《细胞的生命历程》教材分析

《细胞的生命历程》教材分析细胞像生物体一样，也要经历出生、生长、成熟、繁殖、衰老、死亡的过程。单细胞生物在死亡之前，要通过细胞增殖增加个体数量，保持物种的延续。多细胞生物的生命历程从受精卵开始，经过细胞增殖，还要经过细胞分化，形成组织、器官，才能发育为完整的生物体。对于单细胞生物来说，细胞的衰老或死亡就是个体的衰老或死亡；但对多细胞生物来说，细胞的衰老和死亡与个体的衰老和死亡并不是一回事。自然状态下，细胞自动结束生命的过程叫凋亡。细胞凋亡与细胞坏死不同。正常机体内的细胞，无论在生长、分裂或分化，还是在凋亡，都在机体的精确调控之中。但是有的细胞受到致癌因子的作用，细胞中遗传物质发生变化，就变成不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞，这就是细胞的癌变。本章沿着细胞的生命历程这条主线，既介绍了细胞的增殖、细胞的分化、细胞的衰老和凋亡等正常的生理过程，也介绍了给人类健康造成巨大威胁的细胞癌变。一、教学目的要求知识方面1.简述细胞的生长和增殖的周期性。2.概述细胞有丝分裂的过程。3.描述细胞的无丝分裂。4.说明细胞的分化。5.举例说明细胞的全能性。6.描述细胞衰老的特征。7.说出细胞凋亡与死亡的区别。8.说出癌细胞的主要特征。情感态度与价值观方面1.认同细胞生长和增殖的周期性。2.认同细胞分化的重要意义。3.探讨细胞的衰老和凋亡与人体健康的关系，关注老年人的生活状况。4.讨论恶性肿瘤的防治，选择健康的生活方式。能力方面1.模拟探究细胞表面积与体积的关系，探讨细胞不能无限长大的原因。2.使用高倍显微镜观察根尖分生组织细胞的有丝分裂。3.进行有关干细胞研究进展和应用的资料搜集和分析。4.进行与社会老龄化相关的问题的资料搜集和分析。5.运用资料分析的方法，讨论健康的生活方式与癌症防治的关系。二、教学内容的结构和特点（一） 教学内容的结构（二） 教学内容的特点本章共分4节：《细胞的增殖》《细胞的分化》《细胞的衰老和凋亡》《细胞的癌变》。这4节的内容基本上是按细胞生命历程的发展顺序安排的，先讲细胞的增殖，再讲细胞的分化，然后讲细胞的衰老和凋亡，最后一节所讲述的细胞的癌变实际上是细胞的生命历程出现异常可能导致的一种严重后果。第1节《细胞的增殖》首先让学生了解细胞增殖的必要性，再来学习细胞增殖的方式。多细胞生物体体积的增大，即生物体的生长，既靠细胞生长增大细胞的体积，还要靠细胞分裂增加细胞数量。这是因为细胞不能无限长大。细胞为什么不能无限长大呢？教科书让学生通过探究细胞大小，既细胞表面积与体积之比，与物质运输效率之间的关系，探讨细胞不能无限长大的原因。这是一个模拟的探究实验，操作过程比较简单，但是实验后的讨论题却有相当的思维力度，需要学生开动脑筋思考，并且要用联想的方法将模拟实验的结果迁移至真实的细胞，思考物质运输的效率与细胞大小之间是什么关系；为什么细胞越大，物质运输的效率越低；为什么多细胞生物体是由许多细胞而不是由少数体积更大的细胞构成的。可能有的老师觉得这么简单的实验让学生做没有必要，实际上在此前的教学中，已有学校将这一实验引入高中课堂，教学效果说明学生动手与不动手大不一样。亲身参与、感性认识会提高学生思考的活跃程度，激发求知欲，学生会讨论得很热烈，时常会出现不同观点的论争，这种亲历探究、生生互动的教学场景正是今天提倡的探究性学习所需要的，希望教师能给予足够重视。通过模拟实验，学生理解了细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞的物质运输的效率就越低，细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。