第六章第1節(jié)《細胞的增殖》教學(xué)設(shè)計課程：高中生物學(xué)教材：高中生物學(xué)人教版必修1分子與細胞章節(jié)：第1節(jié)細胞的增殖教材分析本節(jié)課圍繞細胞增殖的過程及其生物學(xué)意義展開，重點落實細胞周期的階段性特征、有絲分裂的基本過程以及細胞不能無限長大的原因。細胞增殖是生物體生長、發(fā)育和遺傳的基礎(chǔ)，通過介紹分裂間期與分裂期的功能與變化，幫助學(xué)生理解細胞周期的連續(xù)性和調(diào)控機制，體現(xiàn)了生命活動有序性和穩(wěn)定性的基本觀念。教材通過動植物細胞有絲分裂的比較，引導(dǎo)學(xué)生歸納異同，培養(yǎng)比較與推理的科學(xué)思維。實驗觀察洋蔥根尖細胞有絲分裂的過程，不僅提升學(xué)生的顯微操作與觀察能力，也強化了通過實證獲取結(jié)論的科學(xué)探究意識。通過“思維訓(xùn)練”引導(dǎo)學(xué)生從表面積與體積關(guān)系理解細胞大小的限制因素，促進學(xué)生從多角度思考生命現(xiàn)象的科學(xué)原理，有助于形成嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度與邏輯思維能力。學(xué)情分析學(xué)生在初中階段已學(xué)習(xí)過細胞的基本結(jié)構(gòu)和功能，對細胞是生命活動的基本單位有初步認識，這為理解細胞增殖奠定了基礎(chǔ)。高中生的抽象邏輯思維正在發(fā)展，能夠理解細胞周期的概念和有絲分裂各時期的特點，但對染色體行為變化的動態(tài)過程仍存在理解困難。本節(jié)重點是細胞周期的階段劃分和有絲分裂各時期的特征，難點在于理解染色體復(fù)制與分配機制以及動植物細胞有絲分裂的異同。要求學(xué)生能準確描述有絲分裂過程，并能通過實驗觀察識別不同分裂時期的細胞特征。教學(xué)目標生命觀念：通過分析細胞增殖與生物體生長的關(guān)系，理解細胞周期各階段的特點及意義；比較動植物細胞有絲分裂的異同，闡明遺傳穩(wěn)定性的維持機制?？茖W(xué)思維：運用數(shù)學(xué)模型解釋細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系；通過染色體行為推測有絲分裂各時期特征，歸納細胞分裂的規(guī)律性?？茖W(xué)探究：結(jié)合顯微觀察結(jié)果，繪制植物細胞有絲分裂簡圖并描述各時期特點；統(tǒng)計不同時期細胞數(shù)量，分析分裂間期占比高的原因。社會責(zé)任：討論癌細胞失控分裂的危害，形成健康生活方式意識；關(guān)注細胞研究在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用價值，樹立科學(xué)倫理觀念。重點難點教學(xué)重點1.細胞增殖的概念及其生物學(xué)意義。2.細胞周期的階段劃分及各階段的主要變化。3.動植物細胞有絲分裂的過程及異同點。教學(xué)難點1.細胞不能無限長大的原因與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系。2.有絲分裂過程中染色體行為和數(shù)量變化的理解。3.細胞周期各時期時間長短的統(tǒng)計分析方法。課堂導(dǎo)入日常生活中，我們會發(fā)現(xiàn)，傷口過一段時間就會愈合。這是因為傷口處的細胞不斷分裂、增殖，填補了受損的組織。多細胞生物從受精卵發(fā)育為成體，以及生物體內(nèi)衰老、死亡細胞的補充，都依賴細胞增殖。在細胞增殖過程中，細胞是如何保證遺傳物質(zhì)穩(wěn)定傳遞的呢？這就涉及到細胞周期以及有絲分裂等重要概念。接下來，讓我們一起深入學(xué)習(xí)細胞增殖的相關(guān)知識，探索細胞生命活動的奧秘，了解細胞如何實現(xiàn)生長、發(fā)育、繁殖和遺傳的基礎(chǔ)。