高中生物人教版 (2019)选择性必修3动物细胞培养表格教案

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3动物细胞培养表格教案，共7页。
课程基本信息
学科
高中生物学
年级
高二
学期
秋季
课题
动物细胞培养
教科书
书 名：生物学·选择性必修3·生物技术与工程
出版社：人民教育出版社 .
教学目标
1. 阐明动物细胞培养的条件和过程。
2. 简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值。
教学内容
教学重点：
1. 动物细胞培养的条件和过程。
2. 干细胞的特点和应用。
教学难点：
动物细胞培养的条件和过程。
教学过程
一、依托碳中和创设情境，感受大国担当
播放2020年联合国大会上习总书记提出我国“2030年碳达峰”“2060年碳中和”的视频，展现全球变暖背景下我国的大国担当。比较全球人口增速、全球肉类需求量和畜牧业的温室气体排放量，得出大规模发展畜牧业有违碳中和初衷。发展畜牧业填补肉类需求缺口并非良策。从而引出动物细胞培养肉，不仅能有效解决肉类供应问题，还做到低碳清洁。此外，我国每年进口大量肉类，涉及国家粮食安全问题。在2021年“十四五规划”、2022年“两会”中动物细胞培养肉被反复提及，可见动物细胞培养肉在保障我国国民肉类供应安全和助力我国碳中和中有重要战略意义。
设计意图：通过全球变暖环境问题下，我国提出碳中和目标，感悟我国大国担当，提升家国情感。通过我国政策导向，关注我国肉类供应安全和碳中和具体措施，明确动物细胞培养肉的广阔前景和重要意义，感受我国在实现碳中和目标中付出的努力。提升基于生物学认识，参与社会问题讨论的社会责任意识。提高政治认同，培养公民品质。
二、探究动物细胞培养肉培养 具体包括四个教学环节：
1.我国自主研发培养基，探究培养条件
材料一：动物细胞体内生长环境。
问题1：内环境为细胞生长提供了哪些适宜的条件？机体是如何提供这些条件的？
学生：结合所学知识，总结归纳内环境为细胞生长提供营养条件、无菌无毒的环境、适宜的O2浓度、温度、PH值和渗透压等。机体是通过各种系统给细胞提供这些条件。
问题2：体外培养细胞没有这些系统，该如何提供细胞所需的条件呢？类比植物细胞培养。
学生：培养基中糖类等有机物提供营养条件；无机盐离子缓冲对提供PH值和渗透压；温度和氧气浓度也是实验室可控的。
证据支持：公司售卖的DMEM标准培养基的组成成分表（表2）。CO2培养箱提供适宜气体条件和维持温度，完善动物细胞培养条件。
材料二：目前动物细胞培养肉成本昂贵，平均成本在几千元人民币每公斤左右，这与已知所需培养条件成本相冲突。原因在于动物细胞培养肉的培养基中还需要加入胎牛血清，其中含有六七十种比例复杂的细胞因子，有利于维持细胞正常生命活动。而胎牛血清取自剖宫产的胎牛，价格昂贵，至使培养基成本在2000元/升。
学生：完善动物细胞培养培养条件，还需加入细胞因子。
资料三：为降低成本，我国科学家研制出了无血清培养基、血清替代物培养基等。2023年3月我国生物公司极糜生物宣布已将培养基成本降至百元范畴，为动物细胞培养肉产业化奠定基础。无血清培养基也有利于提高动物福利。
表2 DMEM标准培养基的组成成分表
成分
Ng/L
成分
ng/L
氯化钙
200
L-丝氨酸
42
九水合硫酸钠
0.1
L-苏氨酸
95
氯化钾
400
叶酸
4
甘氨酸
30
肌醇
4
L-异亮氨酸
105
烟酰胺
4
L-亮氨酸
105
维生素B1
0.4
L-苯丙氨酸
66
维生素B2
4
