组培技术的原理是什么？利用文字和箭头描述实验过程？②什么是植物细胞的全能性？③植物细胞都具有细胞全能性吗？都能体现全能性吗？④体现全能性的条件是什么⑤遗传物质的本质和作用是什么？基于已有的知识让学生将其中因果关系梳理清晰：植物体中的细胞因为具有本物种全部遗传物质，其具有控制代谢、发育、性状等功能，细胞就拥有发育成完整个体的潜力，但由于细胞处于特定时间和空间内，基因选择性表达的限定，它不能表现全能性，所以想更好表现全能性必须选取幼嫩组织脱离机体，给予适应条件，这是植物组织培养技术概念的基础，如图1所示：

4.3教材阅读——基于史料广构概念

教材是教师和学生学习的依据，是《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称为《课程标准》）的代表资料，具有权威性、主导性和基础性。学生翻阅教材，阅读细胞工程的发展历程，了解细胞工程发展概況、快速归纳概括植物组织培养技术发展趋势、列举身边了解的组培技术实例、教师展示本市农科所科研成果图片--千娇百媚的百合花新品种，邀请兴趣小组同学谈谈参观农科院的感想，同学们认识到科学的进步离不开科研技术，知道他们从事实出发利用现有技术手段解决问题并再发现新问题，不断推动技术发展和科学发展，他们还有着求实、创新、团结、坚毅等科研精神，拓展了植物组织培养技术的概念，如图2所示：

4.4亲身操作——基于实验全构概念

菊花组织培养实验是选修教材中内容，部分中学学校是可实施的，实验目标具有普遍性、实践性和技术性。综合考虑学生人数、课时时间、健康安全等问题，课程以学习小组为单位，理论知识回顾后由组长统筹安排组员开展实验。实验分为三部分：课上同步完成“配制培养基和灭菌”、“接种外植体”、课后完成“培养观察”。

4.4.1配制培养基和灭菌

此步骤在“微生物的基本培养技术”中已学，组长主要巡视、引导、协调、指导学生如何配制培养基，还要精心梳理高压蒸汽灭菌锅使用方法和注意事项；鼓励学生迁移运用。为了节约时间，小组部分成员直接称量购买的MS培养粉（含有合适配比的营养物质，每组配置约10瓶，每瓶约30ml），使用微波炉溶化，按照记录单添加植物激素（每组添加的细胞分裂素与生长素配比不同），调节pH 约为5.8后分装至培养瓶，瓶体需要标记区分组别，按照高压蒸汽灭菌锅使用方法进行灭菌，以备下组学生实验使用。

问题思考：①培养基的成分有什么？②制备培养基的流程？③与微生物培养基成分进行对比？

教师提示学生配置培养基时可在普通实验室操作，不是绝对的无菌环境，培养基和接种工具的合格性灭菌是实验的成功关键，注意关注灭菌细节：是否对称螺旋密封？是否冷空气排放彻底？是否灭菌彻底（取决于物品量、保温时间等）？取出培养基后是否直接送至无菌区？

4.4.2接种外植体

消毒试剂升汞国家已经严令禁止学校使用，学生初实验，为了考虑安全问题和实验效果问题，本次实验减去外植体消毒过程直接接种无菌外植体。组长娴熟地演示无菌操作过程：70%酒精擦拭台面和实验者双手、点燃酒精灯并灼烧接种用具、无菌区剪取合适大小幼嫩组织、以合适的方向插入培养瓶中等等，每组其余成员在超净工作台中酒精灯火焰旁无菌区域获取外植体，进行无菌操作接种到课前由组长已经灭好菌的培养基中，并在瓶体标记时间和人员。每组两部分同学操作完成后再交换操作，顺利高效完成实验过程。

问题思考：①外植体选取条件？②接种过程中具体有哪些无菌操作环节？

教师提示学生实验操作的速度、熟练度和空气流动会影响污染率，重点提高防火安全意识及危险隐患处理等。

4.4.3培养观察

细胞全能性体现的条件也是植物组织培养的条件，将接种好的培养瓶放于恒温光照培养箱中，温度调至25℃，无光照培养（也可直接在无菌培养室培养）。观察记录培养情况：是否污染、是否分裂、记录其大小，颜色等指标。由于培养需要时间，实验还待继续，则其余培养过程可以转至问题形式。

问题思考：①完善植物组织培养技术流程图？观察到什么样形态，被认为是形成愈伤组织？②通过什么操作过程实现脱分化和再分化？③如何操作使试管苗适应外界环境，移栽成功？

学生通过人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》的简单学习以及本节课的亲身实践，已经能够深刻感悟到植物组织培养技术过程的内涵，这样形成了植物组织培养技术概念的核心主干，如图3所示：

4.5组间对比——基于对照再构概念

实验结果受多方面因素影响，除了内因植物种类、器官类型、年龄和新鲜度，还与外界的温度、 pH、光、植物激素使用量、使用比例和使用顺序等有关。

实验准备阶段组长通过查阅文献，已经初步设定了脱分化过程不同组间植物激素的配比（即：生长素大于細胞分裂素、生长素等于细胞分裂素、生长素小于细胞分裂素），实验设计遵循了对照原则、平行重复原则等科学原则，此实验结果中大部分组别能很好的验证植物激素不同配比可以影响脱分化效果，有的组由于污染率和成活率问题不能得出实验结论，学生的科研精神得到培养，也体会到了实验的偶然性、重复性和科研艰辛。为了使实验完整和学会迁移运用，教师播放自己录制的“利用植物组织培养技术培养百合幼苗视频”。

问题思考：①使用植物激素在哪些方面影响植物生长发育？②反思降低实验污染率的具体措施有什么？

动手操作配置培养基、灭菌培养基、获取外植体、接种外植体等环节极大激励了学生的学习动力，真实实验视频、熟悉的实验场景，让学生有信心继续试验，继续探究，在科研的道路上越走越远，进一步完善了植物组织培养技术的概念，如图4所示：

4.6联系实践——规划将来职业生涯

《课程标准》学科素养的“社会责任”中提及“应用生物学知识解决生产生活问题”，“学业要求”充分认识生物技术和工程的原理和过程，帮助学生达成学习目标，落实学科核心素养，同时帮助学生更好的生活、就业，以及满足部分学生选择从事科学研究的需要。教师提示对“植物组织培养技术”感兴趣的同学可以填报农林、园艺、生物技术等专业继续深造，将来可以从事的工作有苗木生产、花卉生产、蔬菜生产和植物新品种的繁育等，还能提供大学生自主创业的能力和机会，提升社会责任感。

5 教学反思

本节课尝试基于学情和实验操作建构生物学概念“植物组织培养技术”，倡导学生成为课堂的主人，体会实验的快乐，体验学习的成就感。教师扮演助学者，适时将学习过程的不完整续写完整，将基础知识拓展延伸，紧凑而高效的课堂使学生掌握了技术原理、过程，同时达成发展学生生物学学科核心素养、促进学生个性发展、助于学生满足社会需求的生物课程任务。