深入学习细胞结构-提升学生进化与适应观——以“细胞具有统一性

文件编号：1003-7586(2019)07-0025-04第35卷第7期中学生物学V〇1.35No.72019年_________________________________________MiddleSchoolBiology__________________________________________2019深入学习细胞结构，提升学生进化与适应观——以“细胞具有统一性与多样性”为例董玲玲顾彩燕(浙江金华第一中学浙江金华321015)摘要通过深入比较细胞结构的多样性与统一性，以细胞生物的进化历程为主线，采用任务驱动式教学，带领学生以小组为单位，进行合作学习，进而构建重要概念，并帮助学生提升进化与适应观。关键词进化适应观细胞多样性统一性中图分类号G633.91文献标志码B《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称课标）的基本理念是“核心素养为宗旨、内容聚焦大概念、教学过程重实践、学业评价促发展”，核心素养中最具有生物学特点的是生命观念，具体包括结构功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质能量观等。进化与适应观有助于帮助学生理解生命的进化历史、生物之间的相互关系及地球生命多样性的原因，并运用这一观念对生活中的生物学现象进行判断、分析和解释。学生对于进化与适应观的理解多停留于个体水平，缺乏系统而多层次的认识。下面以“细胞具有多样性与统一性”内容为例，阐述如何从细胞的水平提升学生对进化适应观的认识。1教学内容分析及设计思路“各种细胞具有相似的基本结构，但在形态与功能上有所差异”是课标中大概念1“细胞是生物体结构和生命活动的基本单位”下的一个重要概念，揭示了生物界的细胞既具有多样性，又具有统一性。这一重要概念是在学习完“细胞内部各部分结构既分工又合作，共同执行细胞的各项生命活动”的基础上是课标的第一个大概念。这一大概念由三个重要概念共同支撑，这些概念之间的关系如图1所示。图1“细胞是生物体的结构和功能单位”概念关系图重要概念3由2个次位概念共同支撑，分别是：①说明有些生物只有一个细胞，而有的由许多个细胞构成，这些细胞形态和功能多样，但都具有相似的基本结构；②描述原核细胞与真核细胞最大的区别是原核细胞没有核膜包被的细胞核。重要概念3描述的是细胞的多样性与统一性及真核细胞与原核细胞之间的区别，概念之间的知识结构如图2所示。深入学习这一重要概念，能够提升学生对进化适应观的认识。下面以进化与适应观作为主线，帮助学生认识到：真核细胞由原核细胞进化而来，真核细胞在不同环境中逐渐进化为植物、动物和真菌，所有生物都有一个共同祖先，即原始细胞。通过系列学习活动，教师在教学上贯穿观察、实证的教学理念，使学生形成进化与适应观、结构与功能观、部分与整体观等重要—25—的生命观念，同时基于图片模型分析、显微镜观察多种多样的细胞、科学史资料分析等，培养学生的科学探究能力和科学思维。2学情分析经过初中及高中必修模块的学习，学生己经知道多细胞生物与单细胞生物、原核细胞与真核细胞、细胞内的结构及各结构间的分工合作、生物的进化等内容。但对原核细胞与真核细胞的异同点只停留在记忆背诵的层面，不能从根本上认识真核细胞更加复杂、更加高等的原因。经课前调查发现，学生认为原核细胞更原始，只是从原核细胞结构简单的角度认识，缺乏细胞对不同环境进化性适应的深层次理解；对于细胞间的多样性与统一性的理解停留于表面，不能从根本上认识细胞具有多样性与统一性的原因和意义。同时，学生对细胞的结构与功能相适应的了解还是很肤浅，没有从根本上认识到细胞结构与功能相适应的意义以及不同细胞对不同环境的适应。因此，在学生原有的知识基础上，教师遵循学生的认知规律，通过适当的教学策略，使新知识有效地整合进学生原有的知识网络中，使学生的知识体系得到丰富和发展。