信息觀引領(lǐng)下的高中生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐

譚曉晴

摘要 以“植物生長素”一節(jié)的核心問題為例，基于不同生命系統(tǒng)層次下的信息觀進(jìn)行問題串教學(xué)，讓學(xué)生在深度學(xué)習(xí)的過程中逐漸形成“生命活動離不開信息調(diào)控”的生命觀念，同時也培養(yǎng)了學(xué)生獲取信息，分析信息與應(yīng)用信息的素養(yǎng)與能力。

關(guān)鍵詞 信息觀 生命觀念 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號G633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》明確提出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。其中，信息觀是生命觀念中的基本要素之一。

廣義的生命信息觀可以理解為生命的物質(zhì)運(yùn)動，由遺傳信息、生理信息和神經(jīng)感知信息構(gòu)成生命的信息系統(tǒng)，可以根據(jù)生命自身的規(guī)律有機(jī)地組織物質(zhì)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)生命的自組織、自復(fù)制和自適應(yīng)。狹義的生命信息觀是指信息分子從產(chǎn)生部位經(jīng)傳輸路徑到達(dá)作用部位，通過生命系統(tǒng)的接受、識別和處理后，引起受體的生理變化，進(jìn)而產(chǎn)生對應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)的過程。從分子與細(xì)胞水平上看，細(xì)胞膜控制物質(zhì)進(jìn)出、各種細(xì)胞器協(xié)作完成光合作用、呼吸作用等相關(guān)生理功能都是在信息調(diào)控下實(shí)現(xiàn)的。從個體水平上看，植物體可以根據(jù)光照等物理信息調(diào)控自身的生長發(fā)育，動物也可以根據(jù)各種物理信息、化學(xué)信息和行為信息等保證機(jī)體的穩(wěn)態(tài)與平衡。從生態(tài)系統(tǒng)水平上看，生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制也依賴于信息傳遞，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

生命觀念維度下的信息觀是物質(zhì)觀與功能觀的有力支撐，揭示了生命系統(tǒng)的本質(zhì)為物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體，各個層次下的生命系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開信息傳遞和信息調(diào)節(jié)。生命的信息觀強(qiáng)調(diào)信息傳遞在生物的生長、繁殖和進(jìn)化中的作用，在信息調(diào)控下，生命系統(tǒng)不斷適應(yīng)變化的環(huán)境所造就的生物多樣性，為進(jìn)化與適應(yīng)觀提供事實(shí)依據(jù)。此外，很多信息分子（如信號肽、激素等）本身也是生命活動的過程的產(chǎn)物，這也體現(xiàn)了生命系統(tǒng)的整體性、層次性。培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生的信息觀，不僅有助于學(xué)生從更廣泛的意義上理解生命，更鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維，增強(qiáng)了學(xué)生獲取、處理和應(yīng)用信息的能力。

1 問題的提出

人教版高中生物學(xué)《選擇性必修1.穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第五章第一節(jié)“植物生長素”，以植物向光彎曲生長引入，通過科學(xué)家的探究實(shí)踐介紹了植物生長素的發(fā)現(xiàn)歷程，進(jìn)而引出生長素作為植物激素對植物的生長發(fā)育有顯著的影響。在高三的一輪復(fù)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)基本認(rèn)同植物激素作為信息分子，對植物的生長具有調(diào)控作用，能夠理解植物向光性的產(chǎn)生是生長素在尖端下部分布不均勻的結(jié)果。但對于“單側(cè)光作為物理信息，如何引起生長素的橫向運(yùn)輸”“生長素是如何引起植物彎曲生長”以及“為什么高濃度下的生長素可以抑制植物生長”等問題，學(xué)生思考的深度不足，并未能夠從信息調(diào)控的角度理解信息分子對生命系統(tǒng)的調(diào)控過程，也未能從遺傳信息的角度深入分析，認(rèn)識到植物激素的分泌和調(diào)控本質(zhì)上是植物基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。

因此，筆者嘗試以“植物生長素”一節(jié)的復(fù)習(xí)課為例，以植物向光性現(xiàn)象為切入點(diǎn)，剖析單側(cè)光、植物激素等信息分子對植物體生命活動的影響，深入挖掘信息觀的核心內(nèi)涵——基因是最根本的遺傳信息，調(diào)控代謝過程、維持生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。同時，本節(jié)內(nèi)容通過啟發(fā)學(xué)生分析生長素作用效果的圖像，訓(xùn)練學(xué)生獲取信息和分析整合信息的能力，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行信息應(yīng)用，有效進(jìn)行信息觀內(nèi)涵與外延的滲透，并幫助學(xué)生構(gòu)建“獲取信息——分析信息——應(yīng)用信息”的能力體系。

