基于翻轉(zhuǎn)教學(xué)的“細(xì)胞核

李麗娟 王唐棣

1教材分析

“細(xì)胞核——系統(tǒng)的控制中心”是人教版高中《必修1·分子與細(xì)胞》第三章第三節(jié)的內(nèi)容，主要介紹了真核細(xì)胞中細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能。細(xì)胞中的各部分結(jié)構(gòu)各司其職且相互配合，有序地進(jìn)行各種生命活動(dòng)。細(xì)胞核由于染色體上的DNA攜帶遺傳信息控制細(xì)胞的代謝和遺傳，從而成為細(xì)胞的控制中心。學(xué)習(xí)該節(jié)內(nèi)容有利于學(xué)生將前面所學(xué)知識(shí)貫穿起來，對(duì)細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)更加全面，對(duì)細(xì)胞作為生命系統(tǒng)的理解更加深刻，同時(shí)為后面學(xué)習(xí)細(xì)胞分裂、分化、生物的遺傳變異、中心法則等知識(shí)奠定基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)與功能觀貫穿整個(gè)生物學(xué)科教學(xué)中，是生物學(xué)中重要的生命觀念。但學(xué)生學(xué)習(xí)高中生物時(shí)間較短，只能舉例說出生物體結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，不能主動(dòng)運(yùn)用該觀念解釋一些生命現(xiàn)象。所以，本節(jié)的教學(xué)重難點(diǎn)為：確立結(jié)構(gòu)與功能觀;嘗試運(yùn)用“結(jié)構(gòu)與功能”觀解釋相關(guān)生物學(xué)現(xiàn)象。

本節(jié)課采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，進(jìn)行知識(shí)傳遞和內(nèi)化的教學(xué)結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。學(xué)生在課前按照自己的節(jié)奏完成個(gè)性化學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)在課堂上起點(diǎn)基本相同從而進(jìn)行步調(diào)一致的高層次認(rèn)知目標(biāo)的協(xié)同性學(xué)習(xí)。課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生通過比較、體驗(yàn)、討論等活動(dòng)答疑解惑，使學(xué)生明晰染色體的結(jié)構(gòu)與功能，體會(huì)“結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的”。學(xué)生通過資料分析，理解核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)及功能，明確“物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定功能”;接著，整體分析細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能，認(rèn)同細(xì)胞核“整體結(jié)構(gòu)的功能大于局部結(jié)構(gòu)的功能之和”;最終，確立“結(jié)構(gòu)與功能觀”這一生命觀念，從而突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)。

2教學(xué)目標(biāo)

闡明細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能;嘗試運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能、觀解釋相關(guān)的生物學(xué)現(xiàn)象;認(rèn)同細(xì)胞核是細(xì)胞生命系統(tǒng)的控制中心，確立結(jié)構(gòu)與功能觀。

3教學(xué)過程

3.1課前自主學(xué)習(xí)，翻轉(zhuǎn)教學(xué)結(jié)構(gòu)

課前，教師設(shè)計(jì)預(yù)學(xué)案，制作“細(xì)胞核功能”資料分析的相關(guān)微課。學(xué)生根據(jù)目標(biāo)導(dǎo)學(xué)自學(xué)細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能，觀看微課，填寫預(yù)學(xué)案，提出“質(zhì)疑待學(xué)”。教師查看預(yù)學(xué)案，找到共性問題，課堂解決。

設(shè)計(jì)意圖：翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式可以提高課堂效率，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

3.2提問檢測(cè)引入，構(gòu)建知識(shí)體系

教師展示圖片，指出：除哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞和高等植物成熟的篩管細(xì)胞等個(gè)別種類的細(xì)胞外，幾乎所有的真核細(xì)胞都具有細(xì)胞核。教師引導(dǎo)學(xué)生思考回答細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能，引出新課。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回顧課前所學(xué)知識(shí)，檢測(cè)學(xué)生預(yù)習(xí)情況，為該節(jié)課學(xué)習(xí)做好知識(shí)準(zhǔn)備。同時(shí)，教師板書呈現(xiàn)細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和功能，幫助學(xué)生構(gòu)建該節(jié)知識(shí)體系，板圖呈現(xiàn)細(xì)胞核平面示意圖則加強(qiáng)學(xué)生圖像轉(zhuǎn)換能力。

3.3比較體驗(yàn)討論，認(rèn)識(shí)染色質(zhì)（體）結(jié)構(gòu)功能

3.3.1形象類比，明晰染色質(zhì)（體）形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

教師首先引導(dǎo)學(xué)生明確染色體、DNA、遺傳信息的關(guān)系。染色體上由于含有DNA攜帶遺傳信息成為細(xì)胞核中最重要的結(jié)構(gòu)。學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)所提出的疑問也主要集中于此。如，染色質(zhì)和染色體在結(jié)構(gòu)上有何區(qū)別？染色體在細(xì)胞分裂時(shí)以高度螺旋的形式存在有何意義？教師引導(dǎo)學(xué)生分組填寫表格（表1）比較染色體和染色質(zhì)的物質(zhì)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)等并思考兩者關(guān)系，結(jié)合資料1討論使用熟悉的事物來形象類比染色體與染色質(zhì)。

