基于深度學習“層進式策略”建構結構與功能觀
——以高考專題復習“細胞器與生物膜系統”為例

陳艷萍 謝虎成

(1.廣州中學 廣東廣州 510640)

(2.廣州市荔灣區教育發展研究院 廣東廣州 510600)

生命觀念既不能像事實性知識那樣被接受并記憶,也不能像概念性知識那樣被理解,觀念的形成必須經歷“感知、確認、信奉”三個基本階段,這是一個深度學習的過程,是一個“層進式學習”的過程。本文以“細胞器和生物膜系統”專題復習中建構結構與功能觀為例,經過事實感知、概念拓展、實驗探究、觀念運用等環節驅動學生深度學習,促進學生知識理解,幫助學生提升思維深度,升華生命觀念,提升學科素養。

1 基于事實與概念,感知結構與功能觀

1.1 從事實中發現規律,形成概念

觀念的形成要經歷“事實—概念—觀念”的過程,觀念是基于大概念基礎上的高度抽象和概括。經過高一新授課的學習,學生已經掌握了細胞器和生物膜的基本知識,但其知識是零星的,概念是片斷的。在高三專題復習中,需對知識進行重組,將眾多的下位概念關聯起來并形成大概念,才能將隱藏在知識背后的觀點逐漸顯現出來。在專題復習中,教師首先呈現學生生活中的幾個實例,如例1所示,激發學生思考:細胞器的結構與功能有什么關系?在分析實例中,教師逐步引導學生發現規律:細胞器有特定的結構特點,并行使特定的功能;當細胞器的結構發生變化時,則不能行使正常的功能,并表現出相應的病癥。

【例1】思考細胞結構與功能之間的關系:

(1)細胞內的生物膜將各種細胞器分隔開來,有利于細胞高效進行各項生命活動。

(2)根尖成熟區的細胞具有中央大液泡,液泡內有細胞液,有利于根吸收水分。

(3)內質網增大了細胞中膜的面積,膜上停留大量的酶和核糖體。

(4)代謝旺盛的細胞中線粒體的數量比較多,比如心肌細胞、肝臟細胞等。

(5)腸腺、胰腺等分泌細胞中含有較多的核糖體、內質網、高爾基體。

(6)研究發現,在水污染嚴重的區域,浮游植物的葉綠體囊狀結構被大量破壞,葉綠素接著被破壞,植物的光合作用也無法進行。

(7)職業病硅肺的形成與溶酶體中的水解酶有關。

(8)研究發現,阿爾茲海默癥的病人腦細胞中沉積大量錯誤折疊的蛋白(Aβ 蛋白),該蛋白大量存在會損傷線粒體,最后出現神經退行性疾病。

1.2 提煉概念,形成結構與功能觀

觀念的形成需要還原知識背景,學生才能以沉浸式的學習態度關注生命現象,探索生命的奧秘。通過以上實例引導學生總結規律:細胞器的結構和功能是相適應的。接著請學生回憶“分泌蛋白”的形成過程,總結出細胞結構并不是獨立完成生命活動,而是相互聯系并在生命系統之中完成的,從而建立部分與整體的關系。由此,引導學生就知識背景和知識發生的過程聚焦以下問題:①細胞器有哪些結構和功能特點?②有哪些事實和依據體現了細胞器的結構與功能相適應?③細胞器之間是如何分工合作共同完成生命活動?接下來將圍繞以上三個聚焦點開展“層進式”學習,尋找知識的關聯性,逐步建構結構與功能觀。

聚焦一:細胞器有哪些結構和功能特點?

在以上事實的基礎上,教師引導學生將高一所學的細胞器知識進行以下歸類:①列表比較細胞的顯微結構和亞顯微結構;②從分布、成分和結構對細胞器進行分類,并按結構的相似性對細胞器重新排序;③嘗試找出這些細胞器相似結構和功能之間的關聯性。