但是限制细胞长大的因素并不仅限于此。例如，细胞核中的DNA是不会随着细胞体积的扩大而增加的，如果细胞太大，细胞核的“负担”就会过重。教科书在模拟实验之后，安排了一段文字，对这个问题进行了补充说明。既然细胞越小，细胞表面积相对就越大，细胞的物质运输的效率就越高，细胞体积不是越小越好吗？学了这部分内容，学生可能会产生这样的疑问。逆向思维将有助于对问题的理解。因而教科书在旁栏的“批判性思维”中把这个问题提了出来，以培养学生批判性思考的能力。由于这个问题有一定的思维难度，因此，教科书给了一些必要的提示，如有人估计完成细胞的各项功能至少需要100种酶，每个酶促反应需占有直径约50 nm的空间，每个核糖体直径为10～20 nm等。当然学生还可以搜集、列举更多的证据来支持自己的观点。开放式的教学模式和学习方式也是这次课程改革所提倡的。由于细胞不能无限长大，多细胞生物体体积的增加还有赖于细胞增殖。细胞增殖和细胞分裂是两个不同的概念，细胞增殖包括物质准备和细胞分裂整个连续的过程。真核细胞分裂的方式有3种：有丝分裂、无丝分裂和减数分裂。有丝分裂是真核生物进行细胞分裂的主要方式，本节重点介绍有丝分裂，简要介绍无丝分裂。减数分裂是一种特殊方式的有丝分裂，它与有性生殖细胞的形成有关，有关减数分裂的内容安排在《遗传与进化》的相关章节中让学生学习。细胞增殖是通过细胞周期实现的。一个细胞周期就是一个细胞的整个生命过程，最终由一个老的细胞变成了两个新的细胞，因而细胞周期有时也称为细胞生活周期或细胞繁殖周期。一个细胞周期包括两个阶段：分裂间期和分裂期。细胞在分裂之前必须进行各种必要的物质准备，然后才能进行细胞分裂。细胞分裂前重要的物质准备之一是遗传物质DNA的复制，DNA的复制必须正确和彻底，否则可能导致细胞死亡，或者细胞周期调控紊乱，如细胞恶性增殖和肿瘤发生。除了遗传物质的准备之外，所有其他细胞物质也必须进行积累，这些物质的积累如果不及时，有时也会置细胞于死地。可见，细胞分裂的物质准备过程是一个十分复杂而又必须精确进行的生命活动过程。在以前的教学中，教师往往把重点放在对有丝分裂过程的详细介绍上，要求学生理解并熟记有丝分裂过程中染色体行为和数目的变化，这固然很重要。但是为细胞分裂进行活跃的物质准备的分裂间期也应该引起学生重视，以便学生对细胞的生命周期形成完整的认识。“图6-1有丝分裂细胞周期”和“表6-1不同细胞的细胞周期持续时间”，提示学生注意分裂间期在细胞周期中所占时间的比例，反映出分裂间期在细胞周期中的重要性。关于有丝分裂过程的教学，老师们都很熟悉了，与原来的高中教材相比，新教材对这一问题的叙述，基本没有什么变化。仍然是分为前期、中期、后期、末期四个时期叙述，突出这四个时期中染色体行为和数目的变化。首先以植物细胞为例详细地介绍这一过程，然后再采取对比的方法，列举动物细胞有丝分裂的过程与植物细胞的不同点。最后归纳有丝分裂的重要意义。无丝分裂的过程比较简单，这种分裂方式也不是很常见，因而教科书只用一小段文字和一幅图做了简单介绍。关于无丝分裂的问题，长期以来就有不同的看法。有些人认为无丝分裂不是正常细胞的增殖方式，而是一种异常分裂现象；另一些人则主张无丝分裂是正常细胞的增殖方式之一，主要见于高度分化的细胞，如肝细胞、肾小管上皮细胞、肾上腺皮质细胞等。有关无丝分裂的不同观点，教师可根据教学情况的需要，适当给予补充。《观察根尖分生组织细胞的有丝分裂》是一个经典的高中生物学实验，从实验要求来说与以前变化不大。