資料1：人體細(xì)胞中有46條染色體，每條染色體包含1條縱向貫穿的DNA分子。如果將人體1個(gè)體細(xì)胞中所有的DNA伸展開來，總長(zhǎng)可達(dá)到2 m，直徑約為2nm。細(xì)胞核直徑僅為10um。1個(gè)DNA長(zhǎng)鏈一般壓縮大約50倍組裝成1條染色質(zhì)，繼續(xù)再壓縮200倍組裝成染色體。

教師引導(dǎo)學(xué)生明確染色質(zhì)和染色體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，組織評(píng)價(jià)各組學(xué)生所提出的類比模型，如水和冰、收縮和舒張的彈簧或毛根、松散狀態(tài)和纏繞成桿狀的毛線團(tuán)等的優(yōu)劣，明晰兩者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。最后，教師展示科學(xué)家研究的染色質(zhì)（體）的結(jié)構(gòu)模型，使學(xué)生加深對(duì)染色質(zhì)（體）形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)分析奠定基礎(chǔ)。

3.3.2活動(dòng)體驗(yàn)，思考染色質(zhì)（體）不同存在狀態(tài)對(duì)細(xì)胞分裂不同時(shí)期的意義

學(xué)生在初中學(xué)過細(xì)胞分裂相關(guān)知識(shí)，能夠回憶在細(xì)胞分裂時(shí)遺傳信息需完成復(fù)制和平分才能使2個(gè)子細(xì)胞與原細(xì)胞細(xì)胞核內(nèi)遺傳信息一致。繼而，教師引導(dǎo)學(xué)生通過活動(dòng)體驗(yàn)思考染色質(zhì)（體）不同存在狀態(tài)對(duì)細(xì)胞分裂不同時(shí)期的意義。

①活動(dòng)一：體驗(yàn)遺傳信息復(fù)制。將某條線上不同段的顏色、順序、長(zhǎng)短等信息原樣“抄寫”在另l條長(zhǎng)度相同的線上，體驗(yàn)被“抄寫”的毛線分別在松散和桿狀毛線團(tuán)狀態(tài)下的抄寫情況。推測(cè)細(xì)胞分裂間期遺傳信息復(fù)制時(shí)，染色質(zhì)/染色體的存在形式存，并說出理由。

②活動(dòng)二：體驗(yàn)遺傳信息平分。容器中放置2條相同毛線，體驗(yàn)2條毛線都在松散狀態(tài)或都在桿狀毛線團(tuán)狀態(tài)時(shí)，分別將毛線移到兩極的情況。注意操作過程中手不能伸出容器外。教師引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)細(xì)胞分裂期遺傳信息平分時(shí)，染色質(zhì)/染色體的存在形式，并說出理由。最后，教師出示顯微鏡下細(xì)胞分裂不同時(shí)期的真實(shí)照片，明確實(shí)際觀察結(jié)果與學(xué)生推測(cè)一致。

設(shè)計(jì)意圖：通過列表比較、形象類比、相互評(píng)價(jià)、出示模型層層深入探討染色體結(jié)構(gòu)。對(duì)其功能分析則通過活動(dòng)體驗(yàn)，分析推測(cè)，并顯微照片明確染色質(zhì)（體）不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)與其執(zhí)行功能相適應(yīng)。

3.4閱讀資料分析核孔結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

教師出示含核孔的核膜電子顯微鏡照片，指出核膜上核孔的存在，使得它與其他生物膜不同，提問：閱讀資料2-4后能得到哪些啟示？

資料2：核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)模型圖顯示核孔復(fù)合體主要由核被膜、中央栓和核質(zhì)側(cè)的“核籃”組成（圖1①）。它是生物體內(nèi)最復(fù)雜的蛋白質(zhì)復(fù)合體之一，由30多種不同蛋白質(zhì)，1000多個(gè)蛋白質(zhì)分子共同構(gòu)建。

資料3：依賴傳統(tǒng)技術(shù)科學(xué)家始終無法得到核孔復(fù)合體的準(zhǔn)確構(gòu)象。通過日益完善的冷凍電鏡技術(shù)，研究人員成功還原該復(fù)合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)，了解核孔的更多“秘密”。、核孔復(fù)合體圖像類似“甜甜圈”，其實(shí)它的直徑只有120nm。有趣的是，三位生物物理學(xué)家發(fā)明的冰凍電鏡技術(shù)由于在研究生物大分子方面所做出的卓越成就最終獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

