指向核心素养的高中生物学一轮复习教学设计

摘 要：本文通过资料分析和模型构建等方式，引导学生运用分析、比较、推理、建模等科学思维方法，自主构建细胞的衰老和死亡这一核心概念，引导学生深入理解衰老和死亡在生物进化中的意义，帮助学生形成结构与功能观，树立珍惜和热爱生命的生命观念。

关键词：细胞的衰老和死亡；一轮复习；核心素养；生命观念

文章编号：1003-7586（2024）07-0067-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

高三生物学学科的一轮复习既要完成对已有知识的回顾，又要培养学生解决问题的能力。如何在兼顾知识和能力的同时培养学生的学科核心素养，是高三教师面临的难题。本文以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”）中“细胞的衰老和死亡”一节为例，探讨如何利用资料创设情境，利用概念构建框架，帮助学生形成结构与功能观等生命观念，落实生物学学科核心素养。

《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》）对本节内容的具体要求为：描述在正常情况下，细胞衰老和死亡是一种自然的生理过程。［1］在新课教学中，受学生基础知识、学习能力和教学时间的限制，本节内容侧重于描述现象，未做更深入的拓展。而在一轮复习课中，教师将结合DNA复制、细胞周期、细胞癌变等内容，深入探讨细胞的衰老和死亡现象，以构建学科概念框架，培养学生分析资料、解读图表、推理比较等科学思维能力。

1 教学目标

（1）通过对细胞衰老和凋亡的实验资料及相关学说进行分析，归纳出细胞衰老和凋亡的机制，形成结构与功能、稳态与平衡、进化与适应的生命观念。

（2）通过对DNA复制导致端粒缩短及基因与细胞周期调控机理图的分析，培养学生获取信息和归纳整合的能力。

（3）通过在核心问题中分设问题串进行思考、讨论和阐述，培养学生运用推理、论证等科学思维方法。

（4）通过对细胞衰老、死亡、癌变相关问题的思考，探讨细胞衰老和死亡与人类的生命和进化联系，使学生形成关爱生命、热爱生活的基本价值观。

2 教学过程

2.1 分析实验，引出主题

资料一：以有无巴氏小体作为标记，将已分裂40次的正常男性成纤维细胞与已分裂10次的正常女性成纤维细胞混合培养，同时使用单独培养的细胞作为对照组，统计细胞倍增次数。结果显示，当混合培养的女性纤维细胞持续增殖时，男性纤维细胞已停止分裂，且混合培养的两类细胞倍增次数与单独培养时相同。

教师以实验材料为情境引出本节复习课的主题：什么是细胞的衰老？

设计意图：教师引导学生分析实验材料，得出“细胞分裂次数是有限的”结论，从而阐述细胞衰老是由于其自我复制能力逐渐退化所致，引出细胞的衰老这一主题。结合教材得出，衰老是一种生理现象，体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止进一步分裂，同时细胞形态和生理代谢活动发生显著改变。相较于教材直接由生活现象导入细胞衰老的特征，由实验探究资料的导入更深入本质，同时有助于培养学生的实验分析能力。

2.2 串联问题，构建概念

2.2.1 细胞衰老的特征

学生根据先前的学习，可以准确描述衰老在细胞水平上的特征。由于细胞水平的衰老难以用肉眼观察，教师可以自然过渡到探讨个体水平的衰老特征，从而进一步深入并拓展细胞衰老与个体衰老的特征的相关知识。

2.2.2 细胞衰老的原因

细胞为什么会衰老？教材对研究细胞衰老的两种学说进行了简要介绍，为学生提供了初步认识。但是学生依然缺乏对细胞衰老机制更全面的理解，因此需要教师引导学生进一步探讨这两种学说的具体内容。

