ADI教学模型在“黄花蒿组织培养”中的实践应用

摘要

以黄花蒿为材料进行植物组织的培养，引导学生设计不同培养方案，探究组织培养的途径和影响因素。应用ADI教学模型，并基于一个问题、两个质疑和两套实验探究方案，发展学生的批判性思维和科学探究等素养。

Graphical abstract

关键词

ADI教学模型 / 植物组织培养 / 黄花蒿 / 实验教学

Sampson等^［1］提出的论证探究式（Argument-Driven Inquiry，简称ADI）教学模型，是将论证环节融合科学探究过程的教学模型。传统课堂更注重知识的传授和记忆，这导致长期缺乏质疑训练的学生会形成依赖性思维，习惯于接受现成的答案。ADI教学模型促使学生主动参与论证的建构和分析，对信息进行筛选、质疑并积极寻找新的实验证据，有助于培养学生的批判性思维和科学探究等素养。ADI教学模型除实验探究和论证环节外，还包括反思性讨论、撰写研究报告、双盲小组互评、形成总结报告等环节，着力培养学生的自主探究能力和思辨能力。借鉴虞驰等^［2］、应晓屹等^［3］的教学实践，将ADI教学模型简化（图1）并应用于“黄花蒿组织培养”的实验教学中，学生体验离体的植物组织在适宜的培养条件下经历两种途径重新分化形成完整植株的过程，加深学生对植物细胞全能性的理解。

1 教材与学情分析

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《新课标》）在教学提示中要求^［4］，为帮助学生达成对概念“细胞工程通过细胞水平上的操作，获得有用的生物体或其产品”的理解，促进学生科学探究素养的提升，应开展“利用植物组织培养技术培育菊花或其他植物幼苗，并进行栽培”的活动。通过对植物细胞工程的基本技术的理论学习，学生已了解植物组织培养的操作过程和影响因素，也掌握了一定的消毒和灭菌技术。

2 实验用具及试剂

2.1 材料和试剂

材料：黄花蒿（Artemisia annua）。

试剂：5 mg/mL 6-BA（6-苄氨基嘌呤，用1 mol/L NaOH溶解）、5 mg/mL IBA（乙哚丁酸，用1 mol/L NaOH溶解）、5 mg/mL NAA（萘乙酸，用1 mol/L NaOH溶解）、MS培养基（每1 000 mL蒸馏水溶解41.78 g）、1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl、3%次氯酸钠、70%酒精、蒸馏水。

1号培养基的配方：MS培养基+0.5 mg/L 6-BA。

2号培养基的配方：MS培养基+0.5 mg/L 6-BA+0.5 mg/L IBA。

2.2 仪器设备和实验器具

植物组织培养瓶、智能光照培养箱、镊子、剪刀、解剖刀、培养皿、定性滤纸、牛皮纸、棉线、酒精灯、超净工作台、接种器械灭菌器、高压蒸汽灭菌锅、烘箱、电子天平、电磁炉、脱脂棉球、橡胶手套、pH试纸、烧杯（50 mL、100 mL、250 mL、500 mL、1 000 mL）、容量瓶（100 mL、250 mL、1 000 mL）、移液器（1 000 μL、100 μL）、枪头（1 000 μL、100 μL）。

3 教学活动设计

3.1 布置任务，问题引导

宁波籍科学家屠呦呦从黄花蒿中提取青蒿素，为治疗疟疾作出了巨大贡献。目前，中国中医科学院已培育了一批优质、高产的黄花蒿新品种。若想要大规模种植具有优良性状的黄花蒿，需要利用好植物组织培养技术。为此，教师可开放植物组织培养实验室和无菌操作实验室，组织学生完成黄花蒿组织培养。设定活动待解决问题：黄花蒿组织培养能以何种途径实现植株再生？

3.2 设计实验，采集数据

将学生分组，小组内成员进行任务分工，包括培养基配制和灭菌、外植体消毒和接种、培养和观测等。

首先，制订以带芽的茎段为外植体进行黄花蒿组织培养的实验方案，具体操作流程如下。

（1） 培养基配制和灭菌：用电子天平称取MS培养基并加热溶解。用移液器吸取6-BA 0.1 mL，将其加入MS培养基中，配制成1号培养基，并调节pH至5.8；将培养基、蒸馏水、器具等置于高压蒸汽灭菌锅内，保持121 ℃灭菌20 min；灭菌后的器具用烘箱（80 ℃）烘干，冷却备用。

（2） 外植体消毒和接种：取黄花蒿幼嫩组织，流水冲洗30 min；在超净台上，将黄花蒿材料放在70%酒精中浸泡10 s，无菌水冲洗两遍；在3%次氯酸钠中浸泡10 min，无菌水冲洗两遍，再用无菌滤纸吸干材料表面水分；用无菌解剖刀切下带芽茎段约0.5 cm，将茎段形态学下端插入培养基中；每瓶接种4个外植体，共接7瓶。

