基于学科能力培养的“细胞的分化”一节教学设计

吴海睿

（华中师范大学第一附属中学朝阳学校 北京 100025）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出生物学核心素养，包涵生命观念、科学思维、科学探究和社会责任4 个维度。要有效地提高学生的生物学科核心素养，最核心的任务之一就是培养和发展学生的生物学科能力［1］。生物学科能力体系可分为学习理解、应用实践及迁移创新3 层。

在“细胞的分化”一节的教学中，采用5E 教学模式，即参与（engagement）、探究（exploration）、解释（explanation）、拓展（elaboration）及评价（evaluation）5 个阶段。探究阶段：通过阅读资料，培养学生的归纳概括能力（学习理解）；解释阶段：通过分析图表和讨论，培养学生的简单推理和科学解释的能力（应用实践）；拓展和评价阶段：通过联系生活实践，培养学生的复杂推理和解释能力（迁移创新）。通过5E 的教学设计，让学生主动进行核心概念——“细胞的分化”的构建，培养学生的生物学科能力（图1）。

图1 教学环节

1 教材及学情分析

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对本部分内容的要求是：细胞会经历生长、增殖、分化、衰老和死亡等生命历程，说明在个体发育过程中，细胞在形态、结构和功能方面发生特异性的分化，形成了复杂的多细胞生物体［2］。本节课是人教版（2019）生物学必修1 第6 章第2 节的内容。教学内容是细胞分化的概念内涵和细胞全能性，在细胞增殖的基础上，分析科学素材，让学生认识在机体精细的调控下，细胞分化是基因在时间和空间上选择性表达的结果，揭示细胞分化的原因、结果、特点、意义等。

本节是高二学生的新授课,属于细胞的生命历程中第2 节,前一节学生学习了细胞增殖；本节课,学生在小组活动中分析图表,归纳概括,推理并科学解释问题,理解细胞分化的概念内涵。

2 教学目标

1）分析图表，探究细胞分化的原因、理解细胞分化的结果、特点及在生物个体发育中的意义，诠释细胞具有全能性的原因。

2）阅读生物学资料获取关键信息，分析图表，推理论证,科学的解释问题,从而构建新知，发展学生理性思维。

3）形成结构与功能相适应的生命观念。

4）关注干细胞治疗在实际生活的运用。

3 教学重、难点

1）重点：细胞分化的概念内涵。

2）难点：细胞分化的原因。

4 教学过程

4.1 聚焦细胞变化，提出猜想（参与engagement） 生物个体发育起源于受精卵，逐渐形成独一无二的个体，且体内的细胞也变得多样。在个体发育中，各种组织细胞在形态、结构、功能上产生了差异。生命活动的主要承担者是蛋白质，蛋白质由遗传物质即基因表达产生。学生疑问：这些不同细胞的遗传信息是否有变化？并提出了不同的观点。

4.2 时空维度，诠释细胞分化的原因（探究与解释exploration and elaboration）

4.2.1 基因在特定空间下的选择性表达

教师向学生出示资料1：红细胞、肌细胞和胰岛B 细胞中基因和蛋白质的存在情况（表1）。

表1 红细胞、肌细胞、胰岛B 细胞中含有的基因和蛋白质

观察表1，学生获取信息:在红细胞、肌细胞和胰岛B 细胞这3 种细胞中都含有血红蛋白基因、肌动蛋白基因、胰岛素基因，但却分别选择性表达血红蛋白、肌动蛋白、胰岛素。学生比较未成熟的红细胞和胰岛B 细胞，在这2 类细胞中细胞呼吸酶基因和核糖体相关酶的基因在所有细胞均表达，但血红蛋白基因和胰岛素基因，在红细胞和胰岛B 细胞中选择性表达。

在教师启发下，学生归纳概括：在特定的空间里，细胞有选择地启动某些基因并合成其他类型的细胞所不具备的蛋白质，这是构成该种特定细胞的结构、产物及功能的基础。

4.2.2 基因在特定时间下的选择性表达

学生阅读资料2：血红蛋白（Hb）是红细胞中的一种蛋白质,其主要生理功能是负责体内氧的运输。控制人的血红蛋白基因分别位于人的第11 号、第16 号染色体上，在不同的发育时期至少有α、β、γ、ε 等基因为之编码。人的血红蛋白由4 条肽链组成（图2），在人的不同发育时期，血红蛋白分子组成不同。最常见的成人血红蛋白HbA，由2 个β 亚基和2 个β 亚基构成（α2β2），这是成人血红蛋白的主要形式（图3）。

图2 血红蛋白［3］

图3 各时期的血红蛋白分子组成［4］

学生阅读学案，思考问题1：在个体发育的胚胎期、胎儿期、成体期血红蛋白分子分别是什么？学生分析图像：胚胎期血红蛋白的分子构成是α2ε2；胎儿期是α2γ2；成体期是α2β2。