细胞衰老原因1：端粒学说。

关于端粒学说，教材只描述了端粒会随着细胞分裂次数的增加而缩短，并未对其机理进行具体阐释。教师可以为学生提供DNA复制导致端粒缩短的作用机理图（见图1）。

针对DNA复制导致端粒缩短的机理，教师设置问题串：为什么DNA的复制需要引物？什么原因导致DNA完成复制后的端粒缩短？端粒缩短会产生什么影响？

结合DNA复制相关知识，学生可以分析得出端粒缩短的原因：DNA聚合酶无法自行开始复制DNA序列，需要一段RNA引物作为起始点。DNA复制完成后，RNA引物被切除，故末端DNA（即端粒）逐渐缩短。DNA的损伤会导致DNA结构和功能异常，进而影响细胞正常的生理活动。

学生可能会提出延长并修复缩短端粒的解决方案，教师借此可以引出端粒酶的作用（见图2）。［2］ 教师补充端粒酶的相关材料进一步讲解细胞衰老的原因：端粒酶在大多数正常细胞中的活性较低，在受精卵、干细胞和癌细胞中的活性相对较高。据此既可以证明正常细胞必须经历衰老过程，又可以拓展说明癌细胞能够无限增殖的原因。

细胞衰老原因2：自由基学说。

对于自由基学说，教材中介绍了自由基的来源和对细胞的损伤，其作用原理如图3所示。

针对自由基的作用原理，教师结合教材设置问题串：细胞为什么会产生自由基？自由基对细胞造成哪些损伤？自由基对磷脂的损伤过程是正反馈还是负反馈？自由基对细胞的损伤会导致什么结果？

学生活动：学生结合DNA复制和细胞的功能与结构，查阅自由基学说的相关文献得出：自由基是细胞代谢过程中，

氧化还原反应的必然产物；自由基对细胞的损伤主要体现在氧化损害、DNA损害、蛋白质损害和线粒体损害四个方面；自由基能够诱导磷脂氧化产生更多的自由基，进而加剧磷脂的损伤，属于正反馈过程；自由基可使细胞中的多种物质发生氧化反应从而影响其正常功能，还可以引起DNA损伤从而导致基因突变，诱发肿瘤的形成。

教师由问题串进行延伸：自由基的氧化损害是导致细胞衰老和死亡的主要机理。因此，细胞拥有完善的抗氧化防御系统来维持自由基水平，以确保细胞的正常生理活动。人们也通过使用各种抗氧化剂试图延缓衰老，教师由此过渡到细胞衰老的基因水平调控机制。

细胞衰老原因3：基因水平的调控。

资料二：真核细胞的细胞周期分为分裂间期和分裂期，受多种因素的调控，分裂间期又分为G1、S、G2三个阶段。图4为某动物细胞周期的部分调节过程，CDK2-cyclinE能促进细胞从G1期进入S期。如果细胞中的DNA受损，会发生如图4所示的调节过程。教师通过设置如下问题串引导学生分析p53蛋白和p21基因在此过程中的作用：DNA结构在正常状态和损伤状态下，其中的p21基因和p53蛋白分别发挥什么作用？ CDK2-cyclinE失活对细胞活动周期有何影响？

学生经讨论分析可知，DNA结构在损伤状态下，p21基因受到活化的p53蛋白的调控被激活表达，并与CDK2-cyclinE结合抑制其活性，从而阻止细胞进行分裂活动，导致细胞进入衰老或凋亡状态。

教师延伸问题：如果p53基因或p21基因发生突变会导致什么后果？它们属于原癌基因还是抑癌基因？

学生分析得出，p53基因和p21基因是抑癌基因，若它们发生突变，细胞周期的调控机制将失衡，导致细胞持续分裂，最终发生恶性转化，即癌变。学生进一步分析可知，p53基因和p21基因通过促进DNA损伤的细胞衰老和凋亡阻止其继续分裂，从而抑制细胞发生癌变。

设计意图：通过机理图示由浅入深地设置递进式问题串，引导学生在分析问题和解决问题的过程中构建细胞衰老的概念，明确概念的内涵和外延，理解细胞衰老是促进个体正常发育的生理现象，是正常细胞必经的生理过程。这种递进式的提问和分析，不仅帮助学生串联所学知识，也培养了学生获取信息和逻辑推理的能力。

