利用模式生物进行“一境到底”的教学设计

摘 要：本文根据模式动物果蝇的相关研究成果创设情境，以“一境到底”的方式将科研成果贯穿于“细胞的衰老与死亡”一节的教学过程中。本文采用概念教学的方式，从宏观现象过渡至微观特征，最后探究分子机理，层层递进、深度学习，旨在引导学生主动构建知识概念，贯彻学科课程标准的要求，从而培养学生的生命观念、科学思维和社会责任，从而发展生物学学科核心素养。

关键词：细胞衰老；细胞死亡；核心素养；一境到底

文章编号：1003-7586（2024）07-0012-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

“细胞的衰老与死亡”是人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称“教材”）第6章第3节的内容，根据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）要求，学生应掌握“描述在正常情况下，细胞的衰老和死亡是自然的生理过程”这一次位概念。学习细胞衰老过程中的形态、结构及功能的变化是促进学生形成次位概念，深化结构与功能观的基础。［1］“细胞的衰老与死亡”一节的教学存在一些有待优化的细节，一方面，学生对细胞衰老的微观特征缺乏认知和理解；另一方面，教学内容和情境过于碎片化、片面化。［2］［3］

基于此，本教学设计以模式动物果蝇的研究科学史和最新的科研成果创设情境，在微观层面加深学生对细胞衰老的认知。通过维生素E对果蝇衰老的影响［4］，引出关于细胞衰老（自由基学说）的学习内容，再以老龄和幼龄果蝇肠道干细胞分裂分化的情况差异为例，解释细胞衰老与个体衰老的关系。最后以老龄化果蝇飞行肌细胞凋亡标志物Caspase-3显著上升为例［5］，开展细胞凋亡的学习，并阐述细胞凋亡对个体发育、稳态维持的重要意义。

1 教材分析及教学思路

1.1 教材分析

《课程标准》要求学生掌握“在正常情况下，细胞衰老和死亡是一种正常的生理过程”这一次位概念。教材在“细胞的衰老与死亡”一节中新增关于细胞自噬的内容。下文分别从知识价值、思维价值、育人价值的三重逻辑对本节教学进行分析。

1.1.1 知识价值

学生此前已深入理解细胞分裂和分化的相关知识。在此基础上，本节介绍了细胞衰老的特征和原因、细胞衰老与个体衰老的关系，以及细胞死亡的几种方式。学生通过本节的学习，进一步完善了对细胞生命历程的认识，从而建立起相应的知识体系。

1.1.2 思维价值

教材内容的安排遵循生命周期的基本规律，不仅符合学生的逻辑认知，还以图文结合的方式展示细胞衰老涉及细胞形态和结构的改变，加深学生的直观理解。学生先系统地学习细胞的形态和结构，再深入探究细胞代谢的变化过程，进一步探究细胞衰老的机理。由此，教师基于事实和证据，培养学生归纳与概括的科学思维能力。

1.1.3 育人价值

细胞衰老是生命科学领域的热点研究，其过程机制的研究对人类健康和社会发展至关重要，反映了生物学知识在社会发展中承担的责任。在学习该研究的过程中，学生要深入理解科学技术进步与社会发展的密切联系，从而增强社会责任意识。

本节内容紧密联系实际生活，但对于较为抽象、易混淆的概念，以及细胞衰老过程中细胞形态、结构与功能产生变化等微观现象，需要教师在教学过程中深入挖掘素材，适当补充，帮助学生克服难以理解的知识点。

1.2 教学思路

本教学设计以模式动物果蝇的相关材料创设“一境到底”的教学情境，将果蝇的研究科学史和最新的科研成果引入课堂，通过概念教学的方式推进教学进程。

对于“细胞的衰老”的教学部分，首先，教师引导学生观察果蝇肠上皮细胞衰老变化的电镜图，归纳细胞衰老的特征，加深微观层面的认知。接着，教师引导学生探究细胞衰老的本质原因，领悟其机制，通过维生素E对果蝇抗衰老的影响，深入理解细胞衰老的本质。最后由教师制造认知冲突，帮助学生厘清个体衰老与细胞衰老的关系，学生小组合作，主动思考并辨析不同观点。

在“细胞的死亡”的教学部分，教师以老龄化果蝇飞行肌细胞的凋亡标志物Caspase-3显著上升为例，引导学生学习细胞凋亡，并体会其对个体发育和稳态维持的重要意义，依托学科前沿构建概念。教师列举细胞坏死相关实例，引导学生辨别并归纳总结细胞凋亡与细胞坏死的差异，深化和应用概念，从而构建完整的知识结构。