为了便于学生操作，增强操作步骤的目的性和条理性，教科书的实验指导在装片制作这一步，把装片制作的过程、方法、所需时间和操作的目的用列表的形式展示出来。本实验增加的一个内容，是让学生学习记录细胞周期不同时期的细胞数，通过统计每一时期的细胞数与计数细胞总数的比值，比较细胞周期不同时期的时间长短。这里运用了间接转换的方法。因为学生并没有真正记录下细胞周期不同时期的时间，而是根据得到的每一时期的细胞数与计数细胞总数的比值，来比较细胞周期不同时期的时间长短。这种思维上的转换有一定难度，是对学生想像力的一种挑战。第2节是《细胞的分化》。关于细胞分化，课程标准的要求是“说明细胞的分化”和“举例说明细胞的全能性”，这都是“理解”水平的要求；课程标准建议开展的学生活动是“搜集有关干细胞研究进展和应用的资料”。在多细胞生物体正常的发育过程中，生物体通过有控制的细胞分裂增加细胞数量，通过有序的细胞分化增加细胞类型，进而由不同类型的细胞构成组织与器官，执行不同的功能。细胞分化为某种细胞类群通过相互协同作用完成各种复杂特殊的生物学功能，为生命向更高层次的发展与进化奠定了基础。可以说，细胞分化是多细胞生物体发育的基础与核心。鉴于细胞分化的重要性，课程标准从知识层面对细胞分化的学习内容提出了比较高的要求。本节内容是这样安排的：先介绍什么是细胞分化，细胞分化对多细胞生物体的发育有什么重要意义；再介绍已经分化的细胞，仍然可能具有发育为完整个体的潜能，即具有全能性；最后安排“干细胞研究进展与人类健康”的资料搜集与分析活动。本节的问题探讨是从与白血病及其治疗有关的问题开始的。学生对白血病并不陌生，媒体上经常有号召大家向白血病患儿献爱心，捐款、捐骨髓的报道。但是学生不知道为什么给白血病患者捐献的是骨髓，而不是血液。问题探讨紧扣学生有一定经验基础但是又疑惑不解的问题，引导学生展开本节的学习，旨在吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣。细胞分化是指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。在这个概念中，“稳定性差异”这几个字，内涵很深刻，也是学生不好理解的。因此，教科书在关于细胞分化的概念的叙述上，不是采取演绎式写法，而是采取归纳式，从动植物体胚胎发育的具体事例入手，帮助学生理解什么是细胞分化。动物胚胎发育的过程，以红细胞和心肌细胞的分化为例；植物胚胎发育的过程，以叶肉细胞、表皮细胞和贮藏细胞的分化为例。通过这些实例，帮助学生理解早期胚胎中彼此相似的细胞，经过分裂和分化，发育为形态、结构和功能上不相同的细胞，这一变化过程是持久性的，一般来说，分化了的细胞将一直保持分化后的状态，直到死亡。细胞分化是生物界中普遍存在的现象，是多细胞生物体发育的基础。如果没有细胞分化，就不可能形成具有特定形态、结构和功能的组织和器官。细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。为了帮助学生更好地理解细胞分化的重要意义，教科书在旁栏设置了“想像空间”：大家今天都是高中生，将来可能从事各种职业。想一想，现代社会中有多少种职业？如果没有职业分工，社会的运转状况是怎样的？你个人的生活会与现在有什么不同？在这个“想像空间”里，将高中生与早期胚胎细胞类比，将职业与生物体内各类细胞承担的生理功能类比，引导学生想像如果没有细胞分化，多细胞生物体内将是怎样的状况，从而加深对细胞分化重要意义的理解。细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。