高二生物集体备课-选三-《体内受精和早期胚胎发育》

 专题3　胚胎工程

体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞的培养等胚胎工程技术，不仅广泛应用在畜牧业生产中，而且与医学、制药业等的发展，以及人们的生活有着越来越密切的关系。因此，让学生了解一些有关胚胎工程的知识及社会应用价值，对于学生开阔视野，关注现代生物科技的发展，更深入地理解生物科学在社会中的应用是十分必要的。
本专题教材分析
一、 教学目的要求
知识方面
1.简述动物胚胎发育的基本过程。
2.简述胚胎工程的理论基础。
3.举例说出胚胎工程的应用及发展前景。
情感态度与价值观方面
1.认同胚胎工程在畜牧业、医疗等领域的应用价值。
2.关注胚胎工程的研究进展。
能力方面
搜集胚胎工程研究进展的资料，撰写专题综述报告。
有关胚胎工程的内容是首次编入高中选修教材，这部分知识对教师和学生来说比较陌生，在教学中应该注意以下几个问题：
1.明确学习胚胎工程知识的目的。
由于现代生物科学技术对国民经济的持续发展具有举足轻重的影响，因此，它越来越成为各国研究开发的重点和科技竞争的热点。进入21世纪以来，各国政府十分重视生物技术的研究与产业化，加大了培育和扶持的力度。我国政府也把生物科学技术作为优先研究和发展的领域，并取得了令人瞩目的成就。胚胎工程是生物技术的重要组成部分，它的研究和应用不仅推动了制药、器官移植医学等领域的变革，而且还加速了畜牧业生产的发展。目前我国在胚胎移植改良牛、羊品种，体细胞克隆牛、羊等家畜的技术方面已经进入国际先进行列。因此，了解一些胚胎工程的知识，可以为学生将来继续学习和走向社会打下基础。教师在教学过程中要结合教材内容，不断强化学习目的，加强学生的使命感和自觉性。
2.充分利用各种课程资源，深化课堂教学改革，提高教学效益。
课改的过程也是教师更新教育观念，改变教学方式的过程。教师要结合教学的具体内容和学生的具体情况，充分利用各种课程资源，激发学生学习兴趣，促进学生探究问题、自主学习。例如，关于胚胎工程的进展常见于各种媒体的报道，学生对此有一定的了解，可让学生从报纸、杂志、广播、电视、互联网等媒体上搜集关于胚胎工程进展的信息，作为课堂教学和组织学生讨论的素材，这样不仅可以使学生关注胚胎工程，还可以培养学生的搜集和处理信息的能力。
教材中有关操作技术的内容与学生的生活经验有一定的距离，教师可以因地制宜，应尽可能发动学生到附近社区内的科研机构、医院、家畜良种站、畜牧养殖场等单位参观和调研，获取感性资料，在此基础上进行交流，并撰写专题综述报告。此外，还可以通过请专家讲演、座谈，制作教学课件，组织学生自学以及分组讨论等多种教学活动，培养学生的多种能力，提高教学效果。
3.胚胎工程技术的广泛应用推动了畜牧业、医学等的发展。
本专题中关于胚胎工程技术的操作是以家畜为例进行讲述的，为了让学生能够全面地了解胚胎工程技术的应用情况，教师在教学过程中应该加入胚胎工程技术在医学方面的应用实例，如运用体外受精技术治疗“不育症”、胚胎移植等技术培育“试管婴儿”等。
二、教学内容的结构和特点
（一）教学内容的特点
本专题包括《体内受精和早期胚胎发育》《体外受精和早期胚胎培养》《胚胎工程的应用及前景》三节。本专题教学的参考课时为7课时，《体内受精和早期胚胎发育》可用3课时教学，《体外受精和早期胚胎培养》可用1课时教学，《胚胎工程的应用及前景》用3课时教学。
