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延展教学主线的“植物组织培养技术”课堂实践

周敏 王荐

[摘要] 课堂教学的有效性依赖于教学设计主线的连贯铺陈。通过延展教学主线设计“植物组织培养技术”一课,让学生从科学史中了解技术,自主归纳技术流程,达成课堂知识目标;从生产实践报告中感受技术,提升差异性思维能力;到生活中运用知识,达成学科核心素养发展。

[关键词] 植物组织培养技术;科学史;教学主线

高中生物选修课程有“依托拓展课程和校本课程,为学生进一步学习和职业规划奠定基础”[1]的作用。课堂上,教师一方面要为学生创造条件达成基本课程知识目标;另一方面要通过多种途径为学生开阔生物科学技术视野,发展学科核心素养。本文以“发展科学史→理论基础→技术流程→工厂实践→优点与应用”为主线,多维度设计“植物组织培养技术”一节教学,为学生呈现完整、立体的植物组培这一现代生物技术。

一、从科学史中了解技术,自主归纳技术流程

1.教师查阅资料,编写科学史学习材料

一部科学史就是一部思想史,亦是一部人类发现问题和解决问题的方法史。用好生命科学史这抔土,可以开出美丽的花。通过查阅资料,教师整理植物组织培养的发展历史。该技术的起源可以追溯到19世纪的细胞学说,至今一百多年的历史可分为三个阶段(简化资料)。

探索阶段:1839年,施莱登(M.J.Schleidon)和施旺(T.Schwann)提出细胞学说。为每个细胞可能独立生活提供理论基础。1902年,哈伯兰特(Haberlandt)预言细胞“全能性”,他用了很多植物材料尝试却没有成功。

奠基阶段:1937年,怀特(White)配制出怀特培养基,并成功诱导番茄根尖切段长出愈伤组织。1957年,斯库格(Skoog)和米尔(Mill)提出激素调控植物组织培养中根、芽的形成。1958年,斯图尔德(F.C.Steward)研究植物生长调节的化学因子。他用胡萝卜根韧皮部成熟细胞离体培养,诱导脱分化得到愈伤组织,再加入从几千加仑椰子水中得到的提取物、液体胚乳等,成功诱导再分化成胚状体,最终获得完整胡萝卜植株。这一植株能开花结果,证实了哈伯兰特的细胞全能性预言。

发展阶段:1960年,莫雷尔(Morel)获得脱毒兰花。1964年,库巴(Cuba)和马毕斯布瓦里(Mabesbwari)用毛叶曼陀罗的花药培育出单倍体植株。1970年,斯图尔德(Steward)悬浮培养单个胡萝卜细胞得到可育胡萝卜植株。1983年,赞布瑞斯基(Zambryski)获得首例农杆菌介导转基因植物。现今,植物组织培养技术与水稻、玉米小麦等的转基因技术结合,开始在生产上大面积推广使用。

笔者在梳理植物组织培养技术发展史时遇到一个小插曲。按照习惯性思维,要了解胡萝卜植物组织培养,就想到查阅斯图尔德当年论文,希望看到操作流程介绍。可是查阅文献发现斯图尔德1959年的论文阐述的主要内容是他用新技术从几千加仑椰子水中提取了诱导植物生长和形态发生的化学物质。他在文章一开头提到“本文将回顾大量已被研究过的话题,将联系整个领域已知的结论和发展趋势,研究植物生长调节化合物”。由此可知,他不是植物组织培养研究的第一人,而是站在巨人的肩膀上,找到了调节植物生长的关键化学因子,最终促成植物组织培养的成功。笔者顺藤摸瓜,通过查阅书籍、知网、生物类杂志等途径找到了诸多科学家参与的将近100年探究资料,将之改编成学生的阅读资料,并注意编排的详略,着重体现植物组织培养技术产生的细胞学理论基础,科学家克服困难的创举,以及突出第一位完成该技术的斯图尔德实验过程。

2.学生利用资料,自主生成技术流程

学生利用这些资料,学习目的有二:第一,阅读科学史,归纳抽提构成技术的要素,用关键词和箭头的形式自主构建植物组织培养技术流程模型达成知识目标。由于科学史亦是一连串相关的科学故事,且是令学生耳目为之一新的新技术,故事读来充满趣味性、启发性和探究性。围绕着组培技术读完科学史,学生自然而然能够生成流程模型,从而达到阐明“植物组织培养是在一定条件下,将离体的植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织,并重新分化,最终形成完整植株的过程”[2]这一次位概念。

第二,品味科学史,发展学生的技术思维和工程思维,实现独特育人价值。实现植物组织培养技术是一项经历了几代科学家的伟大系统工程,学生能够感受多学科交叉以及新技术应用对技术发展的推动作用,继而认同组培技术的复杂性与系统性。梳理这段历史,有助于学生理解科学技术的发生、发展不是一蹴而就的。

二、从实践中感受技术,提升差异性思维意识

植物组织培养技术写进教材已十年有余,且就整个选修三教材而言,植物组织培养技术是诸多现代生物技术中不可多得的能让学生参与体验的技术之一。正因如此,研究者联系了当地的公司,实地了解铁皮石斛植物组培的工厂化生产。此次参观更多地采访了技术员,了解铁皮石斛植物组培的实际生产状况,对理论知识进行拓展。[3]研究发现:教材的植物组织培养技术编写以揭示事物的普遍特征为主,所选案例具有普遍性。而差异性思想作为生物学的重要思想,在植物组织培养这一技术的理论与实践中体现得尤为突出。