2.2.3 细胞的死亡

细胞的死亡包括细胞凋亡和细胞坏死，其中细胞凋亡是细胞死亡的主要形式。学生根据此前的学习可以完整地描述细胞凋亡的概念，但是尚未完全理解其中 “由基因决定”的凋亡机制，因此教师提供生物科技前沿的研究进展作为拓展资料引导学生分析。

资料三：秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）从胚胎发育到成体的过程中共产生1090个体细胞，其中131个体细胞发生细胞凋亡并最终消失。研究人员利用一系列突变体发现了线虫发育过程中控制细胞凋亡的关键因子。当 CED-3基因或CED-4基因发生突变后，原本应该凋亡的131个细胞得以存活；相反地，CED-9基因的突变导致所有细胞在胚胎期便死亡，无法发育为成虫。

学生经分析可知，CED-3基因和CED-4基因是线虫发育过程中控制细胞凋亡的关键基因，CED-9基因可以抑制细胞凋亡，这表明细胞凋亡是一种由基因调控的生物学过程，是一种正常的细胞生理活动，其意义是什么？教师继续展示资料四。

资料四：①人在胚胎时期，通常会经历有尾巴的阶段，胚胎发育后期尾部细胞发生程序性死亡（细胞凋亡），最终尾巴消失。②蝌蚪尾部的消失也是通过细胞凋亡实现的。③在胎儿手部的发育过程中，五根手指最初相连在一起，后来随着指间细胞的自然凋亡，手指逐渐分化发育为成熟的独立结构。④在处于发育期间以及发育成熟的生物体中，会发生大量的细胞凋亡过程。在健康的成人体内，骨髓和肠道每小时约有10亿个细胞发生凋亡。⑤人体的免疫机制通过细胞的自噬清除被病原体感染的细胞。

学生通过对上述材料的分析可知，细胞凋亡发生在个体发育的全过程，能够有效帮助个体完成分化，同时可以帮助个体抵御外界各种因素的干扰，对于个体的发育有重要意义。

细胞死亡是否等同于细胞凋亡？教师进一步引出关于细胞坏死与细胞凋亡的区别。教师展示图5，学生分析可知，细胞发生细胞膜破裂形成细胞碎片，属于细胞坏死；

细胞凋亡是细胞器等被膜包裹形成凋亡小体，并没有细胞碎片的形成，二者有明显区别。

2.3 构建框架，升华主题

最后教师通过指导学生构建细胞生命历程概念图对本节内容进行总结，同时帮助学生建立系统的知识框架（见图6）。

设计意图：引导学生整合并深化“细胞的衰老和死亡”一节复习内容的知识体系，同时升华课程主题，促进培育学生的生物学学科核心素养，帮助学生建立正确的价值观和生命观念。

3 教学反思

本节复习课通过对实验和图片资料的深入分析，深化学生对细胞生命历程的理解，利用实验研究打通知识点之间的关联，串联细胞衰老、死亡与细胞分裂、癌变的关系。

在核心概念的构建上，本教学设计没有遵循教材流于表面的描述，而是以实验研究为基础和依据，以细胞的生命历程为主线，通过深入分析现象背后的原理得出概念，既保证了知识的连贯性，又没有与教材安排的知识结构产生割裂。

在教学组织上，本教学设计打破了先复习知识再实施关联反馈的常规模式，多次巧妙运用实验资料和图片进行分析，在信息获取过程中重构概念，培养了学生的科学思维和信息获取能力。

在重难点的突破上，本教学设计从现象层面出发，逐步深入本质机理，系统探讨了细胞衰老与死亡的原因；最后，升华了生命历程的主题，有助于促进学生价值观和人生观的形成，对学生生命观念的建立具有积极意义。

参考文献

［1］中华人民教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［2］丁明孝，王喜忠，张传茂，等.细胞生物学（第5版）［M］.北京：高等教育出版社，2020．