資料4：核孔進(jìn)行著細(xì)胞核質(zhì)之間頻繁的物質(zhì)運(yùn)輸。研究人員發(fā)現(xiàn)，有些大分子蛋白質(zhì)直徑較大，進(jìn)入細(xì)胞核過程如圖1。①“貨運(yùn)”蛋白質(zhì)通過自身核定位序列（NLS）與其他胞質(zhì)因子結(jié)合成三聚體，再與核孔復(fù)合體的胞質(zhì)側(cè)蛋白結(jié)合。②通過該蛋白結(jié)構(gòu)的彎曲把三聚體呈遞至核孔復(fù)合體中央栓蛋白，中央栓蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終將三聚體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)，隨后三聚體解開。

學(xué)生自主分析后得出：當(dāng)相應(yīng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變從而完成相應(yīng)的物質(zhì)運(yùn)輸，進(jìn)一步體會(huì)“物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定功能”這一觀點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)生從資料中可以體會(huì)科學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)的進(jìn)步，通過2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的資料意識(shí)到學(xué)科交叉已是大勢(shì)所趨，認(rèn)同新高考背景下學(xué)好各科的重要性。

教師出示資料5，引導(dǎo)學(xué)生分析核孔復(fù)合體物質(zhì)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。

資料5：1個(gè)細(xì)胞大約有3000個(gè)核孔。細(xì)胞分裂復(fù)制染色體時(shí)，1個(gè)核孔1min要運(yùn)進(jìn)核內(nèi)100個(gè)蛋白分子。細(xì)胞迅速生長(zhǎng)時(shí)，1個(gè)核孔1min向細(xì)胞質(zhì)運(yùn)出3套核糖體前體單位。核孔可以將細(xì)胞核內(nèi)合成的RNA運(yùn)出細(xì)胞核，但是DNA不能運(yùn)送出核。還有一些蛋白質(zhì)一經(jīng)運(yùn)入核內(nèi)就不能再離開細(xì)胞核。

通過分析，學(xué)生指出核孔復(fù)合體運(yùn)輸物質(zhì)具有雙向、及時(shí)、高效和選擇性的特點(diǎn)，認(rèn)同細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)協(xié)調(diào)一致，是一個(gè)統(tǒng)一的整體。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用拓展資料，提高學(xué)生獲取信息的能力，使學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解并嘗試運(yùn)用生命觀念解釋生物學(xué)現(xiàn)象。

3.5總結(jié)提升，整體分析細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和功能

教師提出問題：細(xì)胞核各個(gè)結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)“細(xì)胞代謝和細(xì)胞遺傳的控制中心”這一功能時(shí)發(fā)揮了怎樣的作用？學(xué)生理解由于染色體中的DNA上攜帶遺傳信息，因此細(xì)胞核成為遺傳信息庫繼而控制細(xì)胞代謝。在細(xì)胞分裂中，遺傳信息通過復(fù)制和平分過程使親子代細(xì)胞遺傳信息完全一致，保證了親子代細(xì)胞遺傳性狀的一致，從而控制細(xì)胞遺傳。核膜、核孔也分別為細(xì)胞核成為系統(tǒng)的控制中心提供了結(jié)構(gòu)保證。

設(shè)計(jì)意圖：通過整體分析細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)生不再孤立地看細(xì)胞核的各個(gè)結(jié)構(gòu)，認(rèn)同細(xì)胞核是一個(gè)統(tǒng)一的整體，認(rèn)同整體結(jié)構(gòu)的功能大于局部結(jié)構(gòu)的功能之和。

3.6拓展延伸，學(xué)以致用

教師指出：對(duì)細(xì)胞核結(jié)構(gòu)與功能的深入研究可以為人類自身服務(wù)，人們可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)的改變判斷其功能的變化。如細(xì)胞癌變后細(xì)胞核變大，核孔增多，核仁增大;當(dāng)染色體數(shù)目或結(jié)構(gòu)改變時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的疾病。教師啟發(fā)學(xué)生可利用結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的原理，通過及時(shí)的監(jiān)測(cè)和早期干預(yù)或治療，使人類遠(yuǎn)離疾病困擾。

4教學(xué)反思

本節(jié)課聚焦大概念教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。教師要引導(dǎo)學(xué)生改變固有思想，明確生物學(xué)不是僅靠死記硬背，而是運(yùn)用生物學(xué)觀點(diǎn)和理性思維來學(xué)習(xí)的科目，符合新課標(biāo)的課程理念。另外，該節(jié)課運(yùn)用大量的資料，緊跟時(shí)事熱點(diǎn)，提高學(xué)生獲取信息的能力，使學(xué)生感受生物學(xué)是不斷發(fā)展的學(xué)科，感受科學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)的進(jìn)步，學(xué)科交叉也是大勢(shì)所趨。最后，該節(jié)課運(yùn)用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，有利于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。