高中生物专题9生物技术在其他方面的应用.doc

2010年鲁、琼两省普通高中生物学科新课程远程研修文本资料专题9：生物技术在其他方面的应用课程专家：刘恩山北京师范大学教授、博士生导师参与成员：乔文军北京十一学校高级教师王 蕾北京166中学特级教师康 磊北京166中学高级教师主 持 人：王 蕾北京166中学特级教师第1学时王 蕾：各位老师，大家好！欢迎收看高中生物新课程远程研修选修一模块专题四生物技术在其他方面的应用节目。本专题包括尝试植物的组织培养、蛋白质的提取和分离、还有一个是PCR技术的基本操作和应用3个课题。本专题研讨将分为2个课时进行，第1学时我们将集中针对植物组织的培养进行探讨，第2开是我们针对PCR这个专题进行研讨。在今天的研讨中，我们非常高兴地请到了国家生物课程标准核心组成员、北京师范大学教授刘恩山老师，还有北京十一学校生物教研组长、北京市生物学科带头人乔文军，还有一六六中学的康磊老师，欢迎你们。接下来我们针对这个专题首先从宏观上，我们要了解一下，在这个模块当中包含4个专题，其中4.4专题在整个选修一模块中的地位和价值，我们首先请刘老师谈谈您的想法。刘恩山：我们要讨论的这个专题实际上在选修一模块中是第四个专题，选项模块一一共包括了4个2级主题，我们也把它叫做4个专题，从先后的顺序来看呢，它排在第四个专题。而第四个专题从它的内容和要求上，跟前面的实验有根本的差别，前面的实验和技术可以说是经典的实验和技术，而专题4是现代生物技术的内容，大家都知道，我们通常在媒体或在交流中说到的技术主要是指现代生物技术，而真正在我们高中课堂教学中，从初中到高中从实质上涉及到现代生物技术实际上就聚焦到了这个模块当中的这个主题，这是其在整个模块的地位。那么这样的一个模块中的地位和安排，实际上是这个内容本身决定的，因为学习这个内容，真正的理解这个内容，对学生的基础知识要求比较高，要求他们生物学的基础知识，甚至要求他们一些化学的和必要的物理学的知识，有一定的基础他们才能很好的去理解和接受，甚至是认识它的实质、原理和特点。从内容本身来讲，它主要涉及到了组织培养，PCK的技术，蛋白质的提出和分离，从内容来看，它涉及到了细胞工程、基因工程、蛋白质工程相关的内容，所以说它在整个选修一模块中的地位实际上是比较高的一个地位。它的教学要求也比较高，这就说到了另外一个问题，那在这个模块当中，对实验的开设对内容的选择，相对提出了较高的要求。从整个高中的内容来看呢，它实际上要依赖必修模块一和模块二的成果，那么把这个作为先修的内容，然后展开，让学生能看到生物学的概念和原理怎样在技术层面变成应用，怎样改变人们的生活，提供人们需要的产品，所以对理论的支撑，对生物学原理的认识，要有提升要有加强。对于另外一个选项模块，选修模块三来讲说，其实它们也有相关的内容。选修模块三当中更多谈到了现代生物技术的不同方面，而实际上它又为选修模块三提供了支撑，所以它也在模块里的地位和相互关系体现在必修模块和选修模块6个模块中。整个这个专题的价值，在学生学习完之后，如果我们选了这样的内容，我们希望学生对必修模块中学过的细胞的知识、关于遗传学的知识能够得到加强和加深理解。同时他们对什么是科学，什么是技术，技术的这样一些特点能够一些更深层的认识，当然在操作技能上、在动手技能，对技术本身的认识方面以及怎样理性的使用技术这样的情感态度价值观以及科学-技术-社会方面，也希望学生有所进步和相应的学习成果，这个就是这部分的我们的一些基本思想。王 蕾：刚才刘老师从今天研讨的专题在整个模块中地位和价值和大家做了交流。通过刘老师的交流这三个课题在选择模块一中更多的体现了技术性和它的时代性。