本专题题图中展示的是高产羊生下的几只羔羊，它们是科技工作者采用胚胎移植技术处理后同时期出生的，作为胚胎工程的成果编者将其放在题图中主图的位置。周围配有几幅小图，体现了胚胎工程的主要操作技术：右上图是科学工作者正在实体显微镜下进行观察；左上图是我国科技工作者正在手术台上对动物进行胚胎移植手术；左下图展示的是正在发育的胚胎，画龙点睛地突出了本专题的主题──胚胎工程。与其他专题一样，在题图中引出了胚胎工程的概念。这种图文并茂呈现概念的方式，有利于激发学生对胚胎工程的兴趣和对概念的理解。
《科技探索之路──胚胎工程的建立》，简述了胚胎工程100多年来建立和发展的历史。胚胎工程是在研究胚胎移植的理论和技术的基础上建立起来的，科学家在此基础上又解决了哺乳动物体外受精的技术，继而推动了胚胎分割、性别鉴定、体细胞克隆、胚胎干细胞培养等现代胚胎工程技术的建立和发展。
本专题在总体内容安排上也体现了胚胎工程的发展脉络。首先对胚胎工程的理论基础──哺乳动物的受精和早期胚胎发育的规律，进行了较深入地讲述，在此基础上介绍了胚胎工程技术。目前，胚胎工程技术中应用较多的是体外受精和胚胎移植技术，因此，可以说它们是胚胎工程技术的基础；胚胎分割技术是继胚胎移植技术后迅速发展起来的技术，方法简单，效率更高；胚胎干细胞的培养不仅是胚胎工程的重要成就之一，它在基础生物学、畜牧学、医学上都有重要的应用价值，是当前研究的热门课题之一。教材基本是按照胚胎工程技术发展的时间顺序对其进行介绍的。
《体内受精和早期胚胎发育》部分是学习本专题的基础。由于义务教育生物课程标准和普通高中生物课程标准的必修部分，都没有明确的要求，这就使这部分内容，显得尤为重要，教学中应予重视。本部分教材主要讲述了哺乳动物的体内受精和早期胚胎发育规律这两部分内容。引言中短短几句话,很清楚地点明了胚胎工程与本节内容的关系:“胚胎工程的许多技术，实际是在体外条件下，对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。因此，了解哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律，就显得十分重要了。”
关于哺乳动物的受精过程，有关精子和卵子的减数分裂过程在必修模块中已经学习过，教材对这部分内容只做了简要的介绍，而对学生没学习过的精子的变形、卵泡的形成、卵子成熟的两次减数分裂场所及时间等有关内容则进行了重点介绍，以使学生对精子和卵子发生的过程有更全面的了解。关于哺乳动物的受精过程，教材在初中和高中必修内容的基础上，突出了受精前精子的获能准备，受精过程中精子的顶体反应，卵子的透明带反应、卵黄膜的封闭作用及雄、雌原核的形成等生理活动的讲述，目的是为下一节内容的学习打基础。
关于哺乳动物的早期胚胎发育，教材删繁就简地讲述了受精卵—卵裂—桑椹胚—囊胚—原肠胚及胚层分化—胎儿雏形形成的过程，以及各时期的重要特点。其中特别突出讲述了与胚胎移植、胚胎分割密切相关的桑椹胚细胞的全能性，囊胚具有分化能力的内细胞团。这些内容为本专题后续知识的学习奠定了必要的基础。
关于《体外受精和早期胚胎培养》一节，教材首先以设问“你听说过试管牛、试管羊吗？你知道什么是试管动物技术吗？”这一方式引出试管动物技术的概念，亲切、自然；然后在“从试管牛说起”的标题下创设情景，提出如何解决良种牛的快繁问题，并很自然地提出“借腹怀胎”问题。这样学生很容易理解体外受精在生产实际中的意义，也能激发学生学习抽象内容的兴趣。
关于体外受精的内容，教材重点阐述了卵母细胞的采集和培养方法，精子的采集和受精前的获能处理方法等基础知识，而体外受精的方法则主要是通过“哺乳动物体外受精示意图”进行讲述的。
关于早期胚胎培养的内容，在简单介绍了早期胚胎培养方法的基础上，也主要通过“牛体外受精胚胎生产流程图”来展示了胚胎工厂化生产的过程。这种图文并茂的编写方式，可以帮助学生更直观地理解体外受精技术及其生产过程。“牛体外受精胚胎生产流程图”是对本节课主要内容的概括性总结。