（3） 培养和观测：设置智能光照培养箱温度为25 ℃，避光培养；拍照记录外植体的形态变化并记录数据。

其次，实验结束后，统计11个外植体茎段上长出的幼叶，芽萌发率达到39.3%；记录外植体长出叶片的时间，发现最快7 d左右外植体茎段上的芽萌发，生长形成枝叶，但始终没有观察到愈伤组织产生。

3.3 分析数据，形成主张

学生基于实验现象展开小组讨论，构建完整的“证据—推理—主张”论证过程。证据：在适宜的培养条件下，外植体茎段上的芽能直接长出幼叶，并快速生长。推理：外植体茎段中的芽是分生组织，能直接分裂分化产生叶。主张：外植体茎段上的芽可以不通过愈伤组织直接萌发产生叶，再生根，此过程属于植物组织培养的分生组织途径。

3.4 质疑及寻找新证据

针对如何诱导外植体脱分化产生愈伤组织的问题，学生从外植体的选材部位、植物生长调节剂和光照等3个因素提出猜想。汇总各组学生的讨论结果，提出以下两点疑问：①以叶片为外植体会以何种途径实现植株再生？②脱分化和再分化是否会受到植物生长调节剂和光照等因素的影响？

学生有针对性地设计实验方案，新增3项研究内容：以叶片为外植体进行培养；研究植物生长调节剂的种类和配比对形成愈伤组织的影响；研究光照对脱分化、再分化的影响。3项研究内容同步进行，具体操作是用无菌解剖刀切下幼嫩叶片约0.5 cm²，接种于培养基表面，保证叶片与培养基表面紧紧贴住，其他操作不做变更。按照表1培养基中植物生长调节剂的配比分组，培养后得到愈伤组织形成率的实验数据。拍照记录的愈伤组织的外观与形态如图2所示。

第1~第3组愈伤组织形成数较少，IBA对诱导产生愈伤组织的影响不大；第4~第6组的愈伤组织形成数较多，IAA对诱导产生愈伤组织影响较大；第7~第9组的愈伤组织形成数比IBA和IAA处理组都多。可见，NAA对诱导产生愈伤组织有显著效应，其中添加0.5 mg/L 6-BA、0.5 mg/L NAA组的效果最佳。

待外植体形成愈伤组织后，若保持避光培养，则愈伤组织只生长但不分化。将第1~第6组愈伤组织转移至2号培养基上诱导不定芽再生，光照培养约20 d，共有14个愈伤组织再生不定芽（图3）；第7~第9组的愈伤组织仍保留于原培养基中，愈伤组织均有不同程度再生不定根，第7组生根3个，第9组生根7个，第9组生根2个（图4）。

3.5 达成共识并修正主张

在上述实验证据的支撑下，进行推理：植物生长调节剂的浓度和配比影响脱分化，光照是促进再分化的必要条件。综上所述，师生达成共识，并修正主张：离体的叶片能通过脱分化产生愈伤组织，愈伤组织再分化形成不定芽和不定根，诱导不定芽生长的试管苗生根，形成完整植株，此过程属于植物组织培养的器官发生途径。脱分化和再分化过程受植物生长调节剂的配比和光照的影响。“黄花蒿组织培养”的论证过程如图6所示。

4 教学反思

ADI教学模型能充分调动学生的主动性，既参与了科学实验活动，也体验了实验论证的严谨性，且在论证方案建构过程中发展了学生的批判性思维。

“植物组织培养”是直接作为选修模块列入《新课标》的选修课程开设建议的^［4］。《新课标》建议学校搭建植物组织培养实验室和无菌操作实验室，学生能亲自体悟植物组培的全过程，从中感受科研的魅力，进而影响职业发展。在实验过程中，遇到的微生物污染是前期的最大障碍。学生发现：污染源主要来自外植体，故在前期培养时密切关注污染情况，且在早期污染阶段把受污染的外植体和部分培养基及时移除，就能提高剩余外植体的诱导成功率。

参考文献

[1] SAMPSON V， GLEIM L.Argument-Driven Inquiry to Promote the Understanding of Important Concepts & Practices in Biology［J］.The American Biology Teacher，2009，71（08）：465-472.

[2] 虞驰，李华飞.论证探究式教学模型的探索：以“环境因素参与调节植物的生命活动”为例［J］.中学生物教学，2022（01）：17-20.

[3] 应晓屹，虞驰.ADI教学模式在“探究影响胞质环流速率的因素”实验的教学实践［J］.生物学通报，2022，57（03）：35-39.

[4] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

基金资助

2023年浙江省教育信息化研究课题：“融合创新，数字赋能”生物学实验教学实践研究(2023ETD008)