1.生产实践与理论流程差异枚举

差异1:生产上用愈伤组织简化微繁流程。人教版教材中表述为“在一定条件下,利用它们(植物)的一片叶子、一片花瓣,甚至一粒花粉,可以得到大量的幼小植株”,即利用少量外植体材料,无限循环操作相关流程就可以实现作物大量繁殖,产量和速度相当惊人。工厂的采访了解到这个流程还能再简化,省去的外植体脱分化过程实际上是省去了一个比较艱难的诱导过程。所以,实际生产中通过对愈伤组织扩大培养,实现更快捷的微繁效果。

差异2:由分化培养基与继代培养基看组培流程。课文中对“分化培养基”有所提及而并未展开讲述,仅在习题答案中出现“继代培养基”。此次采访铁皮石斛的工厂化生产,清楚地看到两条生产路线:一是对愈伤组织扩大培养,愈伤组织保持原形态而不分化,采用的便是继代培养基;二是诱导铁皮石斛外植体长出符合生产要求的根,采用的是诱导生根的分化培养基。不同种类的培养基主要区别在于激素杠杆这根魔术棒的巧妙应用,这对学生深刻理解课文中的“植物生长调节剂在组织培养中的神奇作用”大有益处。

差异3:避光不是培养愈伤组织必要条件。课文中提到“胡萝卜组织块避光培养后观察愈伤组织生长状况”,师生常将其理解为培养愈伤组织一定需要避光条件,考题中也多次涉及需要避光培养。而工厂化生产铁皮石斛,它的愈伤组织扩大培养却并不避光,愈伤组织大方地呈现出绿色并不断增殖。直接从植株附近长出的原球茎(愈伤组织的高级阶段),也无须避光生长。这是铁皮石斛愈伤组织的特殊性,而同一工厂培养的天山雪莲、人参的愈伤组织,却需要严格避光的条件。

综上所述,植物组织培养技术并不是一个固化刻板的过程:不同目的,植物组织培养技术有差异;培养不同种类植物,组织培养技术有差异;同种植物,在不同地方操作,技术也有差异(如在激素配比方面)。

2.差异性思维与探索事物本质的统一性的辩证关系

差异性思维的引入不等于否定书本基本理论。从工厂化生产铁皮石斛操作流程来看,这是对植物组织培养技术流程的灵活应用,基于基础技术而灵活应用于生产实践。正因为这种灵活性,使师生更加关注愈伤组织,产生想要对愈伤组织一探究竟的想法。为此,教学设计了植物组织培养与植物营养繁殖比较环节。学生熟知的景天科植物利用一个叶片(相当于外植体)也能产生一株新植株。对景天科植物进行植物组织培养又会怎样?答案是外植体脱分化形成的愈伤组织能够萌蘖出数十个芽体,进而产生数十个新植株。所以愈伤组织带来的经济效益是巨大的,因而得到工厂的青睐。

反复围绕“愈伤组织”展开植物组织培养教学,在发现差异、了解差异的过程中,学生找到了万变不离其宗的愈伤组织,使其作用得以凸显。可见,实践的差异并未否定理论的实质,而是突出了理论的核心。

3.学生基于证据,理性思考,表达自己

目前普通高中并不完全具备让学生体验植物组织培养操作的条件,但这并不影响我们对于问题的探究、讨论。上文所做的工作是引导学生讨论由生物技术引发的问题,是一种基于工厂生产证据的讨论,有助于了解技术的规范性和标准性,有助于發展思维的严谨性——这是对组培技术流程刻板记忆教学所不能媲美的。

教学如果只围绕课本展开而不加拓展,容易将学生带入思维定式的误区。教师应当在充分利用课本资源的基础上,通过多种途径为学生开阔生物科学技术视野,引导学生基于事实证据、运用科学概念论证客观事物的本质,养成优秀的思维习惯和品质。

三、到生活中应用技术,达成知识深度体验

当学生了解了植物组织培养技术的发展史、感受工厂化生产过程后,就能够知道该技术在哪些方面可以应用,存在怎样的优势。我们只需改变外植体的形式,就可以输出不同的产品。具体如下示意图所示。当外植体材料是花药时,就可以得到单倍体植株;提供杂种细胞可得到杂种植株;提供转基因细胞时可得到转基因植物,为作物育种提供新的途径。当人们提供的外植体是优良品种体细胞时,可以实现优良作物微繁;提供分生区细胞,可以为植物脱毒;提供胚状体加人工种皮,可以得到人工种子,为植物繁殖提供了新途径。

通过这些与生产生活密切相关的现代生物技术,既锻炼了学生在生产实践中自我图式的认知建构能力,又真正意义上让其体会到知识符号背后的价值意义。

[本文系教师教育省部共建协同创新中心“重大疫情危机中的教师教育应对策略研究”项目“大概念视域下‘幼小初高大一体化生命教育课程建设研究”(项目编号:CITE20200105)阶段性研究成果]

[参考文献]

[1][2]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

[3]唐军荣,等.植物组培快繁实例[M].北京:化学工业出版社,2017:5.

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