探究新知1.1細胞增殖情境展示情境資料在日常生活中，我們觀察到不同種類的動物，盡管體型差異巨大，但它們的器官組織中細胞的大小卻相差不大。例如，大象和老鼠的心臟細胞在體積上并沒有顯著差異，但大象的心臟顯然比老鼠的大得多。這說明器官的大小主要取決于細胞數(shù)量的多少，而不是細胞體積的大小。任務(wù)探究為什么大象和老鼠的同類器官細胞大小相似，但器官體積卻差異顯著？如果細胞不能無限增大，那么生物體如何實現(xiàn)體積的增長？細胞在分裂過程中如何確保遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定傳遞？任務(wù)分析器官大小主要由細胞數(shù)量決定，而不是細胞體積。大象和老鼠的細胞大小相近，但大象的器官中細胞數(shù)量遠多于老鼠，因此器官體積更大。生物體通過細胞分裂不斷增加細胞數(shù)量，從而實現(xiàn)體積增長。細胞不能無限增大，否則會影響物質(zhì)交換效率。細胞在分裂前會進行遺傳物質(zhì)的復(fù)制，確保每個子細胞獲得與母細胞相同的遺傳信息，從而維持遺傳穩(wěn)定性。知識講解（一）細胞增殖的概念與意義細胞增殖的定義：細胞通過分裂增加細胞數(shù)量的過程，稱為細胞增殖。細胞增殖的意義：多細胞生物從受精卵發(fā)育為成體需要細胞增殖；生物體生長、發(fā)育、繁殖、遺傳的基礎(chǔ)；補充衰老死亡的細胞，維持組織器官功能。（二）細胞分裂的周期性細胞增殖的過程：細胞增殖包括物質(zhì)準備和細胞分裂兩個連續(xù)的過程，具有周期性。細胞周期的組成：間期：進行DNA復(fù)制和相關(guān)蛋白質(zhì)的合成；分裂期：包括前期、中期、后期、末期，完成細胞分裂。（三）細胞分裂的機制遺傳物質(zhì)的復(fù)制：細胞分裂前，遺傳物質(zhì)（DNA）必須完成復(fù)制，確保每個子細胞獲得完整的遺傳信息。細胞分裂的精確性：細胞通過復(fù)雜的調(diào)控機制，確保染色體平均分配到兩個子細胞中，維持遺傳穩(wěn)定性。前沿?zé)狳c單細胞測序揭示細胞增殖調(diào)控機制研究背景與成果：2023年，國際科研團隊利用單細胞RNA測序技術(shù)，系統(tǒng)解析了人類胚胎早期發(fā)育過程中細胞增殖的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，特定轉(zhuǎn)錄因子和信號通路在細胞周期調(diào)控中起關(guān)鍵作用，為理解細胞增殖的分子機制提供了新視角。應(yīng)用前景：該研究不僅有助于揭示人類早期發(fā)育的奧秘，也為癌癥等疾病中異常細胞增殖的干預(yù)提供了潛在靶點，推動精準醫(yī)學(xué)的發(fā)展。1.2細胞周期情境展示情境資料在醫(yī)學(xué)研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)癌細胞具有異?；钴S的細胞周期調(diào)控機制，導(dǎo)致其無限制地增殖。與此相對，正常細胞的細胞周期受到嚴格調(diào)控，分裂次數(shù)有限。例如，皮膚細胞在傷口愈合過程中會快速分裂，但一旦傷口愈合完成，分裂活動就會減緩甚至停止。這種調(diào)控機制對于維持機體穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。任務(wù)探究癌細胞為何能持續(xù)分裂而不受限制？這與細胞周期的哪個階段調(diào)控異常有關(guān)？正常細胞在完成一次分裂后，為何不會立即進入下一次分裂？分裂間期在細胞周期中起到哪些關(guān)鍵作用？如果細胞周期調(diào)控機制失效，會對生物體產(chǎn)生哪些潛在危害？任務(wù)分析癌細胞通常由于基因突變導(dǎo)致細胞周期調(diào)控蛋白（如p53）功能異常，使細胞在分裂間期無法有效檢測DNA損傷，從而跳過修復(fù)機制，持續(xù)進入分裂期，導(dǎo)致無限制增殖。