科学前沿 组装细胞第二课时教学设计

“组装细胞”教学设计

陕西省西安中学

生物组

冯芬

一、教材分析

组装细胞是人教版生物必修一第一章走近细胞最后的科学前沿内容，课本用不要一页的篇幅简要的介绍了组装细胞的含义，并以文特尔对人体生殖道支原体的研究为例，展示了组装细胞的近况与目前遇到的问题。

二、学情分析

学生刚刚步入高中阶段的生物学习，对于组装细胞这一类的科学前沿有浓厚的学习兴趣，但他们的生物基础知识还相对薄弱，故本课开展前要让学生以小组为单位在课前自行搜索整理相关的资料与动态。

三、教学目标

引导学生了解组装细胞的相关知识，培养生命观念。

通过了解最新的科研动态，讨论与辩论组装细胞的利弊，培养学生的社会责任。

四、教学重难点

辩证的看待组装细胞（重点）

对基本基因、DNA合成等名词的理解（难点）

五、教学设计

【导入】

想一想：组装细胞需要哪些零件？

展示不同细胞结构的图像。引导学生识别图像与结构。询问学生，真核细胞与原核细胞哪个更容易组装？导出支原体。

【展开】

1.了解支原体：支原体是科学家在1990年发现的一种类似细菌的原核微生物，包括多种类型，可造成多种感染。人体生殖道支原体是目前已发现的最小、最简单的细胞。无细胞壁，仅有480个基因。

2.了解克莱格·文特尔：文特尔是美国生物学家，创立塞莱拉公司，被很多人称为生物学界的“坏小子”，他曾经公然挑战实施“国际人类基因组计划”的六国科学家，并用霰弹枪法（鸟枪法）为基因测序。

3.学生阅读课本相关内容后回答以下问题：①什么是基本基因？②如何确认某基因是否为基本基因？③文特尔的设想遇到了哪些技术性的阻碍？

介绍文特尔关于组装细胞的研究进展：2010年5月20日，美国文特尔研究所宣布世界首例人造生命诞生。起名“辛西娅”（Synthia，意为“人造儿”)。这是一种完全由人造基因控制的单细胞生物，被科学家称之为地球上第一个能自我复制的人造物种，其‘生身父母’是计算机。

设问：“辛西娅”是真正意义上人造生命吗？回答：文特尔自己解释说，这不是彻底人工制造一个全新的生物，而是在更大程度上对一种生命体的改造。不过他认为，这项研究可以从根本上加深对细胞生存最关键条件的理解。如果初步实验取得成功，那么后续的工作就是不断为其增加新的功能。他为自己制订了创造细胞的宏大计划。他把它称为“A原型”，打算利用它作基体，构造出一组更大、更复杂的细胞。

【讨论与辩论】

小组讨论3分钟：全班分为两大阵营：正方讨论：如果可以人工制造生命，你想怎样利用？反方讨论：如果可以人工制造生命，可能会产生哪些风险？

班级辩论：老师主持，具体流程如下：首先正反方各指派一位代表做一辩立论陈词，然后正反方每小组选一位代表轮流发言辩论，最后班级间可自由辩论，要注意秩序与时间的把握。辩论的时间控制在15分钟左右。

【展望】

新兴学科：合成生物学。播放科普中国的科普短片，学生了解合成生物学的应用于前景。

六、教学反思

本节课内容较简单，考试考查较少，故在教学设计上。主要采取学生参与度较高的讨论与辩论形式，在设计思路上注重学生对生物前沿动态的兴趣与关注，弱化条条框框的知识，与学生一起学习他们最感兴趣前沿知识，将课堂还给学生，有效地达成了教学目标，并且学生的辩论参与度高，很多学生课下搜集的资料也很新很细很全，如正方有同学提出未来是否有可能3D打印细胞，从而打印器官；反方有同学提出组装细胞可能制造出人类无法控制的怪兽或病菌等。

改进：在课前提前将学生分好正方与反方（最好提前一周），引导学生利用

课余时间制作PPT。辩论时可利用PPT展示，这样图文并茂，效果更好。

附：克莱格·文特尔简介

生物学界的“坏小子”——克莱格·文特尔

一、挑战人类基因组计划

1990年10月，国际人类基因组计划启动，美、英、日、法、德、中六国相继加入其中，按最初的设想，该项目将耗资30亿美元，在2005年完成全人类基因组的测序工作。然而，1998年5月，生物学怪杰文特尔的介入打乱了人类基因组计划的原有步调。在帕金

埃尔默公司3.3亿美元投资的支持下，文特尔组建了塞莱拉公司，并声称，要在3年内完成人类基因组的序列测定，目的是抢在国际人类基因组计划前完成，以便将人类基因组图谱申请成专利，靠垄断人类基因组信息来谋利。