在个体发育过程中，各种血红蛋白基因表达量有动态变化，教师出示图4，并提出问题2：α、β、γ、ε 这4 种基因主要在哪些时期表达？

图4 个体发育过程中各种血红蛋白表达量占总表达量百分比［5］

学生观察图4并推理解释：基因α 在整个发育时期都表达，基因β 主要在成体时期表达，基因γ 主要在胎儿时期表达，基因ε 只在胚胎时期表达。教师播放幻灯片与学生共同分析：在胚胎早期，α-珠蛋白逐渐开启后终生表达，ε-珠蛋白也开启，形成血红蛋白α2ε2。怀孕后6 周左右，ε-珠蛋白基因表达被逐渐关闭，γ-珠蛋白基因表达开启，此时的胎儿血红蛋白（HbF）由2 个α 亚基和2 个γ 亚基（α2γ2）组成，主要在胎儿的肝脏和脾脏中合成［6］。从怀孕后12 周至胎儿出生这段时间，HbF 是胎儿红细胞中最主要的血红蛋白。第2 次基因表达切换发生在出生后：γ-珠蛋白基因表达被逐渐关闭，β-珠蛋白基因开始表达。成人血红蛋白由2 个α 亚基和2 个β 亚基组成（α2β2），主要在骨髓中合成（图5）。

图5 个体发育过程中各种血红蛋白表达时期［7］

人的β-珠蛋白基因簇随着个体发育进程，依次表达ε-珠蛋白、γ-珠蛋白及β-珠蛋白，该珠蛋白基因表达转换过程受到严格的时空特异性调控，是一个复杂精细的真核基因表达调控事件［8］。教师提出问题3：为什么这些基因会选择性的开启和关闭？在学生的追问下，教师出示资料3：氧合血红蛋白解离曲线（图6），学生讨论母亲子宫内的胎儿如何获取氧？

图6 氧合血红蛋白解离曲线［9］

学生推理并解释：胎儿血红蛋白（HbF）对氧分子结合力强于成体血红蛋白（HbA）。胎儿使用HbF，因为子宫内无法得到像肺那样充沛的氧供应，只有加大亲和度尽量从母体获取氧；出生后氧的供给很充沛，这时换用成体血红蛋白,能更好地适应环境。这也体现了结构和功能相适应的生命观念。

结合资料1 和2，学生归纳概括细胞分化的原因：基因在特定时间和空间的选择性表达。细胞的分化由什么调控？

4.3 分析细胞分化调控，理解细胞全能性（拓展elaboration）

出示资料4：由于成年期β-珠蛋白基因编码结构的突变或表达量的减少，导致的β-血红蛋白病是世界上最大的单基因遗传病，而在成年期开启胎儿期表达的γ-珠蛋白基因，可治疗β-血红蛋白病［10］。目前已发现多个参与γ-珠蛋白基因调控的特异性转录因子。这些转录因子可结合到珠蛋白基因启动子区域的特定序列上，招募相应的具有激活或阻遏作用的辅助因子,通过染色质重塑过程，实现对γ-珠蛋白基因表达的精细调控（表2）［5］。

表2 参与γ-珠蛋白表达调控的主要转录因子［5］

教师提问：参与γ-珠蛋白表达调控的主要转录因子对γ-珠蛋白的表达有哪些作用?通过分析表2，学生解释转录因子激活或抑制γ-珠蛋白表达并分别举例。细胞分化与基因表达调控形成一个系统，有诸多要素参与此控制系统，在精细的调控下，细胞分化有序进行。

在细胞分化的过程中，遗传物质却没有变化。教师用1958年斯图尔德的植物组织培养实验和多利羊实验，启发学生理解全能性。最后用翟中和院士在《生命科学和生物技术》一书中的定义阐释细胞全能性。

4.4 干细胞实例分析并互评（评价evaluation）细胞分化在生活中有哪些应用？教师播放脐带血干细胞视频，学生用本节课的知识解释并评价，评价标准（10 分）如表3。

表3 学生学习情况评价标准表

5 教学反思

5.1 提供素材，学生自主构建概念 学生从已有知识产生认知冲突，猜想细胞分化的原因。教师提供3 种不同细胞的例子，让学生分析细胞分化的原因，进一步解读氧离曲线，结合γ-珠蛋白表达调控的主要转录因子的材料，解释细胞分化与基因表达调控是一个复杂和精细的系统，促进学生自主构建细胞分化的概念。

5.2 分析图表,训练学生推理和科学解释能力教师利用个体发育过程中血红蛋白基因的表达图及氧离曲线等训练学生的推理能力。学生科学解释子宫内无法得到像肺那样充沛的氧供应，只有加大亲和程度从母体获取氧，从而使胎儿更好地适应环境，形成结构与功能相适应的生命观念。

致谢：在本文撰写过程中，得到了北京市朝阳区教研中心白建秀老师的悉心指点，在此表示衷心感谢。