2 教学目标

（1）通过对果蝇肠上皮细胞衰老变化电镜图的观察，识图并分析推理，描述细胞衰老的特征，提高归纳与概括的能力。

（2）通过了解维生素E对果蝇抗衰老的影响，描述细胞衰老原因，说出导致细胞衰老的主要因素。

（3）分析果蝇衰老图谱，辩证地说明细胞衰老与个体衰老的关系，形成批判性思维。

（4）阐明细胞凋亡与细胞坏死的区别，概述凋亡对个体发育和稳态维持的重要意义。

（5）了解细胞衰老和凋亡的研究进展，探讨细胞衰老和死亡与人体健康的关系，关注老年人的健康，增强社会责任意识。

3 教学过程

教学过程分为“细胞衰老”和“细胞死亡”两大部分，借助“老龄化果蝇细胞中凋亡标志物Caspase-3显著上升”的实例衔接二者，帮助学生对细胞的生命历程形成更清晰的认识。

3.1 细胞的衰老

3.1.1 创设宏观情境，补充背景

教师首先播放视频，展示果蝇的生长过程，引导学生初步感知个体衰老的现象，再展示资料一让学生认识到果蝇作为模式动物，是研究人类及其他生物衰老的分子和遗传基础的重要资源。接着教师引领学生回顾，细胞是生命系统结构和功能的基本单位。最后提出问题引发学生思考：宏观上果蝇个体出现衰老的同时，微观上细胞产生什么变化？

资料一：大约75%的人类疾病相关基因在果蝇中具有功能同系物。在果蝇研究中也观察到许多与人类相似的年龄相关功能变化，包括运动活动、学习和记忆、心脏功能和生育能力的下降。［6］［7］

设计意图：利用模式生物果蝇创设情境，激发学生的学习兴趣；了解果蝇作为模式生物的优势，为后期学习摩尔根的果蝇杂交实验做铺垫；宏观层面了解个体衰老的特征，并过渡到微观层面的深入学习。

3.1.2 观察微观结构，感知特征

教师展示科研人员研究维生素E对果蝇肠上皮细胞衰老影响的成果，通过观察对照组（普通饲料）和实验组（饲料中加入维生素E）的果蝇肠上皮细胞在不同日龄下微观变化［4］，引导学生对比对照组和实验组果蝇肠上皮细胞的衰老变化差异，重点关注脂褐素、颗粒内质网、线粒体、细胞核发生的变化，最后归纳总结得出细胞衰老的特征及维生素E的作用。

在教师引导下，学生通过对比分析发现，对照组10日龄果蝇的细胞质内出现与线粒体大小相似的小体，含有较多黑色致密颗粒，为脂褐素颗粒。随着日龄增加，细胞质内开始出现空泡，颗粒内质网减少，细胞核轮廓改变，异染色质增多且颜色变深；10～30日龄时，脂褐素颗粒增多；40～50日龄时，出现大团脂褐素；50日龄时，线粒体空泡化明显。实验组中，10日龄的果蝇肠上皮细胞与对照组无明显差异，但初步可见颗粒内质网较多，黑色致密颗粒较少，细胞核内异染色质较少，颜色较浅。对照组20～50日龄的果蝇衰老变化程度较为明显，细胞质内出现的空泡化较多，细胞质更为稀疏，脂褐素数量比实验组多，并且颗粒更大。

教师带领学生分析后，学生归纳细胞衰老的特征，随后教师引导学生分析实验组果蝇细胞衰老变化并不明显的结论，其具体表现在脂褐素积累减缓、线粒体空泡化减少等方面。教师补充展示两组果蝇寿命的数据（见表1），引导学生分析得出结论：维生素E能够延缓果蝇的衰老。教师进一步提出问题：细胞衰老的机制是什么？维生素E为何能延缓细胞衰老？

设计意图：教师从宏观到微观，通过实验探究帮助学生建立起细胞衰老的认知，深化结构与功能观，符合学生的认知发展规律，避免知识的机械灌输。通过阅读分析图表的方式提高学生的信息获取能力，在构建概念的过程中培养学生的归纳与概括能力，发展科学思维。

3.1.3 探究本质原因，领悟机制

教师继续补充资料二，关于维生素E清除自由基的作用和机制，进而引出细胞衰老的假说之一“自由基学说”。然后教师引导学生阅读教材，了解“自由基学说”相关内容，并回答“什么是自由基？自由基是如何产生的？自由基如何导致细胞衰老？”从而完成概念图的填写（见图1），加深学生对“自由基学说”的理解。最后引出细胞衰老的另一种假说“端粒学说”，完善对细胞衰老机制的认知。

资料二：线粒体膜上的维生素E能够清除该部位电子传递体系产生的过氧自由基，减少自由基的数量。

设计意图：教师从细胞衰老的现象逐步深入到对其机制的教学。学生通过阅读资料二，主动学习自由基学说相关知识，构建概念图，发展科学思维。学生自主合作学习端粒学说并进行归纳总结，形成完整的知识体系。

3.1.4 制造认知冲突，厘清关系

教师提供以下观点：①细胞的衰老就是个体的衰老；②衰老的生物体内细胞都处于衰老状态；③年幼生物体内没有衰老细胞。然后通过小组合作对上述观点进行辨析和讨论，最后得出结论：总体上看，个体衰老的过程也是组成个体的细胞普遍衰老的过程，属于生物体内正常生命过程，有利于机体更好地实现自我更新。教师结合教材中“与社会的联系”，引导学生培养对老人的关爱并关注老龄化问题，实现知识的迁移应用和社会责任意识的培养。