正文旁栏“奇思妙想”中所创设的“将屠宰场和胚胎工厂合建”的想法，是帮助教师引导学生在符合科学的前提下进行创新的资料。
关于《胚胎工程的应用及前景》一节，教材集中讲述了胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞的分离和培养这三种胚胎工程技术。关于胚胎移植，教材首先从胚胎移植的概念导入，通过概念的学习使学生知道胚胎移植的含义及在胚胎工程中的地位， 即体外受精、 胚胎分割等任何一项胚胎工程技术所生产的胚胎， 都必须经过胚胎移植技术才能获得后代， 胚胎移植是胚胎工程的最后一道“工序”。
关于胚胎移植的现状和意义，教材先用数字简述了胚胎移植的现状，以引起学生的重视，再用图解的方式，从加速育种工作和品种改良、大量节省购买种畜费用、一胎多产、保存品种资源和保护濒危物种等几方面，阐述了胚胎移植在充分发挥雌性优良个体繁殖潜力方面的意义。
关于胚胎移植的基本程序，教材是在讲述胚胎移植的生理学基础之上，以图代文的方式进行讲述的。用形象的流程图来讲解生物技术的基本程序，可使学生更深入，更直观地理解所学的内容。
关于胚胎分割的内容，教材是从概念、基本操作方法及存在的问题几方面进行讲述的。
胚胎干细胞的分离和培养是胚胎工程的研究前沿，教材配以直观的彩图来帮助学生理解，教材主要介绍了胚胎干细胞的来源、功能及特点，重点讲述了胚胎干细胞的应用。
（二）教学内容的结构

三、与学生经验的联系
关于哺乳动物的受精和早期胚胎发育规律的知识是胚胎工程的理论基础，哺乳动物的受精、精子和卵子发生的过程中的有关减数分裂的内容，学生已在高中生物必修模块中学习过，在此基础上学生能比较容易理解精子和卵子的发生过程。除此之外，学生通过报刊、电视等媒体对“试管动物”、“借腹怀胎”、体外受精、胚胎移植、胚胎干细胞等有关知识也有一定的了解。这些都是学生学习本专题的基础。
四、与其他专题的联系
胚胎工程中的卵母细胞及受精卵的培养、胚胎分割及胚胎干细胞培养等技术与“基因工程”、“细胞工程”等现代生物科技专题有着密切联系，可以说“动物基因工程”、“动物细胞工程”等是胚胎工程的上游技术，而胚胎工程则属于下游技术。
教材中讲述的胚胎工程技术虽然多以家畜为例，但是一旦应用于人类，则会因“借腹怀胎”，“试管婴儿”等问题发生伦理方面的争议，从这个角度来看，本专题与《生物技术的安全性和伦理问题》专题也有着密切的联系。

3.1　体内受精和早期胚胎发育

一、教学目标
1.简述哺乳动物的精子和卵子的发生及受精过程。
2.简述哺乳动物的胚胎发育过程及其主要特点。
3.认同胚胎工程建立及发展的意义。
二、教学重点和难点
1.教学重点
（1）哺乳动物精子和卵子的发生。
（2）哺乳动物的受精过程。
（3）哺乳动物的胚胎发育。
2.教学难点
（1）哺乳动物受精过程中精子的获能、顶体反应、透明带反应、卵黄膜封闭作用的概念和生理功能。
（2）哺乳动物胚胎发育各阶段的主要特点。
三、教学策略
本节是本专题的起始课，课文的导入方式对激发学生的学习热情具有重要作用。本节可用题图或其他有关的背景材料导入，通过背景材料引出胚胎工程的概念。关于《科技探索之路──胚胎工程的建立》，建议用学生快速阅读和教师讲述有机结合的教学方式（快速阅读可使学生集中注意力，提高学生自学的能力，有助于理解课文）。教师首先指导学生在规定时间读完一遍教材，然后，将每段的第一句和最后一句重新快速阅读一遍，再从读过的段落和句子中试着分析和理解下面的问题：
（1）胚胎工程的建立可大致分为几个阶段？在每一个阶段中，胚胎工程技术有什么重大突破？这些重大突破对推动生产力的发展有什么作用？