2 基于探究與論證,確認結構與功能觀

觀念的形成要經歷“確認為真”的判斷,從理論上需要符合邏輯,從實踐上需要有可信的證據支撐。從結構出發分析功能,從功能理解推測結構,是形成結構與功能觀的基本思路。學生在理解細胞結構與功能的聯系基礎上,運用事實拓展并延伸,檢驗所形成的結構與功能相適應的觀點。例如教師以線粒體和葉綠體亞顯微結構為例進行遷移推理,歸納其結構與功能總是相適應的;接著以“內共生起源學說”為依據,從進化的角度分析線粒體和葉綠體的結構與功能相適應是長期自然選擇的結果,建立“進化與適應觀”;最后通過實驗探究線粒體中ATP 合成酶所在場所,以功能反推結構促進知識的遷移與運用。

該教學環節,在幫助學生建立基于理解的知識體系的同時,對學生反思性學習能力也進行了培養。在教學實踐中,教師應注重搭建問題的支架,引導學生在問題中反思并歸納,從而促進學科知識向學科經驗、學科能力和學科觀點的轉化。

2.1 推理與認證,確認觀念

聚焦二:有哪些事實和依據體現了細胞器的結構與功能相適應的特點?

教師以線粒體和葉綠體的亞顯微結構圖為例,引導學生對這兩個細胞器結構特點、膜面積增大方式、基質成分等進行比較,總結得出:線粒體通過內膜向內折疊形成嵴,嵴和基質上有許多有氧呼吸相關的酶;葉綠體通過類囊體薄膜增大膜的面積,膜上分布著色素和光合作用相關的酶,正是這些結構特點才能完成其相應的功能。

線粒體和葉綠體的結構與功能相適應的特點是如何形成的?教師以內共生起源學說為基礎(圖1),提問葉綠體、線粒體如何從原始的藍藻類原核細胞和好氧細菌,逐漸演化成重要的細胞器,引導學生對該假說進行反思推理:為什么線粒體、葉綠體含有DNA、RNA?為什么其膜結構類似于細胞膜和其他細胞器膜?能否從葉綠體的原始起源反推其功能?最后,教師引導進行學生歸納:細胞器的結構與功能相適應是長期進化、自然選擇的結果。從而使學生理解知識背后的生物學規律,為“結構與功能觀”的建立奠定進化觀的基礎。

圖1 內共生起源結構圖

2.2 探究與實驗,確認觀念

開展探究活動是實現知識內化的重要途徑,也是學生持續性深度學習的重要途徑。結合前面所形成的觀念,設計實驗探究題例2:通過低滲漲破線粒體結構,探究線粒體各個結構與功能的關系,培養學生運用觀念解決問題的能力,實現對知識的反思和頓悟。

【例2】在研究線粒體組分時,將線粒體放在低滲溶液中獲得漲破的外膜,再用適當方法處理并獲得內膜小泡及顆粒,實驗結果如圖2所示。請分析回答:

圖2 線粒體在低滲溶液破裂的結構圖

①研究發現,在適宜成分溶液中,線粒體含F0F1內膜小泡能完成有氧呼吸第三階段的反應,該階段與其它階段相比產生的ATP 數量_________(填“偏多”或“偏少”),推測線粒體內膜上的F0-F1顆粒物是酶。

②為了研究F0-F1顆粒物的結構與合成ATP的關系,用尿素破壞內膜小泡將F1顆粒與小泡分開,檢測處理前后ATP 的合成。若處理之前,在適宜條件下,含________顆粒內膜小泡能合成ATP;處理后含________顆粒內膜小泡不能合成ATP,說明合成ATP 一定與F1有關。

答案:(1)偏多 ATP 合成酶(2)含F0—F1含F0

3 基于實踐與運用,信奉結構與功能觀

“信奉”是確認為真的判斷并自覺相信。從情感態度價值觀的角度來看,觀念的形成需要自覺運用并解決生產實踐中的問題,同時對形成的觀念進行修正,最終才能信奉觀念。例如教學中,教師以“細胞自噬和異噬”為例,從系統的角度引導學生理解生命是動態變化的。接著,學生運用結構與功能觀從解釋生物學現象、解決生物學問題、做出具體決策三個方面逐層遞進開展學習,使結構與功能觀的構建不斷加深。

3.1 運用觀念解決生物學現象

聚焦三:細胞器之間如何進行分工合作共同完成各項生命活動?