设计意图：教师提供数据及背景知识，引导学生主动思考并辨析观点，调动学生学习的主观能动性。学生建立知识网络，能够辩证地看待细胞衰老与个体衰老的关系。教师通过对社会老龄化问题的探讨，引导学生关注和了解社会现状，培养学生的社会责任意识。

3.2细胞的死亡

3.2.1 依托学科前沿，构建概念

教师补充资料，说明老龄果蝇飞行肌细胞中Caspase-3的表达显著增加。Caspase-3是细胞凋亡的重要标志物。通过阅读资料四，学生理解果蝇老龄过程中肌肉细胞凋亡的机制。教师需同时补充相关知识，并讲解教材中人体胚胎发育过程中手的形成及蝌蚪尾部的消失等细胞凋亡的实例，加深学生对细胞凋亡的理解，引导学生建立细胞凋亡的概念——细胞凋亡是由基因所决定的细胞自动结束生命的过程，明确细胞凋亡是一种自然的生理过程。

资料三：分析5日龄和50日龄果蝇Caspase-3平均荧光强度（利用带有荧光标记的Caspase-3抗体即可检测出活化的Caspase-3）发现，50日龄果蝇飞行肌细胞凋亡标志物Caspase-3显著增加。

资料四：Caspases是一组存在于细胞质中结构类似的蛋白酶，分为起始者和执行者两类。Caspase-3是凋亡的执行者，是没有活性的酶原，起始者通过对其进行切割后形成具有活性的Caspase-3，进而切割细胞内重要的结构蛋白和功能蛋白。

设计意图：教师创设科研情境，引导学生分析现象背后的机理，归纳得出细胞凋亡的概念，同时理解细胞凋亡的机制与对机体的意义。

3.2.2 多重比较，深化和应用概念

教师列举细胞坏死的实例，引导学生辨别其是否属于细胞凋亡，并列表总结细胞凋亡与细胞坏死的区别，深化学生对细胞凋亡概念的理解。最后学生阅读教材中细胞自噬的相关内容，分析其诱导因素和生物学意义，从而形成完整的知识体系。

设计意图：通过实例辨析的方式，学生对细胞凋亡产生更清晰的认识，同时认识细胞坏死与细胞凋亡的区别。此外，通过自主学习的方式将细胞自噬的知识内化，从而建立起完善的知识结构。

4 教学反思

本教学设计利用模式动物果蝇的研究成果贯穿课堂教学，不断创设科研情境，由学生分析研究结果并体会科研的意义，避免教学素材的碎片化。教学从宏观现象深入到微观特征和机理，教师展示必要的实验数据及实验图片，避免机械灌输知识，以直观、科学的方式让学生体会到微观上细胞衰老的特征。最后，本教学设计强调由教师提供素材，学生主动构建概念，在分析问题、解决问题的过程中发展归纳总结、逻辑推理等科学思维。

简言之，本教学设计利用模式动物进行“一境到底”的设计方式，围绕着“构建概念－深化概念－应用概念”的思路，发展学生的生命观念、科学思维等核心素养，同时将社会责任融于教学中，落实《课程标准》的教育理念和要求。

参考文献

［1］张赛男. 基于大健康战略的教学设计——以“细胞衰老和死亡是自然的生理过程”为例［J］.中学生物教学， 2023（30）： 41-43．

［2］汪芷先， 黄德娟， 刘云海，等. 基于生物学学科核心素养的课堂教学设计——以“细胞的衰老和死亡”一节为例［J］.中学生物教学， 2023（6）： 70-71．

［3］陈丽娟， 李进华， 朱勇. 基于落实生物学学科核心素养的新教材探析与思考——以“细胞的衰老和死亡”为例［J］.中学生物教学， 2023（2）： 43-45．

［4］王焕葆， 赵增翰， 张素芳，等. 维生素E对家蝇寿命及肠上皮细胞内脂褐素堆积的影响［J］.动物学报， 1986， 32（3）：206-212+301-302．

［5］LU T C， BRBIC M， PARK Y J， et al. Aging fly cell atlas identifies exhaustive aging features at cellular resolution ［J］.Science， 2023， 380（6650）： 1145-1154．

［6］BELLEN J H， CHAO T， HIROSHI T. 100 years of Drosophila research and its impact on vertebrate neuroscience： a history lesson for the future ［J］.Nature reviews. Neuroscience， 2010， 11（7）： 514-522.

［7］DUSTIN B， MICHAEL W F， ANGEL B N， et al. Model organisms contribute to diagnosis and discovery in the undiagnosed diseases network： current state and a future vision ［J］.Orphanet Journal of Rare Diseases， 2021， 16（1）： 206-223．