针对高中学生的年龄特点和心理特征，结合他们的认知水平，提前将学生分为每3-4人一组，共12个小组，采用小组合作学习、任务驱动的方式，以对比发现法为主，以讨论法、观察法为辅;教学过程力求体现“问题情景——比较分析——概念归纳”的模式。借助显微镜观察永久装片或临时装片、多媒体辅助教学，指导学生通过观察直观形象的不同细胞，给学生提供各种丰富的、有代表性的事实材料和图片模型为概念形成提供支撑，帮助学生建构重要概念。3教学目标(1)学会使用显微镜观察多种多样的细胞，认识细胞的形态结构具有多样性。(2)说明有些生物只有一个细胞,有的由很多细胞构成，这些细胞形态和功能多样，但都有相似的基本结构。(3)比较分析原核细胞与真核细胞之间的异同、植物细胞与动物细胞的异同，认识细胞具有多样性和统一性,培养辨证思维能力。(4)阐释细胞结构与功能相适应、细胞结构与生存环境相适应，理解细胞具有多样性与统一性的原因和意义，并运用进化与适应观分析和解释具体的生物学现象。4教学过程4.1创设情境，引发学生认知冲突教师展示展示看似一片绿叶的绿叶海蜗牛的图片，提出核心问题：海蜗牛到底是动物还是植物？若是动物，为什么它能进行光合作用？如果是植物，它的叶绿体从哪里来？通过以上问题，激发学生的学习兴趣和认知冲突。4.2寻找证据，引出进化与适应观教师提供叶绿体的内共生起源学说，逐步引导学生分析叶绿体的特征(表1),并与蓝细菌进行比较，找到叶绿体由蓝细菌进化而来的证据，初步形成结论的得出基于观察和实证的科学探宄意识。然后，补充科学家利用电子显微观察技术和化学分析技术得到的其他证据。表1叶绿体的特征项目叶绿体特征大小1〜10um，与蓝细菌大小相似膜成分外膜与真核细胞的细胞膜成分相似，内膜的蛋白质与脂质比远大于外膜，更接近原核细胞的质膜蛋白质合成系统核糖体大小与细菌相似，叶绿体内蛋白质合成机制类似于细菌，有别于真核生物基因裸露的环状DNA分子，不与蛋白质结合接着，教师引导学生分析叶绿体与蓝细菌的不同，使学生认识到：认识叶绿体由于生活在真核细胞内，有了更加稳定的生存环境，蓝细菌直接生活在更加复杂多变的环境中。原始真核细胞吞噻蓝细菌，最终进化出叶绿体,从而明确真核细胞中的叶绿体可能是由蓝细菌进化而来。4.3对比分析，理解进化与适应观教师呈现原核细胞与真核细胞模式图、高等植物细胞与动物细胞模式图，引导学生分组分析它们的异同。小组1~6对比分析原核细胞与真核细胞的异同，并讨论以下4个问题：①在细胞结构方面，原核细胞与真核细胞有什么共同点？②在细胞结构方面,原核细胞与真核细胞最大的差异是什么？③真核细胞中，核膜的出现有什么意义？④除核膜包被的细胞核，真核细胞还有哪些特有的结构？这些结构的出现有什么意义？—26—学生通过分析问题①，明确原核细胞和真核细胞都有细胞膜、核糖体，都以DNA作为遗传物质。学生通过分析问题②〜④，明确地球上最先出现的是原始细胞(约38亿年前），最初的原始细胞经历漫长的进化过程，形成原核生物蓝细菌(约35亿年前）。蓝细菌的出现使地球环境氧气含量增高、变得温和，从而为真核细胞及多细胞生物的出现奠定基础。约15亿年前，原始真核细胞出现,并吞入蓝细菌、好氧细菌,形成叶绿体和线粒体。此外，真核细胞还进化出各种膜结构的细胞器，从而把某些生化反应局限在特定的区域，使细胞内的代谢反应趋于复杂化，并形成相对稳定的内部环境。核膜的出现使真核细胞的转录过程在核内进行，翻译在细胞质中的核糖体进行。真核细胞的基因有外显子与内含子，基因转录翻译的复杂化，使真核细胞形成更多种类的蛋白质，从而使生命活动更加精确，有利于真核生物适应更加复杂多样的生存环境。小组7~12对比分析高等植物细胞与动物细胞模式图，并着重分析动物细胞与植物细胞共有的结构与特有的结构，理解不同生物的细胞结构是如何与其功能相适应的。通过以上对比分析，明确重要概念“各种细胞具有相似的基本结构，但在形态与功能上有所差异”。4.4寻根问底，内化进化与适应观教师展示生物界各种各样的细胞图片，提出问题：①同一个体内，不同细胞（如神经细胞与成熟红细胞)形态与功能各不相同的原因是什么？