正常細胞在完成分裂后會進入分裂間期，在此階段進行DNA復(fù)制和蛋白質(zhì)合成，為下一次分裂做準備。同時，細胞也會在此階段進行生長和功能執(zhí)行，因此不會立即進入下一次分裂。若細胞周期調(diào)控機制失效，可能導(dǎo)致細胞異常增殖，引發(fā)腫瘤等疾病。此外，DNA復(fù)制錯誤若未被及時修復(fù)，可能積累突變，進一步加劇疾病發(fā)展。知識講解（一）細胞周期的基本概念定義：細胞周期是指連續(xù)分裂的細胞，從一次分裂完成時開始，到下一次分裂完成時為止的全過程。組成階段：細胞周期包括兩個主要階段：分裂間期和分裂期。（二）分裂間期時間占比：分裂間期占細胞周期的90%~95%，是細胞周期中最長的階段。主要功能：完成DNA分子的復(fù)制；合成與分裂相關(guān)的蛋白質(zhì)；細胞適度生長，為分裂期做準備。（三）分裂期定義：分裂期是細胞進行分裂的階段，包括有絲分裂和細胞質(zhì)分裂。主要方式：真核生物主要通過有絲分裂進行細胞分裂。結(jié)果：分裂結(jié)束后，形成兩個子細胞，每個子細胞可再次進入分裂間期，繼續(xù)細胞周期。圖61細胞周期（以進行有絲分裂的細胞為例）前沿?zé)狳cCRISPR技術(shù)用于調(diào)控細胞周期治療癌癥研究背景：2023年，美國麻省理工學(xué)院的研究團隊利用CRISPR基因編輯技術(shù)，靶向調(diào)控癌細胞中與細胞周期相關(guān)的基因（如CDK4/6），成功抑制了癌細胞的異常增殖。該研究為癌癥治療提供了新的基因干預(yù)策略。與高中生物知識的聯(lián)系：這一研究與高中生物中“細胞周期調(diào)控”“基因表達調(diào)控”等內(nèi)容密切相關(guān)。通過精準編輯細胞周期調(diào)控基因，可以恢復(fù)細胞正常的分裂調(diào)控機制，從而抑制腫瘤發(fā)展，體現(xiàn)了基因技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用價值。1.3有絲分裂情境展示情境資料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植物的生長速度和產(chǎn)量與細胞分裂密切相關(guān)。例如，農(nóng)作物根系的快速生長依賴于根尖分生組織細胞的持續(xù)分裂?？茖W(xué)家通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)，這些細胞中有一部分正處于不同的分裂階段。如果能夠理解細胞分裂的全過程，就可以為提高作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。任務(wù)探究為什么在顯微鏡下觀察根尖細胞時，大多數(shù)細胞處于分裂間期？有絲分裂過程中，染色體是如何實現(xiàn)平均分配的？動物細胞和植物細胞在有絲分裂末期的差異對細胞結(jié)構(gòu)有何影響？任務(wù)分析分裂間期時間最長，因此在顯微鏡下觀察時，處于該階段的細胞數(shù)量最多。在有絲分裂過程中，染色體通過紡錘絲的牽引，排列在赤道板上，隨后姐妹染色單體分離并分別移向兩極，從而實現(xiàn)染色體的平均分配。植物細胞在末期形成細胞板，最終發(fā)育為細胞壁；而動物細胞則通過細胞膜內(nèi)陷縊裂成兩個子細胞。這種差異決定了植物細胞具有固定的形狀，而動物細胞形態(tài)更靈活。知識講解（一）有絲分裂的基本過程分裂間期：完成DNA復(fù)制和相關(guān)蛋白質(zhì)的合成。細胞適度生長，為分裂做準備。前期：染色質(zhì)螺旋化形成染色體。核膜、核仁逐漸消失。紡錘體開始形成。中期：染色體排列在赤道板上。紡錘絲附著在著絲粒兩側(cè)。后期：著絲粒分裂，姐妹染色單體分離。染色體被拉向細胞兩極。末期：染色體解螺旋為染色質(zhì)。核膜、核仁重新出現(xiàn)。植物細胞形成細胞板，動物細胞通過細胞膜縊裂。