细胞增殖、分化、衰老和凋亡教学构思

在普通高中《生物课程标准》的内容标准中,“分子与细胞”模块的第四学习单元是“细胞的增殖”,第五学习单元是“细胞的分化、衰老和凋亡”。同细胞代谢一样,细胞的增殖、分化、衰老和凋亡,也是细胞生命活动的具体表现。笔者根据这两个学习单元的具体内容标准和活动建议,对其教学内容、教学目标、教学策略的构思如下:

1.具体内容标准及其地位和教育意义

1.1具体内容标准及地位

在高中生物新课程的标准中,“细胞的增殖”学习单元的具体内容标准是:简述细胞的生长和增殖的周期性;描述细胞的无丝分裂;观察细胞的有丝分裂并概述其过程。“细胞的分化、衰老和凋亡”学习单元的具体内容标准是:说明细胞的分化;举例说明细胞的全能性;探讨细胞的衰老和凋亡与人体健康的关系;说出癌细胞的主要特征、讨论恶性肿瘤的防治。

细胞的增殖、分化、衰老和凋亡等生命活动,对生物体的生存和发展具有重要意义。细胞增殖是生物体生长、发育、生殖和遗传的基础;细胞分化是个体发育的一个重要阶段,胚层细胞的分化导致组织形成、器官发生和系统建成,细胞的异常分化会导致癌变;细胞的衰老和凋亡与人体健康也有着极为密切的关系。因此,学生学习本单元知识,不仅有利于认识生命的本质,而且为继续学习生殖和发育、基因的表达和调控、基因突变和人类遗传病等知识打下必要的基础。

1.2 具体内容标准的教育意义

对照“标准”中的学习目标分类说明表可知,细胞的增殖、分化、衰老和凋亡的具体内容标准涉及8项具体要求,知识性目标有5项,其中的3项是了解层次,2项是理解层次,其他3项属于情感性目标的经历水平。在“分子与细胞”模块的所有学习单元中,只有“细胞的增殖”和“细胞的分化、衰老和凋亡”的具体内容标准中明确地提出了情感性目标要求,这是因为这部分知识与人体健康、疾病以及社会老龄化问题有关。珍爱生命、关注健康、尊重和爱护老人是现代公民的基本素养,因此,这部分知识对培养学生情感和提高社会公德有着深刻的教育意义。

我们知道,细胞代谢是生命实现自我更新的生理基础,细胞的增殖、分化、衰老和凋亡等生命活动与其代谢水平密切联系。细胞的增殖、分化、衰老和凋亡也必然有其遗传的基础。因此,正确地认识细胞的增殖、分化、衰老和凋亡之间的内在联系,以及与其代谢和遗传的关系,有助于学生形成生命是运动、辩证和发展的观点,学会学习问题的方法和提高解决问题的能力。

2.具体内容及学习目标

2.1 细胞的增殖

分析“细胞的增殖”单元的具体内容标准看出,该单元知识的核心概念应该包括:细胞增殖、细胞周期、无丝分裂和有丝分裂等。单元知识的认知目标主要是:说出细胞增殖的方式和意义;概述细胞周期的定义,识别一个细胞周期经历的两个阶段,简述间期细胞的主要特征;列举细胞分裂的主要方式,描述细胞进行无丝分裂的大致过程和特征;用显微镜观察植物根尖装片和马蛔虫卵细胞分裂的制片,根据染色体形态概述细胞有丝分裂过程及其各个时期的分裂相,说明动植物细胞有丝分裂过程的主要区别;根据细胞有丝分裂过程中染色体和纺锤丝的动态变化,阐明动植物细胞有丝分裂的特征和意义。

本单元的具体内容标准要求观察细胞的有丝分裂过程,并建议组织学生模拟探究细胞表面积与体积的关系。因此,能力目标包括:在明确制作根尖压片的动作要领的基础上,独立完成制作装片的操作过程;用显微镜观察根尖装片和马蛔虫卵细胞的分裂制片,用琼脂块或豆腐模拟探究细胞表面积与体积的关系,培养实验观察和科学探究的能力;用比较的表格整理细胞有丝分裂过程中不同时期的分裂相,用图示呈现细胞有丝分裂过程中DNA和染色体的数量动态,培养处理信息(属于形象思维范畴)的能力;分析说明有丝分裂过程中不同时期细胞之间的结构联系及发展变化,培养辨证思维的能力。此外,制作和观察植物根尖细胞装片的学习活动,不仅为学生提供了接受科学方法训练的机会,而且有利于学生形成实事求是的科学态度。

2.2 细胞的分化、衰老和凋亡

从“细胞的分化、衰老和凋亡”单元的具体内容标准中看出,该单元知识的核心概念应该包括:细胞分化、细胞全能性、细胞衰老和细胞凋亡、细胞癌变等。其认知目标是:列举细胞分化的典型实例,概述细胞分化的定义,说明在个体发育过程中细胞分化的重要意义;以植物组织培养或动物克隆为例说明分化的细胞保持其全能性,表述细胞全能性的定义,分析细胞全能性的原因;描述细胞衰老的特征,说出细胞凋亡的原因,举例说出细胞的衰老和凋亡是一种正常的生命活动;描述癌细胞的主要特征,列举致癌因子的类型、说出细胞发生癌变的原因。