但是学生没有学过基因表达，无法理解基因的选择性表达是怎么回事。为了让学生对细胞分化的认识能够深入到本质，即基因水平，而不只是停留在表面现象，即不同类群细胞形态、结构和功能的差异上，教科书先设问：“就一个个体来说，各种细胞具有完全相同的遗传信息，但形态、结构和功能却有很大差异，这是怎么回事呢？”然后以红细胞和肌细胞中，血红蛋白基因和肌动蛋白基因所处的开、关状态不同为例，解释在个体发育过程中，不同的细胞中遗传信息执行情况不同，导致细胞形态、结构、功能上的差异。通过具体的事例，帮助学生理解基因的“选择性”“表达”。紧接着提出下一个问题：高度分化的细胞，还能像早期胚胎细胞那样，再分化成其他细胞吗？由此引入对“细胞的全能性”的学习。细胞全能性的内容与细胞分化的内容密切相关，如此承上启下的衔接，一气呵成，使整节教材的结构完整、连贯。对细胞的全能性的学习，是从1958年美国科学家斯图尔德的胡萝卜组织培养实验开始的，这是一个经典的植物组织培养的实验，也是说明高度分化的植物细胞仍然具有发育上的全能性的例子。用这个例子解释细胞的全能性，学生比较容易接受。现在人们利用植物细胞的全能性，通过植物组织培养的方法，进行花卉、蔬菜等的快速繁殖，拯救珍稀濒危物种，培育作物新类型。但是在动物中做类似的实验要复杂和困难得多，到目前为止，人们还没有成功地将单个已分化的动物体细胞培养成新的个体。那么动物和人体内有没有具有分裂和分化能力的细胞呢？在这个问题下，教科书引出了干细胞的概念。在个体发育过程中，通常把那些具有自我复制能力，并能在一定条件下分化形成一种以上类型细胞的多潜能细胞称为干细胞。这样的概念虽然很严谨，但是太专业，学术味儿太浓，学生不容易理解。因此，教科书采用了高中学生能够接受，又不失科学性的语言，深入浅出地给学生解释什么是干细胞。干细胞存在于有机体的整个生命过程中，根据其发育特点，可以分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞的增殖和分化是个体发育的基础，而成体干细胞的进一步分化是成年个体机体组织细胞损伤修复和再生的保证。近年来哺乳动物胚胎干细胞的分离成功，极大地促进了人们对干细胞的认识，并使干细胞的研究成为生物医学研究的热点领域之一。干细胞的研究为替换病变的组织和器官、某些癌症和遗传病的治疗带来了新的希望。干细胞的研究与人类健康密切相关，有关干细胞研究进展的报道也很多，教科书安排的“资料搜集和分析”活动，鼓励学生通过报纸、刊物、书籍、互联网等途径搜集有关干细胞研究进展的资料，在关注与人类健康密切相关的生物学热点问题的同时，培养资料搜集和分析能力，以及表达与交流的能力。第3节《细胞的衰老和凋亡》，课程标准的要求是“探讨细胞的衰老和凋亡与人体健康的关系”。学生熟悉的是个体的衰老，细胞的衰老是看不见的，那么个体衰老与细胞衰老有什么关系呢？细胞衰老有哪些表现呢？细胞衰老的原因是什么？细胞都要经历出生、生长、成熟、繁殖、衰老、死亡的过程，细胞的凋亡与死亡有什么关系？这一连串的问题构成了本节内容的主线。衰老是生物界的普遍现象。学生每天都会遇到许多老年人。本节的“问题探讨”，围绕学生熟悉的衰老现象，引导学生讨论关于衰老的问题。“问题探讨”所配的小图，是一幅老年人在晨光中锻炼的生机勃勃的图景，这预示着身体的衰老不等同于心理的衰老，老年人的生活也应该是丰富多彩的，我们不仅应该关心老年人的身体健康，还应该为他们营造高质量的生活环境。个体衰老与细胞衰老的关系，学生并不是很清楚。许多学生会认为细胞衰老就会导致个体衰老。对于单细胞生物来说，的确如此。但是对于多细胞生物，生物体内每时每刻都在进行新陈代谢，都有细胞衰老或死亡，也都有新细胞在产生。