设计意图：通过类比迁移、证据论证、修改完善动物细胞培养条件，培养学生基于事实证据推理归纳的科学思维。通过了解我国研制的无血清培养基，认识到利用生物学知识解决生产实际问题，同时关注动物福利形成关爱生命的价值观。
2. 问题引领资料引导，探究细胞培养流程
环节
内容
学生活动
提问
动物组织能否直接置于培养基中培养？分散细胞主要用胰蛋白酶，说明细胞间的物质主要成分是？改用胃蛋白酶是否可行？
得出培养细胞需要先将细胞分散开。
资料
动物细胞培养的实验视频。
归纳出动物细胞培养的步骤：取动物组织；分散成单个细胞制成细胞悬液；放入CO2培养箱培养。
资料
细胞在培养瓶中生长的显微照片。
图1 细胞培养贴壁生长
图2 小鼠海马神经元细胞接触抑制
观察到细胞贴壁和接触抑制现象。
提问
是否所有细胞都会贴壁生长和接触抑制？动物细胞培养是否会发生接触抑制？可否解除？
比较贴壁生长细胞和悬浮生长细胞。提出细胞培养中为避免贴壁细胞发生接触抑制应该适时分瓶培养。
资料
图3 血细胞悬浮生长显微照片
图4 癌细胞接触抑制显微照片
提问：动物组织能否直接置于培养基中培养？分散细胞主要用胰蛋白酶，说明细胞间的物质主要成分是？改用胃蛋白酶是否可行？
学生：培养细胞需要先将细胞分散开。
资料：动物细胞培养的实验视频。
学生：归纳出动物细胞培养的步骤——取动物组织；分散成单个细胞制成细胞悬液；放入CO2培养箱培养。
资料：细胞在培养瓶中生长的显微照片。
图1 细胞培养贴壁生长
图2 小鼠海马神经元细胞接触抑制
学生：观察到细胞贴壁和接触抑制现象。
提问：是否所有细胞都会贴壁生长和接触抑制？动物细胞培养是否会发生接触抑制？可否解除？
资料：血细胞、癌细胞的显微镜照片。

图3 血细胞悬浮生长显微照片 图4 癌细胞接触抑制显微照片
学生：比较贴壁生长细胞和悬浮生长细胞。提出细胞培养中为避免贴壁细胞发生接触抑制应该适时分瓶培养。
至此完成了动物细胞培养过程的建构。并引导学生依据培养条件和过程，概括得出动物细胞培养的概念。
设计意图：通过对实验操作和显微照片的观察，发现生物学现象，提出生物学问题，增强学生好奇心和求知欲。并通过材料证据做出解答，提升学生科学探究能力。通过小组活动，提升交流合作能力，培养学生团队精神。
技术突破，建立种子细胞库
资料1：牛肉等肉类，往往由脂肪细胞、肌肉细胞等多种细胞组成。提问：培养动物细胞培养肉时种子细胞能否直接选择肌肉细胞？应该选择哪种细胞做种子细胞？学生首先想到体细胞分裂分化能力有限，干细胞适合做种子细胞。
资料2：间叶干细胞、肌肉干细胞、胚胎干细胞各自获取难度、分化潜能力、增殖能力如下表（表3）。学生自主选择适宜的种子细胞，通过小组讨论交流，最终发现这三种干细胞都各有缺点。
表3 潜在的可应用于细胞培养肉的干细胞来源
细胞类型
分化潜能
获取难度
增殖能力
间叶干细胞
骨骼、肌肉、脂肪
一般
有限
肌肉干细胞
肌肉
一般
有限
胚胎干细胞
全能
非常高
无限
诱导多能干细胞
多能
高
无限
资料3：2006年科学家Shinya Yamanaka在《细胞》上率先报道，通过基因工程诱导小鼠成纤维细胞发生转化，得到的iPS细胞在形态、基因和蛋白质表达、分裂分化能力上都与胚胎干细胞相似。学生分析得出iPS细胞分化增殖能力强，后期获取难度较低，最适合做种子细胞。
目前我国的超技良食公司建有业内领先的种子细胞库雏形，涵盖猪、鸡、羊等各种动物类型，以及肌肉干细胞、脂肪干细胞、胚胎干细胞、多能诱导干细胞等种子细胞。通过种子细胞库可以减少从动物体获取种子细胞的频率，既能降低对大规模畜牧业依赖，节能减排，又能降低细胞培养肉成本。未来将从源头上保障我国动物细胞培养肉产业链，并有利于在全球市场占据成本优势。