那么最主要的这个三个专题中，我们选择植物组织的培养，因为据我们的了解，大多数学校都会选择植物组织培养，来进行专题的研究。下面我们就植物组织培养的这个课题，来看看它在整个模块中的地位，不知道老师们是怎么理解的。王 蕾：刚才刘老师从今天研讨的专题在整个模块中地位和价值和大家做了交流。通过刘老师的交流这三个课题在选择模块一中更多的体现了技术性和它的时代性。那么最主要的这个三个专题中，我们选择植物组织的培养，因为据我们的了解，大多数学校都会选择植物组织培养，来进行专题的研究。下面我们就植物组织培养的这个课题，来看看它在整个模块中的地位，不知道老师们是怎么理解的。乔文军：这是王老师刚才说的这样的一个情况，各个学校都会把植物组织培养的主题呢作为现代生物技术具有代表性的课题来展开教学。那么植物的组织培养它独特的特点和价值体现在那些地方呢？刚才刘老师提到了，这个模块或者这个专题，它本身与必修的内容有必然的联系，从植物组织培养的角度来讲，它的重要的理论基础就是细胞的全能性，在这点上它恐怕要很好的体现必修一里面分子与细胞的部分，关于细胞的增殖啊、细胞全能性这样的一些基础的理论，对于现代生物技术的这样的支持。这是一方面，那么第二个方面呢，从现代生物技术，我们说细胞工程、基因工程或者蛋白质工程，这几大领域是彰显我们生物技术时代性的一些不同的领域，而在细胞工程的领域里边，植物的组织培养或者动物细胞的组织培养是有一些共性在里边的，而从中学这个阶段实施这样一个尝试和体验来讲的话，显然植物的组织培养从取材、对学校要求的条件以及对学校来讲，它的操作难度来讲更可行一些，所以这也是通过植物组织培养来了解细胞工程的一个首选。第三个方面的话，把植物组织放在我们学习的课程当中，还有一定是当我们去关注现代生产或生活，我们会发现植物组培已经走进了我们的现实，走进了千家万户，比如说当我们去鲜花市场去买鲜花的时候，应该说很多鲜花的生产工艺就离不开组培，如果再关注一下我们的农业和园艺工作，其中很多育种的工作就包括组培，还包括一些植物的细胞合成产物的提取，在制药或各个方面都有相应的应用。所以这些方面都会使得植物组培在我们专题四中具有代表性的一个课题。刘恩山：是的，比较多的学校把这个专题内容的首选放在了组培上面，其实还有另外的一个原因，虽然开展组培这方面的活动对于硬件的要求还是有一点要求。这个模块当中微生物方面的或者发酵方面的会需要更好的一些条件和设备，但那时有一个比较好的地方，一旦这些设备购置了，这些设备可以较长时间的稳定的使用，后续的投入不是非常大，学生开展其活动来，安全性以及实验本身的药品对环境的污染的方面都是比较小的，比较适合在高中阶段来开展。王 蕾：实际上刘老师谈到了，组织培养从它本身而言，学校要构建组培室满足现行的组织实验的可行性是很强的，而且还有很多一劳永逸的效果。但是也有很多学校，目前，老师们说，我也听到，不具有这样的条件，虽然组培从知识上，学生可以够得上，从高考的要求上，组培的原理是列入高考考试说明当中的，是二级要求的，应用水平的要求，第三个从它的本身而言，比如基因工程啊都依托于组培。而且学生也非常感兴趣，但是还是有很多老师说我们不具备这样的条件。那么下面我们就来看一看，如果要开展植物组织培养的实验，实验室需要具备哪些条件，请康老师谈谈你的看法。康 磊：咱们从最正规的组培实验室来说，它应该有严格的分区，有药品准备区，有咱们的无菌的接种去，还有培养区和炼苗区。