在旁栏的相关信息里，教科书以人为例，介绍了人体细胞的更新率，以及几类细胞的寿命。当然从总体上看，个体衰老的过程也是组成个体的细胞普遍衰老的过程。细胞衰老的过程是细胞的生理状态和化学反应发生复杂变化的过程，最终表现为细胞的形态、结构和功能发生变化。教科书从细胞形态、结构和生理功能等几个方面的变化介绍了细胞衰老的特征。细胞衰老的原因很复杂，目前对细胞衰老机理的阐明仍处于假说阶段。教科书以小字的形式介绍了目前为大家普遍接受的自由基学说和端粒学说，供学生选学。在关于细胞衰老的学习内容里，教科书安排了“资料搜集和分析”，请学生通过查阅报刊、上互联网，或者走访政府有关部门（如劳动和社会保障部门、卫生部门）和养老院等方式，搜集有关社会老龄化的资料，讨论与社会老龄化相关的问题。这一活动，旨在引起学生对老年人的关心，对人口老龄化给家庭、社会和国家以及老年人自身带来的一系列新问题的思考，渗透情感态度价值观教育。细胞凋亡是由基因决定的细胞自动结束生命的过程，是一种自然的生理过程，与细胞坏死不同，细胞坏死是在种种不利因素影响下，由于细胞正常代谢活动受损或中断引起的细胞损伤和死亡。平时所说的细胞死亡是笼统的叫法，是对细胞凋亡和细胞坏死的统称。为了帮助学生更好地理解细胞凋亡与细胞坏死的区别，理解细胞凋亡是自然的生理过程，教科书从实例出发，以人在胚胎发育过程中尾的消失，蝌蚪尾的消失，以及胎儿手发育的过程中五个手指的分开为例，引导学生认识细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，并且认识正常生理状态下的细胞凋亡对于多细胞生物体完成正常发育，维持内环境稳定，以及抵御外界各种因素的干扰所起的重要作用。第4节《细胞的癌变》，课程标准的要求是“说出癌细胞的主要特征，讨论恶性肿瘤的防治”，活动建议是“搜集恶性肿瘤防治方面的资料”。因此本节安排了癌细胞的主要特征，致癌因子等内容。考虑到第3节《细胞的衰老和凋亡》已经让学生自己搜集与社会老龄化有关的问题的资料，本节不再安排资料搜集活动，而是改为“资料分析──健康的生活方式与防癌”。本节的“问题探讨”从学生熟悉的日光浴引入，让学生讨论晒太阳的利与弊，从而引起学生思考：“为什么臭氧层破坏会导致皮肤癌患者增多？”由此引入细胞癌变的学习。首先介绍什么是癌细胞；然后介绍癌细胞在形态、结构及增殖等方面与正常细胞的相异之处，即癌细胞的特征；再列举三类致癌因子：物理致癌因子、化学致癌因子和病毒致癌因子，并介绍致癌因子导致细胞癌变的原因，引入对“健康的生活方式与防癌”的资料分析和讨论。虽然癌症是威胁人类健康最严重的疾病之一，说到癌症，人们都不寒而栗。但是经过漫长的与癌症作斗争的探索之路，科学家已经找到了一些诊断和治疗癌症的方法，不少癌症患者通过治疗而康复。本节最后一段，以昂扬向上的语调，预示着科学技术的进步，将最终帮助人类攻克癌症，在潜移默化中对学生进行爱科学、努力学习科学文化知识的教育。第4节之后，教科书安排了“与生物学有关的职业──医院里的检验师”。这个阅读资料不仅介绍了检验师的职业性质和主要任务，让学生了解检验师这个职业与生物学的关系；同时也谈到检验师应具备的素质和学历要求，使学生认识到学习知识、发展能力的重要性，以及从事任何工作都应具备的严谨、塌实的工作态度和工作作风。检验师的工作看似枯燥，又默默无闻，但是责任重大、意义非凡，关于这一职业的乐趣的描述，渗透了情感态度价值观的教育。希望学生能从中悟出，工作无高低贵贱之分，每一项工作都有它独特的社会价值，即使是像医院里的检验师这样，从事默默无闻的工作的人们，也值得我们尊敬。