2 教學(xué)過程

2.1 進(jìn)入情境，奠定信息觀基礎(chǔ)

教師播放黑暗條件下單側(cè)弱光照射綠豆幼苗的延時拍攝視頻，引發(fā)學(xué)生思考植物向光生長的原因，引出單側(cè)光作為一種物理信息影響植物的生長進(jìn)程。教師提問：什么是信息？外界環(huán)境中的信息如何影響生命活動？

隨后，教師展示含羞草被觸碰后的變化，提出問題：為什么含羞草被觸碰后，葉子會收起來？在這個過程中，植物是如何感受、處理信息的？教師引導(dǎo)：含羞草的葉柄基部有一個特殊器官“葉枕”。葉子一旦被觸動，信息就會傳回葉枕，葉枕內(nèi)的薄壁細(xì)胞的細(xì)胞液就會開始流向細(xì)胞間隙，膨脹能力下降，葉枕下部細(xì)胞間的壓力降低.從而出現(xiàn)葉片閉合，植株下垂的現(xiàn)象。1-2 min后，細(xì)胞液又逐漸流回葉枕，于是葉片又恢復(fù)了原來的樣子。學(xué)生據(jù)此從“信息產(chǎn)生、傳輸和作用”3個角度，分析外界刺激對含羞草的影響。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用真實(shí)的情境激發(fā)學(xué)生的探究興趣，補(bǔ)充信息的三要素（信源、信道和信息受體），使學(xué)生奠定信息觀基礎(chǔ)。

2.2 分析資料，建立信息觀模型

（1）核心問題1：為什么單側(cè)光照射可以引起植物彎曲生長？

教師展示資料：近年的研究說明，高等植物的光受體是向光素1和向光素2，位于植物的表皮細(xì)胞、葉肉細(xì)胞和保衛(wèi)細(xì)胞的細(xì)胞膜上。它們是黃素蛋白，蛋白質(zhì)部分表現(xiàn)出絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。在單側(cè)弱藍(lán)光照射下，向光素磷酸化呈側(cè)向梯度，誘發(fā)胚芽鞘尖端的IAA向背光一側(cè)運(yùn)輸，進(jìn)而到達(dá)伸長區(qū)，刺激細(xì)胞伸長，使背光側(cè)生長速度快于向光側(cè)，即向光彎曲生長。

據(jù)此，教師提出問題串：①單側(cè)光作為物理信息，如何引起植物彎曲生長？②植物表皮細(xì)胞能接收單側(cè)光的信息，因?yàn)槠渚哂惺裁唇Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)？該結(jié)構(gòu)的化學(xué)本質(zhì)是什么？③此過程體現(xiàn)了細(xì)胞膜具有什么功能？④還有哪些結(jié)構(gòu)能使高等植物細(xì)胞進(jìn)行信息交流？⑤從植物生長的角度分析，為什么植物會出現(xiàn)向光生長？并說明信息對個體的影響，

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生從細(xì)胞水平上分析單側(cè)光照射作為信息分子，引起植物向光彎曲生長的生物學(xué)效應(yīng)。同時，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合信息三要素，分析植物細(xì)胞內(nèi)能夠接受、傳遞信息和發(fā)揮作用的具體路徑和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，基于結(jié)構(gòu)與功能觀的基礎(chǔ)從細(xì)胞水平上升至個體水平，認(rèn)同個體正常的生命活動離不開信息傳遞。

（2）核心問題2：單側(cè)光作用下，植物體內(nèi)生長素分布不均勻。為什么分布較多的一側(cè)植物生長速度較快？

教師展示“酸生長假說”的資料：：生長素和受體結(jié)合，進(jìn)一步通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，促使H+-ATP酶基因活化合成，形成mRNA，運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)合成H+-ATP酶，再運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜。隨后，質(zhì)膜的H+-ATP酶把H+排到細(xì)胞壁外，引起細(xì)胞壁酸化，從而活化膨脹素蛋白，使其作用于細(xì)胞壁的纖維與半纖維素之間的截面，打斷細(xì)胞壁多糖之間的H鍵。多糖鏈被破壞，細(xì)胞變得松弛柔軟，膨壓推動細(xì)胞伸長。

教師提問：H+-ATP酶基因通過什么方式控制性狀？通過分析資料，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下構(gòu)建出信息調(diào)控的分子模型，即“H+-ATP酶基因控制H+-ATP酶的合成來完成H+外排（圖1），細(xì)胞壁酸化細(xì)胞伸長”這一生理過程，本質(zhì)上是基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，以實(shí)現(xiàn)基因?qū)π誀羁刂频拈g接途徑。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過補(bǔ)充“酸生長假說”資料，引導(dǎo)學(xué)生從分子水平分析向光彎曲生長是植物體相關(guān)基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。據(jù)此，學(xué)生不僅能夠解決生長素到底是如何促進(jìn)植物生長的疑問，又能意識到基因是生物體最根本的遺傳信息，進(jìn)一步增強(qiáng)和鞏固對信息觀的認(rèn)同。

