細胞核模型的構建和應用

高 婷 （嘉興外國語學校 浙江嘉興 314001）

在高中階段“細胞核的結構和功能”教學中，從微觀到宏觀所涉及的結構具有名稱多、不可見、關系復雜等特點。同時學生又缺乏必要的知識儲備，對結構和功能之間的關系存在一定的認知障礙，很難形成相關的概念體系。即使利用便捷的超輕粘土制作細胞核的模型，也只是突破了個別微觀結構的感性認識［1］，在科學性方面還不具有很強的操作性。筆者通過對相關結構的研究和教學實踐的不斷改善，通過小組合作的模式，邊學習相關資料，邊選擇材料，逐步組裝模型，讓學生進一步地理解各結構和功能之間的關系，使概念可視化、簡單化，并借助概念思維導圖的繪制，提升對細胞核結構與功能之間關系的認知。“細胞核模型制作”的教學路徑如圖1所示。

圖1 “細胞核模型制作”教學路徑圖

1 構建物理模型，使概念由抽象到具體

建構主義學習理論認為，學習是學生在一定的情境中，在他人的幫助下，利用必要的學習材料，根據已有的經驗基礎構建新的知識體系的過程。這不只是簡單地輸入信息，而是加工、分析、選擇、重組甚至改造已有的知識經驗，最終形成新的觀點。構建模型可有效地逐步過渡抽象的經驗，再歸納為概念，同時可培養學生的思維能力、想象能力、創新能力和動手能力，有效地提升學生的生物學學科素養。

1.1 材料選擇過程 在材料的選擇上，需要盡量能體現結構的本質或更接近真實。參考各種真實細胞核圖片和模式圖，提取共性結構；教師與每個小組的組長一起學習科學家探究的相關資料，并探討材料的選擇。學生會有很多奇思妙想，會有一些教師無法想到的新型材料。在選擇細胞核膜材料時，學生提出可用“3D”打印技術實現，但在如何實現雙層膜的問題上，由于技術的限制，還沒有辦法更加接近真實，這也讓學生體會到技術對科學研究的作用。在選擇核基質材料時，學生產生了2 種不同的意見，經討論發現棉花和水晶泥各有優勢，故讓學生制作時自行決定，最終材料如表1所示（每組所需材料的量）。

1.2 模型制作過程

1.2.1 核膜和核孔復合體的制作 核膜的制作上難點是雙層膜的體現和核孔復合體的制作。在核膜上打多大的孔、打多少孔、孔如何排列都是需要查閱資料和圖片。經過資料查找，學生制作的膜就更科學、更接近實際結構（圖2）。

圖2 細胞核核膜模型圖

資料1：核孔復合體呈八面對稱結構，直徑一般為9～10 nm。核孔復合體是生物體內最復雜的蛋白質復合體之一，由多達30 多種不同的蛋白質，1 000 多個蛋白分子共同構建而成。一個細胞核上核孔復合體總面積占核表面積10%～30%。通常核孔復合體按照細胞類型以相對固定的數目成叢分布，但在一定生理階段，一定條件可使核孔復合體數目改變。核孔復合體數還與轉錄活性高低有關。轉錄活躍的爪蟾卵母細胞核孔密度為60 個／μm2。一個細胞核大約有3 000 個核孔，細胞復制染色體時，一個核孔每分鐘要運進核內100 個組蛋白分子。細胞迅速生長時，一個核孔1 min 向細胞質運出3 套核糖體的前體單位［2］。

1.2.2 染色質的制作 染色質是由DNA 和蛋白質及少量RNA 組成的，DNA 有多長、DNA 和蛋白質是如何纏繞的、RNA 在哪里存在等問題，是在學生小組自主學習時產生的問題，經過小組查找資料（圖3），計算相關數據，并且按照比例放大（圖4、圖5）。

圖3 DNA 與蛋白質纏繞模式圖

圖4 用棉花做核基質的細胞核模型圖

圖5 用水晶泥做核基質的細胞核模

資料2：每個人體的DNA 連接起來，其長度是地球到太陽的往返距離的300 倍。其中每個細胞內DNA 分子長度約2 m，平均每條染色體所含的DNA 的長度約為5 cm，而細胞核的平均直徑約7～10 μm［3］（1 個DNA 分子可繞細胞核赤道面1 592.4 圈）。