当时，由政府支持的人类基因组工程已经花了8年时间，仅排定了3%的基因组。所以大部分参与人类基因组计划的科学家对文特尔的话持怀疑态度，认为他只是在吹牛。不过，美国国家人类基因组研究所还是加快了研究进度，他们发表声明说，人类基因组计划的全部基因测序工作将比原计划提前两年，即在2003年完成。文特尔领导的研究小组很快向全世界证明了自己的实力:一年过去，塞莱拉公司在基因组研究方面取得了一个又一个突破，似乎真的走到人类基因组计划的前面。2000年4月6日，塞莱拉公司突然宣布完成了基因测序工作。文特尔的进度迫使国际人类基因组计划于2000年5月10日宣布，基因测序工作的完成时间将再度提前。“公”、“私”两组研究人员之间的竞争日趋白热化。文特尔最终放弃了申请专利的要求，公私双方达成了协议:同时联合宣布成功绘制出人类基因组草图。2000年6月26日，时任美国总统的克林顿在白宫郑重宣布，“人类有史以来制作的最重要、最惊人的图谱”人类基因组草图完成。可是，由于没能申请到人类基因组的专利，塞莱斯公司的股票一落千丈，公司运营出现了极大的困难。文特尔的末日在2002年1月时降临了，公司董事会投票，一致同意将其开除。他只好深更半夜悄悄地溜进自己的办公室收拾东西，离开自己一手建立的塞莱斯公司。

二、尝试制造生命

文特尔率领的研究小组2010年在《Science》杂志上报告说，他们首次培育出由人工合成基因组控制的细胞，从而向人造生命形式迈出关键一步。文特尔声

称，他们是希望更好地了解驱动所有生命的基础机制并利用基因工程制造某些种类的细菌，用于生产燃油或消解毒性废物等。一些环保和伦理组织呼吁国会和联邦政府机构严格监管人造生命研究，确保用遗传工程学方法制造的生物体不会流出实验室，从而对人类生存的环境造成无从预测的破坏。文特尔则认为，不必担心他们的研究成果会危害环境：一方面，研究人员已经把细胞设计成离开实验室环境就无法存活的生命形式；另一方面，细胞本身无比脆弱，只要在遗传密码中出现一个极小错误，细胞就会失去自我复制功能。批评者反驳说，存有艾滋病、马尔堡出血热和其他致命疾病病毒的实验室中有严格的防止病毒外泄措施，但仍有研究人员因针刺破皮肤感染病毒导致病毒流出。另外，他们说，有证据表明，一些流感病毒的传播源于实验室。批评者甚至担心，人造生命技术可能用于制造生物武器。面对人们的指责，文特尔依旧我行我素，因为文特尔对基因研究一直有自己独特的看法:“基因没有好坏之分。”不过，考虑到人造生命研究可能引发的忧虑，文特尔和他的研究团队一直在与宾夕法尼亚大学生物伦理中心合作。

三、海洋深处淘基因宝库

只过了几个月的时间，当初那个文特尔又重出江湖，回到了科学研究工作中。文特尔把他从塞莱斯公司拿到的1亿多美元捐给了基金会，从事对基因的非营利性研究。文特尔宣布，他的新理想可能是科学的终极目标:创造新的生命形式。文特尔利用可以得到的DNA小片段，合成最小和最简单的基因组，一条实验室制造出来的、只有300个基因的螺旋线，并将它嵌入已经被剔除了遗传密码的细胞之中。然后观察这微小的细胞是否完全按照由文特尔简化的生命进程“活起来”，并开始移动、新陈代谢和繁殖。该计划成功，世界上就产生了一种新的生物。他为自己制订了创造细胞的宏大计划。他把它称为“A 原型”，打算利用它作基体，构造出一组更大、更复杂的细胞。在文特尔最简化基体的基础上制造出的其他细胞，将有助于缓解人类在环境和能源方面遇到的难题。它们将捕获二氧化碳，遏制温室效应。它们能清理核废料，并产生大量氢原子，将彻底改变全球能源经济的面貌。所以，当时的能源部长亚伯拉罕在一次新闻发布会上证实，美国政府已经加入了他的计划，能源部已经动用 1200 万美元支持文特尔的冒险。亚伯拉罕说:“这些梦想并非科幻小说。这种研究使我们的未来发生变革的可能性是巨大的。”后来，文特尔突发奇想，把自己的专用游艇“魔法师二号”改装成研究船。

他率领旗下研究人员远征百慕大群岛附近马尾藻海，就地取材，绘制能在马尾藻海生态系统中找到的所有微生物的基因组序列图。文特尔说，科学家通常是以实验室培养的方式研究微生物，可是能够在实验室里培养的微生物与整个生态系统中的微生物数量相比简直微乎其微。文特尔指出，海洋中的微生物基因宝库可任由他们抽取DNA，完全不必培养。而利用基因组定序这项工具，他们能够找到大量的新微生物。文特尔取得了一系列重要发现，他们至少找到了1800个新物种，以及超过120万个新基因。其中782个基因的蛋白质产物对光敏感，可能蕴含微生物将阳光转化为能量的秘诀。此外还有约5000个新基因，其功能涉及将化合物中的氢原子释放出来，而氢气正是人类急需的新型能源。文特尔表示，这些新发现的基因组序列都免费向公众开放。文特尔表示，这些新发现的基因将为他合成新生物提供更多基因素材，创造出有利用价值的新生物可能已经为时为不远。