（2）为什么说胚胎移植技术的成功和应用带动和加速了体外受精技术的研究？
（3）美籍华人科学家张明觉在动物生殖生理学上有什么重大发现？这个发现对促进胚胎工程实现产业化有何意义？
（4）通过胚胎工程的建立过程，你如何认识科学、技术、社会三者之间的关系？
为了帮助学生更好地分析和理解问题，教师可组织学生分小组讨论交流。最后，由小组推选一人，或由教师随机地选择学生来讲解这些问题。当发言的学生讲完后，其他学生可以补充。教师的讲述着重于对学生的讨论发言进行总结和评价。要明确指出，研究胚胎工程的百年发展史，能增加我们对胚胎工程研究过程的了解，从中领悟科学的发展就是不断“发现问题—提出问题—设计实验—进行实验—得出结论”的探究过程。同时，也使我们看到，胚胎工程的研究每取得一项突破，都会给畜牧业、医学的发展带来一次飞跃；而畜牧业、医学的每一次飞跃发展，又都会给胚胎工程带来新的课题，促进胚胎工程的发展。科学、技术与社会就是在这种相互影响中得到发展的，但是，应该知道，科学基础理论的研究在推动技术进步中具有核心作用。
为了使学生对胚胎工程的技术有一个全面的了解，建议教师简单介绍一下体细胞克隆、转基因等技术与胚胎工程的内在联系，或者请学生自己查找资料去了解。关于胚胎工程技术在畜牧业生产、医学及保护濒危动物等实践中具有的重要作用，要以生动的实例进行表述，以引起学生的求知欲。
关于《体内受精》的教学过程，建议在学生已有的“减数分裂”和“受精作用”知识基础上，根据学生和学校的具体情况采用不同的教学方法。
方法一：教师运用多媒体、图解等进行讲述。讲述过程中要注重调动学生的主动性，引导“学生自己得出概念，而不是将概念灌输给学生”。例如，让学生自己比较出精子与卵子在发生上的重要区别，总结出哺乳动物的受精过程。
方法二：运用合作探究学习的方法。通过合作探究学习，让学生自己亲身体会并组织所学的知识。教师在运用合作探究学习方法时要注意以下几点：
（1）尽量使每一个学生都有任务，以使他们都能投入到教学活动中去；
（2）运用这种方法进行教学时，教师要敢于打破传统讲述法详尽讲解内容的习惯，要精心、大胆地取舍教材内容，只须让学生充分透彻地掌握基本概念和核心内容；
（3）学习的全过程必须在教师组织和指导下进行，使学生集中注意力， 这样才能取得预期效果；
（4）在对学生进行评价时要坚持评价的结果是能激发和鼓励他们的学习。尽量帮助学生在评价过程中发现自己、肯定自己，让他们感受成功的喜悦。
教师应在上课前几天，将需要探究的内容分成课题，每个课题下还有子课题（可参考前面“教学内容的结构”中的“体内受精和早期胚胎发育”制定子课题）；然后，把课题和子课题随机分发给已指定好的各小组组长，由每个小组长分配给小组成员，要求学生回家阅读教材后，查阅资料，认真准备（教师要建议学生运用多种方式，如图解、 挂图、 多媒体等方式表述课题内容， 并给予协助）。
上课时，教师先请学生将教材中新出现的知识结构提出来，进行解释；然后分小组按下列程序活动：每个学生汇报子课题准备的情况，并提出疑点→小组讨论、解疑→综合课题内容→选出代表→代表上讲台介绍，先介绍课题内容，然后简述资料收集的方法和小组讨论情况→小组成员补充→其他小组同学提问→答疑或争论→小组内部和各小组之间进行评价→教师总结。
关于《胚胎发育》的教学过程，建议教师按教材最后的内容“课外活动：观察蛙受精卵的分裂”，组织课外小组的学生进行观察，并写下观察记录。有条件的学校最好将蛙受精卵的分裂过程拍摄下来。上课时，卵裂期的特点请课外小组的学生讲述，并展示拍摄的照片或录像；胚胎发育的其他时期由教师讲述，讲述时最好运用课件、挂图、模型、多媒体等，以增强直观性。
四、答案和提示
（一）思考与探究