如果做得更好的话，我们会做一个车间来进行接种，我们一般现在能做到的接种车间是做一个外接的车间来进行接种，然后实际上我真正开展这个实验不一定要有这个洁净车间来开展这个实验，也不一定飞得要有一个专门的教室让我打出隔断才能开这个实验，实际上做一个组培的实验最低要求就是要有一个灭菌锅和一个超净台，这个就能满足我洁净的要求，甚至有些学校我就找一个很小的灭菌锅或者高压锅，进行细菌的灭菌，甚至我都没有超净台，甚至没有超净台，在没有超净台的情况下，我选择比较容易做的材料，就用胡萝卜，然后我就在外面的开放的环境下，我就点上两个酒精灯，最主要保证在火焰温度的范围内，温度可以保证我无菌，把我的瓶子也置于酒精灯的外焰，而胡萝卜也进行外部的消毒，用消毒的刀片割里面的韧皮部直接到，一般稍微好点学校还是能保证灭菌锅和超净台这些的，可能对教室要求个别学校可能不太满足。如果有灭菌锅和超净台这个实验是完全可以开设而没有问题的。刘恩山：高端也可以，低端也可以开展，但是最好是有两个最基本的条件就是灭菌锅和超净台，基本投入。王 蕾：的确也是，在北京也是有不同的情形，比如乔老师像你们学校，因为你们十一学校也是一个非常好的学校。乔文军：应该说在北京，高中示范校在实验室这方面的配备上已经做了很好的尝试。那么据我了解呢，其实各个区县也会随着教育的这方面投入逐渐的加大，都在有这方面的考虑。那么我们学校来说，确实有一些专门的这样的组培室，实际上我们学校还不是最早建起来的，在北京应该说比如我们一六六也做的很好，然后八中还有很多这样的学校，植物组培的实验室的建设是非常不错的。那么康老师刚才说的非常好，如果我们的场所是专门的，设备是非常专业的，那可能是让更多的孩子能够更接近更规范的植物组培去学习和了解。如果相对简单一些，通过我们的操作，去理解基本的原理去体验这样一个基本的流程，再结合这样的一些录像啊视频啊和网上资料，就可以把我们这个课程完成。王 蕾：从可行性来看，有一个高压灭菌锅，有一个超净台应该没有问题，所以这个实验在实际教学中可行性很大，有了这样一个前提保证，我们下一步要进行这个实验的时候，尤其没有经验的老师，可能会出现跟学生同步实验，那么这里面有问题，植物组培需要一定的周期性，实验前需要进行一些前期的准备，就我们在教学但总，具体到植物组培而言，我么应该从那些方面做一些前期的准备，还是请康老师谈谈你的观点。康 磊：实际上，组培还是应该先从植物材料上去准备，因为在很多学校刚开始开设这个组织实验，他手中根本就没有我们这个组培材料。一般组培材料获得方法就是跟别的学校去交换或借一些，或者我们自己找外部自然状态下的植物，自己从外植体消毒开始做起。但是还是建议，如果能从别的学校借来无菌，自己能够培养起来会跟更好，它要比外植体消毒的污染率低一些，特别是我们学生没有操作经验，直接用外植体做的话污染率会很高，而且很多学校也没有实验室的这个条件，所以我为了降低污染率，咱们成功率高一点，而且成功率高学生也会更有兴趣，所以最好还是能够找到一些无菌苗，那么无菌苗借来或交换来一般只有一小瓶，老师自己要进行一个扩繁，有一定规模以后，学生多每个人要分上一点，在有准备就是培养基的准备，消毒，主要是实验材料。乔文军：我觉得康老师说的这点，我还想补充一点就是说，真是从第一次开始做的话，拿我们学校的经验来讲，还是建议用已经培养好的瓶装的苗来比较好做，成功率比较高。对季节和时机的选择也低，如果我们取外植体的话，取什么样的材料，在什么季节才能却得到，要考虑的因素比较多。刘恩山：特别是学生通常只会有一次机会，如果成功率高一点，特别是在集体中，成功率高一点会让学生学习效果好一些。一个是，不光是中学生，老师来做这个东西，他第一次做也会相对较低。王 蕾：从实验材料上，优选的是无菌苗，学生容易从成功当中获得他的肯定吧，给他继续做的信心。其实还有一些其他的材料可以去替代，比如胡萝卜，刚才康老师也谈到了，胡萝卜虽然是外植体，它的消毒过程是相对简单的，如果取到韧皮部内部的部分，简单消毒的成功率也是挺高的。