②不同种生物之间，细胞形态与功能各不相同的根本原因是什么？③从生物进化的角度分析,为什么细胞具有相似的基本结构？④构建生物进化树,表示生物进化的大致历程。教师引导学生分析问题①，使学生明确：对于多细胞生物，同一个体的不同细胞来自受精卵，遗传信息相同，但由于基因的选择性表达，导致不同组织细胞形态、结构不同，从而适应其特定的功能，细胞之间出现了分工，但细胞之间相互依存、相互合作。学生讨论分析问题②，理解不同种生物在不同的生存环境下，经长期自然选择保留下的遗传信息不同，生存环境和遗传信息的差异导致其体内的细胞形态、结构、功能各不相同。学生讨论分析问题③，构建生物进化树，明确地球上生物的进化历程：由原始细胞进化出原核生物，进而进化出真核生物。真核生物由于生活环境的多样化，又分别往不同的方向进化，进而形成了植物、动物与真菌。不同的细胞虽然形态、结构、功能不同，但由于有共同起源，即原始细胞。因而这些细胞都保留了一些维持生命活动必须的结构(如核糖体、细胞膜、细胞溶胶)。这是细胞具有统一性的原因。4.5解释现象，运用进化与追应观教师提供绿叶海蜗牛的科学研宄材料，引导学生分析材料中有哪些现象体现了该种生物对环境的适应性进化：绿叶海蜗牛两片形如翅膀的伪足将身体拉宽，当伪足折起来时，它看上去就像只绿色的鼻涕虫，体态修长，顶端两只触角;而当“两翼”像太阳能电池板一样展开时，它的身体便与一片绿叶无异，背上的血管就是它的叶脉。绿叶海蜗牛的成体不需要进食，它们直接通过光合作用吸收能量，产生自己所需的碳水化合物和脂肪等，从而使寿命比普通的海蜗牛长很多。从20世纪70年代开始，人们就意识到，绿叶海蜗牛能从藻类“偷”来叶绿体，并吸收入自己的细胞内。这些叶绿体一旦进入海蜗牛的细胞,就能开始进行光合作用长达9个月，甚至比它们在“老房东”藻类体内发挥作用的时间还长。科学家还发现，绿叶海蜗牛不仅仅是吞食叶绿体。在检查了绿叶海蜗牛的基因组后,研宄人员发现了与藻类相同的/«60基因，这是对光合作用必需的一种蛋白质进行编码的基因。看来，海蜗牛并不满足于窃取植物身上的叶绿体,它还弄来了至少一种促使其运转的基因。这些基因的功能是修复和保持叶绿体持续发挥作用。基因已经整合入海天牛的基因中，并能传递给下一代。虽然下一代海天牛需要自行获取新的叶绿体，但是这些修复和维持叶绿体的基因早就存在体内了。这是迄今为止，科学家所发现的唯一一种多细胞动物间的功能性基因转移。学生阅读材料，自由表达观点。材料中，绿叶海蜗牛可以在有光时将伪足拉宽，利用光能，无光时将伪足折起，同时还能降绿藻的叶绿体吸收入细胞，为自己合成有机物，最为关键的是它己进化出与藻类相同的基因，从而保证叶绿体持续的发挥作用。同时，教师也可引导学生从生物学中的其他现象，阐述不同生物对环境的适应性进化。4.6归纳总结，强化进化适应观念教师再次强调：细胞在模式上具有统一性，在类型上具有多样性，细胞形态和功能虽然具有多样性，但都具有相似的基本结构，这是生物在细胞层次对不同环境的适应与进化的结果。美国细胞生物学家威尔逊曾经说过“一切生命的关键问题都要到细胞中去找答案。因为所以生命都是，或曾经是，一个细胞”。虽然科学技术日益发展,细胞生物学的研究己经深入到分子水平，但生物大分子并没有生命，细胞仍是生物体结构与功能的基本单位。生物的生殖发育、遗传、神经、免疫等重大生命活动都要以细胞为基础，一切疾病的发病机制也是以细胞为基础。环境在不断发展变化，细胞也在不断进化并适应环境。5教学反思生物学知识只是形成核心素养的载体，课堂或课—27—文件编号：1003-7586(2019)07-0028-02第35卷第7期中学生物学Vol.35No.72019年MiddleSchoolBiology2019跨学科融合的教学初探—以“生物与非生物的关系”为例宋泉颖(上海市嘉定区方泰中学上海201814)摘要以“生物与非生物的关系”为跨学科教学案例，以五大探究性活动为主线，培养学生综合运用生物和地理学科知识来分析和解决实际问题的能力。关键词生物地理环境气候探究活动中图分类号G633.91文献标志码B2019