1.以精子的运行途径为线索，设计一幅简图，来说明哺乳动物的受精过程。
提示：哺乳动物的受精过程主要包括精子穿越放射冠、透明带、进入卵黄膜、原核形成和配子融合等步骤（详见教材中的受精过程）。
2.哺乳动物精子和卵子的发生主要有哪些相似点或不同点？
答：相似之处：细胞分裂的最初阶段为有丝分裂，不断增加生殖原细胞的数量；经过两次减数分裂（M I和M II）才能形成精子或卵子。
不同之处：由一个精原细胞分裂最后可产生多个精子；一个卵原细胞最后只能生成一个卵子。精子的形状为蝌蚪状；卵子为球形。多数哺乳动物卵子的形成和在卵巢内的贮备是在胎儿出生前完成。
3.当你了解到精子需要获能，受精过程中有防止多精入卵的现象时，你是否提出过这样的问题：精子在雌性生殖道内是如何获能的？防止多精入卵的两道防线的形成机制究竟是什么？
答：精液由精子和精清（精浆）两部分组成。精清中含有一种能抑制精子获能的物质，因此，在一般情况下，精液中的精子无法获能。只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时，由生殖道分泌产生一种物质解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。精子在雌性动物生殖道内获能的部位因种类而异，但主要是子宫和输卵管。
防止多精入卵主要通过透明带反应和卵黄膜封闭作用两道屏障。在受精过程中，当精子穿越透明带触及卵黄膜时，透明带会立即封闭，阻止后来的精子进入透明带，可看作是防止多精受精的第一道屏障。而精子入卵后，卵黄膜会立即拒绝其他精子再进入卵内，可看作是防止多精受精的第二道屏障。其生理、生化机制，请参阅有关专著。
（二）正文中讨论题
【精子的发生】
1.家畜每次射精排出的精子数以亿计，但是通常只有一个精子能够与卵子结合，这能说是一种浪费吗？怎样理解这一现象？
提示：不是。可以从两方面说明这一问题：其一，在自然繁殖的条件下，为了使母畜排出的1个或几个卵子完成受精，公畜一次射出几亿到几十亿的精子到发情母畜的生殖道内，可以说是动物为繁殖后代、延续物种的一种生理保障机制；其二，在自然条件下，精子从射精部位运行到受精部位，在通过母畜生殖道的过程中，复杂的组织结构和生理环境将对精子进行筛选，并致使大量的精子途中死亡，被分解或排除，造成精子大量损耗。最后到达受精部位（输卵管）的精子只剩百余个，与卵子完成受精的只有一个。
2.精子细胞变成精子的过程中，细胞中很多结构会消失，而细胞核和线粒体都保留下来，对这一现象怎样理解？为什么精子中的线粒体集中在尾的基部？
提示：细胞核和线粒体都是精子结构中的重要部分。其中，细胞核是精子遗传物质储存和复制的场所，也是参与精、卵结合和后代遗传特性与细胞代谢活动的控制中心。而线粒体则是精子进行有氧呼吸分解营养物质产生运动能量的场所。精子的线粒体在精子形成过程中，集中于尾的基部形成线粒体鞘膜，是精子维持生存和运动能量的“动力工厂”或“发动机”。
【卵子的发生】
1.一个卵泡中能形成几个成熟的卵子？
答：正常情况下，一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。
2.排卵是指卵子从卵泡中排出，还是指卵泡从卵巢中排出？
答：是指卵子从卵泡中排出。
3.刚排出的卵是成熟的卵子吗？它在母体的什么部位与精子受精？
答：刚排出的卵子尚未完全成熟，仅完成第一次减数分裂，需要在输卵管内进一步成熟，直到第二次减数分裂的中期才能与精子结合完成受精过程。排出的卵子是在输卵管内与精子受精的。
【资料分析】
1.表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高？