教師以“新冠病毒入侵人體后,漿細胞如何產生抗體”的真實情景激發學生進行思考:抗體的合成和分泌涉及哪些細胞結構?體現了生物膜的哪些功能?這些細胞結構在功能上發生了哪些緊密的聯系?通過以上問題支架幫助學生構建細胞器協作的知識網絡圖,進一步理解“生物體的各個結構既獨立又相互協作,共同完成生命活動”觀念。

接著以例3“溶酶體自噬和異噬現象”進行思維訓練,思考溶酶體自噬現象與它的哪些結構特點有關,幫助學生從理解知識到對知識的反思、遷移,實現學科能力的轉化。

【例3】溶酶體在胞吞和細胞自噬過程中發揮著重要作用,人體細胞內的溶酶體含有多種水解酶。如圖3所示為溶酶體結構示意圖,圖4 表示某吞噬細胞內溶酶體的產生和作用過程。請回答問題:

圖3 溶酶體結構示意圖

圖4 吞噬細胞內溶酶體的產生和作用過程

(1)據圖4 可知,正是因為溶酶體膜上存在________泵,可將H+運進溶酶體內,溶酶體內部pH 才能維持在5 左右。研究表明,少量的溶酶體內的水解酶泄露到細胞質基質中并不會引起組織細胞損傷,推測可能的原因是____________。

(2)據圖5 可知,溶酶體可以結合含有________的小泡,形成異噬溶酶體;還可以與清除________的自噬體結合,形成自噬溶酶體。自噬體內的物質被水解后,其產物可以被細胞重新利用。由此推測,當細胞養分不足時,細胞“自噬作用”會________(增強/不變/減弱)。吞噬和自噬現象推測了生物膜的成分具有一定的________性,結構上具有一定的________性。

答案:(1)H+泵 酸性環境是溶酶體內水解酶發揮作用所必需的。(2)病原體 衰老的細胞器 增強相似性 流動性

3.2 運用觀念解決生物學問題

生物學課程是自然科學領域的一門課程,教學中應反映自然科學的本質特征。將觀念與現實問題相融合才能實現思維的提升。最后,引導學生運用結構與功能觀思考以下三個現象,如例4,從解釋現象、解決問題、做出決策三個方面層層遞進,培養學生自覺運用觀念去分析和解決生產生活中實際問題的能力。

【例4】分析以下現象:①研究發現,在低溫下植物會出現一定適應性。請從結構與功能相適應的角度分析,柑橘抗寒鍛煉過程中,線粒體結構會有哪些變化以適應低溫環境?

②隨著干旱脅迫的加深,甘蔗的光合作用會受到嚴重的影響。實驗發現,噴灑乙烯利可以減緩干旱的脅迫,請從結構與功能觀理解乙烯利解決干旱脅迫的原理是什么?

③化療藥物阿霉素通過抑制細胞的DNA 和RNA 的合成能有效抑制乳腺癌、消化道腫瘤。研究表明,阿霉素在人體內代謝過程中產生活性氧(ROS),會導致DNA 損傷,對心臟有毒性。請推測阿霉素會導致哪種細胞器結構的損傷?同時思考在使用阿霉素的同時可配合什么作用的藥物以減緩其毒性?

答案:(1)線粒體是細胞呼吸的主要場所,會出現數量增多、體積增大、內嵴增多等變化,以細胞呼吸強度提高,細胞的熱量和能量供應增加,以抵抗低溫的影響。(2)乙烯利通過增加葉綠體的基粒和片層結構,增加了酶的數量和色素的數量,從而提高光反應的速率,增加光合作用的效率。(3)阿霉素因為可以抑制DNA 的合成,所以會造成心肌細胞線粒體膜及線粒體DNA 損傷,導致心肌供能不足。應配合使用清除ROS 的藥物以減輕其毒性。

根據深度學習的理論,觀念的形成不是一個直線型的過程,而是要經歷“下沉、潛行、上浮”的“U 型”深度學習過程。在“細胞器和生物膜”的專題復習教學活動中,教師將結構與功能的事實性知識抽象成為概念,進而升華成為結構與功能觀,使得學生的推理、論證等高階思維得到了發展,學生在認同生物學價值的同時自覺運用結構與功能觀參與個人與社會事務的決策,從而實現了生物學獨特的育人價值。