本单元的能力目标是:通过搜集、整理和解读有关干细胞的研究进展和应用、恶性肿瘤的防治等资料,培养处理信息的能力;分析细胞的增殖、分化、衰老和凋亡的现象和原因,以及分化与去分化、分化与转化的复杂关系,提高辨证思维的能力。此外,探讨细胞的衰老和凋亡与人体健康的关系,关注恶性肿瘤的防治等学习活动,使学生认同生命科学与人类征服癌症和延年益寿的密切联系,增强学习生物学的兴趣和养成珍爱生命的情感。

⒊ 教学策略和方法

3.1 细胞增殖的教学

学生学习有关细胞结构和细胞代谢的知识后,初步理解“细胞是生物体结构和功能的基本单位”这个命题(也是细胞定义),但是,细胞为什么那么小呢?这是学生既困惑又感兴趣的问题,因此,标准建议组织学生“模拟探究细胞表面积与体积的关系”。在这个活动中,让学生亲自计算不同大小立方体的表面积与体积之比,通过分析数据认识到较小细胞的表面积相对较大,易于保证细胞与外界进行物质交换。那么,生物体怎样实现新旧细胞的更新呢?由此导入“细胞的增殖”的教学过程。

细胞增殖的教学应从其概念本身开始,细胞增殖概念的要素包括:定义、规律、意义和方式等。通过对初中生物学知识的学习,学生知道细胞增殖是指亲代细胞以分裂方式产生子代细胞的过程。教学时,先结合下面的图示阐明细胞增殖是通过细胞周期实现的,细胞周期是细胞生长和分裂的周期性变化(定义)。然后,指导学生阅读课文并说出细胞增殖的意义和主要方式。学生尚不能完全理解“细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础”的命题,只要求解释细胞增殖与生物体生长的因果关系。

细胞周期是本单元知识的核心概念之一,教学时,首先让学生依据上面的图示表述细胞周期的定义,进而通过识图和分析,说出一个细胞周期的起止时间和划分的阶段。然后,教师用板书形式概括细胞周期划分的阶段及细胞分裂的方式。

间期是细胞分裂期的准备阶段。教学时,首先提示学生依据细胞周期的图解说出间期的起止时间和持续时间的长短;进而在阅读课文的基础上,用表格整理间期细胞的代谢状况。最后,让学生概述间期细胞的主要特征,以及在细胞周期中的地位。

有丝分裂是真核细胞的主要分裂方式,其知识点应包括:植物细胞有丝分裂、动物细胞有丝分裂、细胞有丝分裂的特征、细胞有丝分裂的意义。标准要求“观察细胞的有丝分裂并概述其过程”,按照这个要求,植物细胞有丝分裂的教学应先组织学生观察植物根尖细胞有丝分裂的制片,对照图片从显微镜视野中识别间期细胞和有丝分裂的各个时期细胞。在学生对植物细胞有丝分裂过程具有初步感性认识的基础上,教师再借助挂图、图片或录像等教学媒体,依次阐述有丝分裂各个时期细胞的分裂相,然后师生共同以表格的形式归纳植物细胞有丝分裂过程中发生的核、质分裂相变化。最后,组织学生独立完成制作和观察根尖临时压片,

在亲自制作的根尖临时压片中寻找和鉴别各个分期细胞的核、质分裂相。为了帮助学生理解有丝分裂中DNA和染色体的动态变化,也可以组织学生用不同颜色的塑料或橡皮泥塑成染色体,模拟染色体行为和数量的动态变化。

在细胞有丝分裂的教学过程中,组织学生制作并观察植物细胞有丝分裂装片是十分必要的,这个实验活动有助于提高学生的制作装片、显微观察和绘制生物图等基本技能。教学时,首先阐述制作洋葱根尖细胞有丝分裂临时装片的程序,进而演示制作装片的方法。然后指导学生制片和观察,并根据观察画出细胞有丝分裂各个时期的简图。

在组织学生制作并观察植物细胞有丝分裂装片时,安排一定时间让他们观察马蛔虫卵细胞分裂的制片,识别细胞两极的中心体结构和核、质分裂状况,从而为比较动物细胞有丝分裂与植物细胞的异同,归纳细胞有丝分裂的特征打下基础。

细胞有丝分裂是一个连续的过程,为了研究和揭示有丝分裂的具体过程中染色体和DNA分子的变化规律,人为地将其分为不同的时期。因此,教学中不仅要阐明分裂间期为分裂期进行着物质和能量的准备,而且还要揭示细胞分裂过程中染色体与纺锤体的动态变化及两者之间的关系,以此培养学生事物是相互联系,不断运动和发展的观点。细胞有丝分裂过程的特征可概括为:染色体复制一次后,平均地分配到两个子细胞中去,从而将亲代遗传信息传递给子代。为了强调细胞有丝分裂的重要意义,可用下面的曲线图概括细胞有丝分裂过程中DNA数量和染色体动态和数量之间的变化关系及规律。