设计意图：通过材料分析，用批判性思维辨析各类干细胞作为种子细胞的优缺点，培养科学思维。了解我国生物公司建构的种子细胞库，知晓中国已跻身该领域国际领先水平，增强学生荣誉感自豪感，提升民族自信。
4.打破垄断，实现规模培养
尽管目前我国已经实现实验室合成多种动物细胞培养肉，但细胞培养肉在我国实现产业化落地，仍然面临挑战。
材料1：2021年以色列建成的世界首家细胞培养肉产业线照片，美国在加利福尼亚建立的1400平方米、年产量二十多吨的细胞培养肉工厂照片。学生发现实验室培养和产业化培养相比，规模相差甚远，所以实现放大培养又是难点。
在比实验室大几百倍的生产环境中，任何微小的变化都会带来巨大的影响。而动物细胞培养肉的培养体系，复杂繁琐，整个过程要精确调控。若要产业落地，这一复杂过程还需实现自动化。这就需要工程学技术的帮助。
资料2：2022年11月28日，借助工程技术升级，由我国周子未来公司研发的细胞培养肉在百升级生物反应器完成扩大培养。这是我国细胞培养肉产业化的里程碑，对于打破发达国家在该领域的技术垄断，保障中国未来肉类供应有重要意义。
设计意图：分析全球范围内动物细胞规模化培养工厂，引领学生关注全球行业热点，开拓全球视野。结合我国科学家最新技术进展，感受科学家们力争上游的进取精神，祖国未来的栋梁，树立起报效祖国，建设祖国的志向，为实现中华民族伟大复兴而奋斗。
三、 了解全球市场监管，提高法治意识，培养责任感
新技术的落地离不开法律的监管。教师提供资料：截至目前，全球市场只有新加坡和美国分别于2020年和2023年正式批准细胞培养肉在市场上的销售。市场监管方面：2018年1月，实施的欧洲新食品法规明确将细胞培养肉列为新型食品；2019年3月，美国农业部（USDA）和食品药品监督管理局（FDA）宣布已经建立了一个针对细胞培养肉的监管框架。
虽然我国在细胞肉消费市场在监管层面，还没有相应的监管政策，但国家食品安全风险评估中心（CFSA）明确表示将于2023年成立细胞培养肉专项组，相应监管体系的建设也将提上日程。
设计意图：结合全球范围内相关法规，明确科学技术的应用离不开社会的认可和法律的规范，培养学生法治意识。通过科学理论指导技术发展，科学技术的落地又需要社会的检验约束，认识到科学、技术、社会相辅相成共同促进人类文明进步。
四、关注国内政策导向，增强政治认同，提升自豪感
技术的发展和产业的落地也离不开政策的支持引导，细胞培养肉在2021年的“十四五规划”和2022年的“两会”中被反复提及，足以说明动物细胞肉前景广阔意义重大。科学家们也在不断努力，2023年3月极糜生物成功研发出了中国首块100%细胞培养牛肉，即国内第一块完全不含植物支架的动物细胞培养肉产品。
设计意图：结合细胞培养肉因助力碳中和，符合我国可持续发展理念，而在我国获得了政策支持和积极的政策导向，提升学生的政治认同。通过目前我国动物细胞培养肉最新研究进展，认识到中国人的饭碗要牢牢掌握在自己手里，培养家国情怀。
五、 课后调研实践应用，塑造公民品格，加强使命感
产品的推广必需受到大众的认可。对于细胞培养肉大众认可度，开展课后实践调查，对象为家庭成员和学校师生。统计发现发现在年轻人中接受度在60%左右，而通过学生介绍，了解动物细胞培养肉在碳中和背景下体现出的低碳、绿色、安全、清洁等优点后，接受度达到了80%。
设计意图：学生基于生物学知识参与生物学社会议题讨论，用科学的方法思考分析问题，开展小组合作搜集资料、民情调研，锻炼了科学探究能力，提升了社会责任意识。通过介绍细胞培养肉优点，提升了民众接受度，推崇了健康绿色的生活理念。也促使更多的人关注到生物技术的应用及国家在碳中和过程中的努力。加强学生助力实现碳中和的使命感。