答：比较而言，马的胚胎进入子宫时发育程度最高，其次为小鼠。
2.将体外培养的马胚胎移植到母马子宫时，应选择什么阶段的胚胎？如果换成牛又该怎样处理？
答：马应选择囊胚阶段的胚胎。牛在自然情况下，胚胎虽然最早可在8~16细胞阶段进入子宫，但为了提高移植后胚胎的发育率和妊娠率，在实践中通常用发育到囊胚阶段的胚胎进行移植。
3.为什么说关于动物的体内受精和胚胎发育的研究，会为胚胎工程提供理论基础？请结合本节内容举例说明。
提示：胚胎工程的许多技术都是在了解哺乳动物自然条件下受精和早期胚胎发育的基础上实现的。本节涉及的哺乳动物体内受精和胚胎发育都是在自然条件下的特点和规律，人们正是在认识了这些自然规律的基础上，在体外进行有效的模拟，才使卵母细胞能在体外成熟；精子能在体外完成获能；获能精子和成熟卵母细胞能在试管内完成受精；体外受精卵能在人工培养条件下继续发育等，这些都有赖于体内自然条件下的基础研究成果。
（三）旁栏思考题
进行体外受精时，将卵母细胞取出后，是否应当将它置于与输卵管中相似的环境，让它进一步成熟？
答：是的。从卵巢上取出的卵母细胞还没有成熟，尚未完成第一次减数分裂。应在体外人工模拟输卵管环境进行培养，才能使其成熟，即达到受精前的成熟阶段。
五、知识拓展
1.“精子获能” 现象是如何发现的？ 有什么意义？
美籍华人生殖生物学家张明觉在做兔的体外受精试验时，发现只有从母兔生殖道内取出的精子才能在体外与卵子受精，而取自附睾的精子不能在体外完成受精， 说明精子在受精前需先在母兔生殖道内发生相应的生理变化， 称为精子获能现象。
这一现象使人们很快弄清了精子获能的机理，并找到了精子在体外获能的物质，实现了体外受精。
2.哺乳动物卵巢的结构和功能是怎样的？
卵巢位于雌性动物的腹腔，左、右各有一个，多为椭圆或圆球状。其形状，大小和结构因种类、年龄和生理状态各异。卵巢由实质部和被膜构成。实质部又分为皮质部和髓质部。皮质部靠近被膜，其中储存大量的原始卵泡和处于不同发育阶段的卵泡和卵泡的续产物，主要包括：黄体、白体和闭锁卵泡等。卵巢的髓质部位于卵巢的中间部位，含有纤维结缔组织、血管和神经。需要弄清楚这几个结构关系：卵巢中有卵泡，每个卵泡中有一个卵母细胞。卵泡中的卵母细胞在排卵前都处于第一次减数分裂的前期。
卵巢的主要功能有两个，其一是储备卵泡，排出卵子；其二是产生与生殖有关的激素，如雌激素和孕激素。
3.什么是顶体反应？
获能以后的精子，在雌性动物生殖道与卵子相遇时，会出现精子顶体膨大，精子质膜（外膜）和顶体外膜局部融合，并在融合处形成一些泡状物，随后脱落，造成精子顶体外膜出现孔洞，使顶体内储存的与受精有关的酶释放出来，参与精子和卵子的受精过程。这种生理现象叫做顶体反应。
4.哺乳动物桑椹胚和囊胚的主要特点是什么？
桑椹胚的细胞数在32个左右，细胞排列致密，形似桑椹，由具有发育全能性的细胞构成。
囊胚则出现细胞分化，聚集于一端个体较大的细胞为内细胞团（ICM），将发育为胎儿本身；沿透明带内壁扩展和排列的个体小的细胞为滋养层细胞，将发育为胎膜和胎盘，为胎儿发育提供营养。
5.什么是透明带反应？
在精子和卵子受精过程中，当精子越过放射冠，进入透明带并接触卵黄膜时，卵子发出指令（信号），阻止后续的精子进入透明带的一种生理反应，叫透明带反应。它是受精过程中，防止多精入卵继而造成多精子受精的第一道屏障。
6.什么是卵黄膜封闭作用？
当第一个精子进入卵黄膜后，会立即引起卵黄膜的紧缩、增厚，阻止其他精子进入卵内与卵子结合受精，也叫做多精子入卵阻滞，是防止多精子受精的第二道屏障。多精子入卵的结果将形成多个雄原核与一个雌原核融合完成受精，产生多倍体受精卵，属异常受精现象，意味着受精的失败，不能继续发育和产生后代。