（二）動植物細胞有絲分裂的異同相同點：染色體行為一致。都經(jīng)歷前期、中期、后期、末期四個階段。不同點：植物細胞無中心體，紡錘體由細胞兩極發(fā)出的紡錘絲形成。動物細胞有中心體，星射線形成紡錘體。植物細胞末期形成細胞板，動物細胞通過細胞膜內(nèi)陷分裂。（三）有絲分裂的意義遺傳穩(wěn)定性：DNA復(fù)制后平均分配，確保子細胞遺傳信息一致。生物發(fā)育與修復(fù)：支持個體生長、組織更新和傷口修復(fù)。前沿?zé)狳c單細胞測序揭示有絲分裂調(diào)控機制的新進展2024年，國際期刊《NatureCellBiology》發(fā)表研究，利用單細胞測序技術(shù)追蹤了有絲分裂過程中基因表達的動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)，某些關(guān)鍵調(diào)控因子在分裂前期被激活，精確控制染色體的凝集與紡錘體的組裝。這一成果為理解細胞分裂的分子機制提供了新視角，也為癌癥等分裂異常相關(guān)疾病的治療提供了潛在靶點。圖62植物細胞有絲分裂的過程（上圖為洋蔥根尖細胞有絲分裂顯微照片，放大500倍；下圖為模式圖）在講解有絲分裂各階段特征時，結(jié)合圖62可直觀展示染色體形態(tài)變化及紡錘體形成過程。圖63動物細胞有絲分裂模式圖在比較動植物細胞有絲分裂差異時，圖63展示了動物細胞中心體和星射線的形成過程，有助于理解紡錘體的構(gòu)建機制。圖64動物細胞有絲分裂電鏡照片圖64提供了動物細胞有絲分裂末期的真實圖像，有助于學(xué)生理解細胞膜內(nèi)陷和縊裂的過程。1.4無絲分裂情境展示情境資料在某些低等動物或特定組織中，細胞分裂的方式并不總是我們熟悉的有絲分裂。例如，蛙的紅細胞在進行分裂時，并不會形成紡錘體，也不會出現(xiàn)染色體的典型形態(tài)變化。這種分裂方式被稱為無絲分裂，其過程相對簡單，但同樣能夠?qū)崿F(xiàn)遺傳物質(zhì)的均等分配。任務(wù)探究無絲分裂與有絲分裂在分裂過程中有哪些顯著區(qū)別？為什么蛙的紅細胞選擇無絲分裂而不是有絲分裂？無絲分裂是否會影響遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性？請結(jié)合細胞分裂的基本功能進行分析。任務(wù)分析無絲分裂過程中不出現(xiàn)紡錘絲和染色體的變化，而有絲分裂則具有完整的染色體形態(tài)變化和紡錘體的形成。蛙的紅細胞在成熟后仍保留細胞核，其分裂過程較為簡單，不需要復(fù)雜的調(diào)控機制，因此采用無絲分裂更為高效。無絲分裂雖然過程簡單，但在遺傳物質(zhì)的分配上仍能保持相對穩(wěn)定，滿足細胞增殖的基本需求，因此在特定細胞類型中具有適應(yīng)性優(yōu)勢。知識講解（一）無絲分裂的基本過程細胞核的變化：細胞核首先延長，中部向內(nèi)凹陷，最終縊裂為兩個細胞核。細胞質(zhì)的分裂：整個細胞從中部縊裂成兩部分，形成兩個子細胞。（二）無絲分裂的特點無紡錘絲形成：分裂過程中沒有紡錘體的出現(xiàn)。無染色體變化：沒有染色體的凝縮、排列和分離等典型有絲分裂現(xiàn)象。分裂過程簡單：相較于有絲分裂，過程更直接、所需能量更少。（三）無絲分裂的典型實例蛙的紅細胞：是無絲分裂的典型代表，其分裂過程如圖所示。蛙的紅細胞無絲分裂示意圖前沿?zé)狳c無絲分裂在再生醫(yī)學(xué)中的研究進展近年來，科學(xué)家在研究斑馬魚心臟再生過程中發(fā)現(xiàn)，部分心肌細胞在再生過程中采用類似無絲分裂的方式進行增殖。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認為只有有絲分裂才能支持組織再生的觀點，為再生醫(yī)學(xué)提供了新的研究方向。研究表明，在特定生理條件下，無絲分裂可能在維持組織穩(wěn)態(tài)和促進再生中發(fā)揮重要作用，這為理解細胞分裂的多樣性及其生物學(xué)意義提供了新的視角。