但是更多的经验来看，是用无菌苗会更好，不同地区不同学生比较也有差异。第二实验的器具也要准备，这是一个大问题，在组培中培养皿、锥形瓶用的量是非很长大的，尤其是一个学校几个班的同学同时去做的时候，你要考虑先后的次序，因为你不可能一下购置8个班的器具，可能先做4个班，4个班延后。乔文军：是的，而且选择不同的组培的材料之后，培养基的配方也得做进一步的尝试。老师也要做一些预实验，可能买的不同批次的一些药品培养的效果也不一样。王蕾；其实即使有比较成熟的配方，在操作中也会受到其他因素的影响，做预实验是老师必须要做的。还有一个是学生的分组问题，因为条件特别好的学校，我超净台足够多，我一个班的学生同时上，没有问题，但是大多数学生不行，这时需要给学生分好组，有秩序的进行整个组培的以班为单位的教学。刘恩山：我想再补充一句，因为刚才也谈到了成功和失败的问题，正好我们强调了采用简易的措施来提高成功率，但是我想尽管我们采取了措施，在技术的实践当中是不可避免的，失败也是学生学习中的一种经历，而且从技术性质来看，技术本身不能保证没有失败，所以在这样的过程中，有些同学成功了，有些不成功，在这样的成功或者不成功的共同之处来让他们理解什么是技术，分析失败的原因，也不要忽视失败的经历。王 蕾：我这有一个课例，是潞河中学的老师，她就是非常巧妙的捕捉到了学生在这个过程中，有一些失败的环节，她不做了，然后在她一节课收尾的时候打出来，让学生一起去分析。让我一起来看一下这个视频：【潞河中学老师捕捉到学生实验操作中的典型错误】王 蕾：感概我们看到的这个视频当中，其实不光是这个班孩子出现的问题，这些问题是有共性的，但是在一节课在收尾的时候引导孩子们去看，去纠错，从失败的角度让他们去学习。乔文军：我刚才一边看，一边想，加如这个录像不是最后放，而是放在课开始的时候，然后老师会把每一个细节事无巨细的全部讲清楚，那又是会怎样的效果。我想可能会，学生真正的做的时候，没有一点瑕疵了，做的很顺利，但是一个问题就是，在面对这样的一个实践的场景和机会的时候，学生会在一种长久的等待当中，在没有真正尝试的时候，在把一切问题都排除在外的时候，在获得这种动手的机会，可能他的兴奋点也没有了，而且失去了对这些问题发现和经历，那反倒他掌握起来反而不是一个最好的效果，真的很欣赏这位老师这样做。王 蕾：实际上就是体现了一节课，究竟谁是主体，究竟是老师还是学生，如果放在前面就是老师我不希望你犯这样的错误。刘恩山：另外一个，在这样的活动中，我们老师会给学生提供一个基本的配方和原理，但是在学生的实践活动中，仍然也充满了探究的活动，对失败的分析，每个要素对结果的贡献和作用等等，在这个过程中即使一个动手的过程，对原理理解的过程，也是一个动脑的过程，问题解决的过程。王 蕾：刚才我们看了这个视频，我们还有一段这个老师的视频，那么这个实验中一个重要的问题，就是污染的问题，对于这个问题怎么组织讨论这个问题，这个老师也是有她很独特的地方。【视频：污染原因的讨论】王 蕾：这个视频当中，其实这个老师我们看是在给一半学生上课，另一半学生去接种了，她很巧妙的组织学生去讨论实验的结果。实验的结果肯定不是这个班做的，她拿了别的班的，但是她选取了几个案例是很有代表性的，第一个材料胡萝卜，在接种实验过程中，对照组1号瓶是正常的，随后就提出2号瓶、3号瓶跟一号瓶相对比，你们发现什么问题。其中2号瓶就是污染的问题，霉菌的污染。3号瓶里有1、2、3三个平行的组，其中1号瓶学生通过观察看到培养基裂了，没有污染这个苗也没有长好，培养基为什么没有长好，引导学会生去讨论，老师给出答案。第三组的二号瓶里，让学生看的是取材的大小，胡罗卜