细胞无丝分裂最主要的特征是没有出现染色体和纺锤丝的变化。教学时,结合洋葱表皮细胞或蛙蟾类红细胞无丝分裂的图解描述无丝分裂过程,首先强调细胞分裂过程也分为核分裂和质分裂,然后启发学生比较无丝分裂的核质分裂相与有丝分裂的异同,从而理解细胞无丝分裂的主要特征。

3.2 细胞分化、衰老和凋亡的教学

前面提到,细胞增殖、分化、衰老和凋亡是细胞的正常生命活动,这些生命活动是细胞的行为表现,而不能误认为是细胞发育的4个阶段。这是因为细胞凋亡不是衰老细胞的死亡,细胞凋亡与细胞增殖都是维持生物体内细胞动态平衡的基本行为。因此,本单元教学的开始,可以蛙的个体发育为实例,概述细胞增殖、分化、衰老和凋亡之间的复杂关系,如下:

本单元知识包含一系列概念,是教会学生学习概念的良好素材。高中生物的概念学习方法主要是:分析典型的正确例证,揭示一类事物的共同本质特征,进而以下定义的形式加以表述并赋予名称,最后确认概念应用的范围。因此,在细胞分化的教学中,首先借助图片、录像等媒体展示未分化的干细胞、分化的肌肉细胞、神经细胞、红细胞和胰岛分泌细胞(也可以植物细胞为例),引导学生认识到分化细胞与未分化细胞在形态、结构和功能上发生的差异,从而理解细胞分化的概念,进而列举受精卵与人体组织的发生、植物茎的形成层与木质部和韧皮部的形成等实例,使学生明确细胞分裂不仅发生在胚胎发育阶段,而且贯穿于生命个体的终生,以补充衰老和死亡的细胞。然后,以红细胞和胰岛细胞为例,阐明红细胞具有其他细胞没有的血红蛋白,胰岛细胞可分泌胰岛素,这表明分化细胞具有某种特殊的功能,这种特殊功能可以通过蛋白质表现出来,而蛋白质是基因表达的产物。由此,引导学生推理得出“细胞分化是基因在特定条件下选择性表达的结果”这一结论。

细胞全能性的原意指受精卵的分化潜能。上课前一周,要布置学生搜集有关干细胞研究进展和应用的资料。教学时,先以植物组织培养或以动物克隆为实例,说明分化的细胞仍然保持其全能性;进而用动物细胞的核移植技术进一步说明细胞核的全能性。这些实例使学生认识到分化细胞的细胞核中含有本物种的全部核基因,因此,分化细胞与受精卵一样,具有分化出各种细胞和组织,形成一个完整个体的潜能。这样,细胞全能性的定义应运而生。在此基础上,可结合图解介绍造血干细胞的培养和分化,组织学生交流有关干细胞研究进展和应用的资料,讨论研究干细胞与人类健康的关系。

细胞衰老又叫细胞老化,是指在正常情况下,随着年龄增长内稳态下降,机体组织细胞发生退行性变化并趋向死亡的不可逆现象。由于细胞衰老与个体衰老具有同步性,所以,教学时先启发学生从宏观上描述呈现衰老体态的老年人的面部特征,如老年斑、皮肤干燥和皱纹等;然后,让学生阅读课文,从微观角度初步认识衰老细胞的结构和功能的特征(如下表):

细胞凋亡是细胞发育过程中由基因引发的自动结束生命的生理过程。教学时,通过列举人体神经系统形成过程中的细胞凋亡的现象,以及健康成人的骨髓和肠黏膜上皮细胞凋亡的现象,使学生明确在胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余或完成使命的分化细胞,保证胚胎发育正常;在成体发育阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的组织细胞,保证机体健康。因此,不能将细胞凋亡与细胞衰老而死亡混为一谈。最后,组织学生讨论如何延缓细胞衰老,关注老年人的健康问题。

3.3 细胞癌变的教学

细胞癌变的教学可以放在细胞分化部分,也可以与细胞的衰老和凋亡放在一起。学生对细胞癌变知之甚少,上课前布置他们搜集恶性肿瘤及防治方面的资料。教学可采用讨论式,让学生围绕以下问题展开讨论:什么是癌?癌细胞的主要特征是什么?细胞发生癌变的根源是什么?诱发原癌基因发生突变的因素是什么?怎样防治恶性肿瘤等等。针对上述问题开展的讨论活动,不仅有利于激发学生的兴趣和调动他们的学习主动性,而且还可以考查学生的学习能力、处理信息的能力、分析和解决问题的能力,以及他们的情感态度与价值观。

上述对“细胞的增殖、分化、衰老和凋亡”的教学构思是粗糙和肤浅的,但愿能够起到抛砖引玉的作用,深入学习和领会高中生物课程标准的精神,推动高中生物教学改革和提高生物教学质量。

本文已发表在《生物学通报》2006年第12期


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