2.3 思辨結(jié)合，延伸信息觀理解

核心問題3：生長素傳遞給植物的信息一定是促進(jìn)生長的嗎？

教師播放實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)繪制不同濃度下生長素類似物NAA對大蒜鱗莖生根的影響曲線圖。教師安排任務(wù)，推動學(xué)生獲取并分析圖像信息。任務(wù)1要求學(xué)生通過曲線和圖表，分析得出生長素類似物對根部既有促進(jìn)生長也有抑制生長的作用，即生長素作用特點(diǎn)具有兩重性。通過對比同一濃度生長素對不同植物器官的作用效果，得出不同植物器官對生長素的敏感性不同，一般是根>芽>莖。任務(wù)2要求學(xué)生根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像信息，自主思考并書寫探究生長素類似物促進(jìn)大蒜鱗莖生根的最適濃度的實(shí)驗(yàn)思路。教師提問：為什么高濃度下的生長素對植物的生長起抑制作用？并提供脯氨酸積累在逆境中對植物中有保護(hù)作用的資料。研究發(fā)現(xiàn)，滲透壓脅迫下的擬南芥體內(nèi)脯氨酸含量升高，但植株中生長素內(nèi)向性運(yùn)輸載體AUX1和生長素極性運(yùn)輸載體PIN1、PIN2和PIN3蛋白的表達(dá)均減弱，進(jìn)而導(dǎo)致生長素的正常流動受阻，從而打破擬南芥根部原有生長素濃度梯度的維持，最終表現(xiàn)為根部生長受抑制。

設(shè)計(jì)意圖：教師借助圖表數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生直觀感受得出生長素的作用特點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)生讀圖、書寫實(shí)驗(yàn)思路的能力，貼合新高考下對學(xué)生書面表達(dá)能力的要求;并引入資料，幫助學(xué)生理解“逆境下植物的生命活動受多個信息分子調(diào)節(jié)，其本質(zhì)也是由多個基因共同調(diào)控完成的”。

2.4 以悟促改，達(dá)成信息觀應(yīng)用

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：結(jié)合生長素兩重性的作用特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有哪些實(shí)際應(yīng)用呢？學(xué)生舉例說明，如頂端優(yōu)勢本質(zhì)上是側(cè)芽生長受到了生長素的抑制，棉花打頂能促進(jìn)側(cè)芽伸長，根據(jù)不同植物對生長素的敏感程度不同，可以采用適宜濃度的生長素噴灑植物去除雙子葉雜草等。

此外，信息對生命系統(tǒng)的影響也是多方面的，學(xué)生可課后自主探究相關(guān)課題，如光照既可以引起植物彎曲生長，也可以影響植物種子的萌發(fā)（某些植物種子經(jīng)特定波長的光照下才能萌發(fā)），以及溫度等其他因素也可以作為信息分子調(diào)控動植物體的代謝活動。學(xué)生只有掌握信息的作用途徑，才能理解信息的意義。使信息為人所用，才是信息觀培養(yǎng)的意義所在。

3 總結(jié)與展望

本節(jié)復(fù)習(xí)課以信息觀為引領(lǐng)，深入挖掘植物生長過程中的信息調(diào)控分子，從個體、細(xì)胞到分子水平層層深入，分析基因、植物激素和單側(cè)光等信息分子在調(diào)控各個生命系統(tǒng)下的作用，使學(xué)生在深入學(xué)習(xí)的過程中逐漸建立生命系統(tǒng)離不開信息傳遞的信息觀，進(jìn)一步形成“生命是物質(zhì)、能力和信息的有機(jī)統(tǒng)一體”的生命觀念。教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，針對性地訓(xùn)練學(xué)生獲取、分析信息的能力，不僅能落實(shí)信息觀，也能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的素養(yǎng)，是對核心素養(yǎng)多維度高效滲透的體現(xiàn)。

各層次下的生命系統(tǒng)均有信息調(diào)控，生命在信息調(diào)控下不斷適應(yīng)進(jìn)化，形成了生物多樣性。生命信息可通過基因工程、重組生物學(xué)技術(shù)在不同載體間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，為將來人工生命的創(chuàng)造提供了良好前景。為進(jìn)一步培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的生命信息觀，教師可以植物的生命歷程為主題進(jìn)行大單元設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)下人工智能與人工生命熱點(diǎn)研究，使信息觀的滲透與培養(yǎng)更具整體性和系統(tǒng)性。

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