1.2.3 核仁的制作 核仁是細胞核中染色最深的部分，核仁的數量、大小、所在的位置等都是學生自主探究時提出的在制作時必需解決的關鍵問題。經過小組查找資料后，將相關資料歸納整理供大家一起使用。

資料3：核仁通常表現為單一或多個勻質的球形小體，是真核細胞間期核中最顯著的結構。核仁的大小、形狀和數目隨生物的種類、細胞類型和細胞代謝狀態而變化。蛋白質合成旺盛、活躍生長的細胞，例如，分泌細胞、卵母細胞，核仁大，可占總核體積的25%，不具蛋白質合成能力的細胞，例如，肌肉細胞、休眠的植物細胞，核仁很小［2］。

2 構建概念模型，使思維從淺層到深層

在構建物理模型的過程中，學生對于細胞核結構和功能之間的關系有了進一步的理解，在此時再讓學生構建概念模型進而形成思維導圖，能讓學生的思維得到提升。

在思維導圖的構建過程中，以小組為單位，根據教師提供的相關材料，構建細胞核結構與功能的思維導圖（圖6）。在學生構建時，教師需要給予幫助，同時與學生互動發現學生在構建時生成的問題，便于學生展示環節的引導和總結提升。

圖6 細胞核結構和功能相適應的概念模型［4］

3 模型構建過程，使素養從理論到落地

3.1 生命觀念的體現 生命觀是指學生學習生物學課程后獲得的標志性學習成果，是衡量學生是否受到了良好的生物學教育的標尺［5］。從資料的查找，較為準確地制作簡易模型的過程中，學生就能深刻體會結構與功能之間的關系。同時也體會到精巧的結構決定復雜的功能，尤其是在對核孔復合體真面目研究獲得2017年諾貝爾獎，并看到核孔復合體的真面目時，對學生來說是非常震撼的，對生命敬畏之心油然而生。

3.2 科學思維的體現 科學思維是理論和證據相互協調的過程。在學生獲取新知識的過程中，由于已掌握的知識理論不夠完善，需通過批判性質疑以檢驗和完善已有理論，獲取新的知識［6］。在模型的構建過程中，不同的學生會對材料產生質疑，會對制作的程序和方式產生質疑，在這些質疑中不斷修正，這樣就能將“清晰、準確、質疑、客觀”等思維要素內化，從而培養科學思維素養。

3.3 科學探究素養 科學探究是指學生能針對有價值的問題、疑惑、難題或想法進行研究、基于好奇與困惑理解生命世界和構建知識的意愿和能力［7］。整個模型制作的過程，是學生提出問題、解決問題、構建知識概念體系的一個過程，最后的總結分享環節更能體現學生主動學習和展示能力的意愿。

3.4 社會責任的體現 社會責任表現了學生解決問題的意識和能力、對生物學重要概念的理解和把握，并具有學以致用的學業成就，是他們個人成長和社會進步的“正能量”［8］。在整個制作過程中小組的團隊意識、互助精神和能主動的作為；真實準確的交流、嚴謹的探究態度和尊重客觀的事實；對于模型的展示和利用都是社會責任的體現。

4 模型特點、使用方法及效果

4.1 模型特點 物理模型取材容易，制作簡單，形象直觀，可重復使用，穩定性強。概念模型能清晰呈現結構與功能之間的聯系，提升學生的思維。

4.2 使用方法 制作物理模型時，于課前將一組材料包裝后放入打包盒中，學生6 人一小組，小組內再分工，負責雙層膜的制作、染色質的制作、核仁的制作等。制作概念模型時，先給學生打好基本框架，讓學生剪貼相關文字。

4.3 效果分析 模型的逐步組裝過程中，學生需要不斷了解從微觀到宏觀、從抽象到具體，從個體到整體的認知觀，有效化難為易［1］，也為進一步搭建細胞的三維結構打下基礎。同時模型還可為物質出入核孔、轉錄演示等服務。

培養學生的建模思想和建模能力是生物學教學中的核心任務之一，也是科學探究活動的核心方法之一。學會構建合理的模型并運用相關模型解決問題，是現代高中生物學教學的目標也是學生必備的素養，其中構建物理模型在教學中占非常重要的位置。教學實踐表明，生物結構模型的制作，不僅可幫助學生記憶與理解原本抽象、微觀和復雜的結構，同時能培養學生的動手能力與創造力，還能進一步豐富教學資源。