思維訓(xùn)練運用模型作解釋情境展示情境資料在自然界中，細胞的大小并不是隨意決定的。無論是單細胞生物還是多細胞生物的細胞，它們的體積都受到一定限制。例如，哺乳動物的紅細胞直徑約為7～8微米，而某些細菌的細胞直徑僅為1微米左右。盡管細胞種類繁多，但幾乎沒有細胞能無限增大?？茖W(xué)家通過建立數(shù)學(xué)模型，模擬不同大小的“細胞”結(jié)構(gòu)，研究其表面積與體積之間的關(guān)系，從而解釋細胞不能無限長大的原因。任務(wù)探究為什么細胞不能無限增大？表面積和體積的變化趨勢如何影響這一現(xiàn)象？如果細胞體積增大，物質(zhì)運輸效率會發(fā)生怎樣的變化？細胞體積越小是否越有利于物質(zhì)交換？是否存在限制？任務(wù)分析細胞不能無限增大是因為隨著體積的增大，表面積與體積的比值減小，導(dǎo)致細胞膜無法滿足細胞內(nèi)部物質(zhì)交換的需求。當細胞體積增大時，細胞內(nèi)部的物質(zhì)運輸路徑變長，而細胞膜的面積相對減少，運輸效率下降。雖然細胞體積越小，表面積與體積的比值越大，物質(zhì)交換效率越高，但細胞體積也不能無限縮小，因為細胞需要容納基本的生命活動結(jié)構(gòu)和分子。知識講解（一）細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系表面積與體積的比值變化：隨著細胞體積的增大，其表面積增長速度小于體積增長速度，導(dǎo)致表面積與體積的比值減小。數(shù)學(xué)表達式為：表面積A=6a2，體積V=a3，比值A(chǔ)V物質(zhì)擴散效率：物質(zhì)在細胞內(nèi)的擴散速率是恒定的，若細胞體積過大，擴散路徑變長，導(dǎo)致運輸效率下降。假設(shè)擴散深度為固定值，體積越大，未被擴散到的區(qū)域比例越高。（二）細胞大小的限制因素表面積限制：細胞膜是物質(zhì)進出的唯一通道，表面積不足將限制營養(yǎng)物質(zhì)的攝入和代謝廢物的排出。內(nèi)部結(jié)構(gòu)需求：細胞必須容納細胞器、遺傳物質(zhì)等基本結(jié)構(gòu)，體積過小將無法維持正常生命活動。細胞模型示意圖前沿?zé)狳c微流控芯片模擬細胞微環(huán)境研究研究背景與意義：近年來，科學(xué)家利用微流控芯片技術(shù)構(gòu)建微型細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，模擬細胞在不同體積和表面積條件下的物質(zhì)交換過程。2023年，美國麻省理工學(xué)院的研究團隊開發(fā)出一種可調(diào)節(jié)通道尺寸的芯片，用于研究細胞在受限空間中的生長行為。該研究揭示了細胞在不同物理限制下如何調(diào)整其代謝和信號傳導(dǎo)機制，為理解細胞大小調(diào)控提供了新的實驗平臺。對教學(xué)的啟示：這項技術(shù)將細胞生物學(xué)與工程學(xué)結(jié)合，展示了如何通過控制物理參數(shù)研究細胞行為，有助于學(xué)生理解細胞大小與功能之間的關(guān)系，并激發(fā)對跨學(xué)科研究的興趣。課堂練習(xí)第1題【題文】如圖為某動物（2n）精巢中正在分裂的甲、乙兩個細胞，已用紅色和綠色熒光分別標記了兩條染色體的著絲粒，在熒光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)熒光依次出現(xiàn)在甲細胞的①→②→③處以及乙細胞的①→②→③→④處。下列敘述正確的是（）熒光出現(xiàn)在①處時為觀察染色體形態(tài)、數(shù)目的最佳時期熒光出現(xiàn)在③處時甲、乙兩細胞中均不含姐妹染色單體熒光出現(xiàn)在甲的③或乙的④處時細胞內(nèi)染色體組數(shù)為2乙細胞中熒光由③移動至④的過程中會發(fā)生基因重組【答案】D第2題【題文】某同學(xué)對某動物精巢切片進行顯微觀察，繪