模型建構在生物教學中的應用探究

摘 要：以“細胞質中的細胞器”為例，從生命觀念和結構功能觀、科學思維、科學探究和社會責任四個方面探討如何通過模型建構在生物教學中落實學生的生物學科核心素養。

關鍵詞：模型建構；核心素養；生物教學

中圖分類號：G633.91?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1673-8918（2024）06-0134-04

高中生物課程是一門科學領域的關鍵學科，既要求學生通過學習獲得基本的生物學相關知識，了解生物學的科學史和規律，也要使學生形成正確的價值觀和具有必備解決生物學問題的能力。學好生物這門課程，有助于為將來從事醫藥類、環境類、科學技術專業方向輸送相應的人才。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中將提高學生生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面的核心素養作為課程設計的宗旨，同時強調生物教學過程中學生主動參與的重要性，即要讓學生有動手和動腦的機會。

模型建構需要學生提前查找資料和了解所建構細胞的特點，一方面，能夠調動學生的主觀能動性，發揮團隊合作精神，另一方面，可以使抽象的生物學內容直觀地進行展示，讓學生有感性的認識。因此，通過模型建構來進行教學可以達到落實核心素養的目的。

文章以“細胞質中的細胞器”為例，探討如何通過模型建構來輔助教學，培養學生的核心素養。

一、 生命觀念和結構功能觀

生命觀念是指人通過觀察生物體的生命現象或者相互之間的關系后進行提煉得出的觀點，可以對生物學的現象進行合理的解釋，比如，學生通過生物學習形成正確的結構與功能觀。在“細胞質中的細胞器”一節的教學過程中，教師提前指定細胞，布置小組任務。學生通過查找資料了解所制作細胞的特點來進行模型建構。教師在展示學生唾液腺細胞的過程中引出問題：分泌唾液淀粉酶需要具備哪些結構？師生共同分析后得出蛋白質合成和加工所需要的場所是核糖體、內質網和高爾基體。首先是核糖體上合成多肽鏈，接著到內質網進行加工折疊形成空間結構，成為較成熟的蛋白質，然后內質網通過囊泡包裹加工后較成熟的蛋白質定向運輸到高爾基體，到達高爾基體后囊泡與高爾基體膜融合，較成熟蛋白順利進入高爾基體內，由高爾基體對其進一步加工，成為成熟的蛋白質，高爾基體同樣通過囊泡包裹，定向運輸到細胞膜，與膜融合，通過胞吐作用順利分泌到胞外。在此基礎上討論得出該過程中還需要消耗能量——需要線粒體的參與。然后將葉肉細胞和洋蔥外表皮細胞（如圖1）進行比較，從功能差異出發，引出洋蔥外表皮之所以呈現紫色是因為有液泡，液泡內的細胞液除了有色素外還有多種水解酶，是植物細胞中的“溶酶體”，而葉肉細胞能進行光合作用的原因——具備葉綠體。接著教師進一步提問：為什么葉綠體能光合作用？從而讓學生關注到葉綠體結構上的優勢：具有含光合作用相關色素的光合膜以及與光合作用相關的酶。與此同時，對洋蔥外表皮細胞液泡細胞液中的成分進行分析，讓學生理解豐富多彩植物種類的原因。

此外，將分泌功能旺盛的唾液腺細胞與胰島β細胞（如圖2）、葉肉細胞和洋蔥外表皮細胞、能量需求不同的心肌細胞和腹肌細胞（如圖3）六種細胞模型兩兩進行直觀的比較，得出：①不是所有植物細胞都有葉綠體，如洋蔥外表皮細胞因長在地下不需要光合作用就不具備葉綠體這個細胞器；②不是所有植物細胞都有大液泡，幼嫩的植物細胞一般只有小液泡，這與液泡的作用有關，動物細胞一般沒有液泡；③植物細胞都有細胞壁結構，但成分與真菌、細菌不同；④中心體在動物細胞中普遍存在，與細胞分裂有關，在低等植物細胞中也會出現；⑤各種細胞中某種細胞器的含量多少取決于細胞對某種功能的需求，如心肌細胞比腹肌細胞能量需求更大，對應心肌細胞內與能量代謝有關的細胞器線粒體數量就越多。這使學生對動植物細胞結構有感性認識的同時能夠自然得出生物結構與功能相適應的觀點。

二、 科學思維

科學思維是指在尊重生物學事實和證據的基礎上，學生能夠運用科學的思維來解決實際的問題。科學思維包括通過歸納與概括、模型與建模、批判性思維等方法來解釋生命現象等。科學思維的培養有利于學生利用所學生物學知識對生物學問題進行科學的思考或辨析。比如，學生利用黏土等材料，在查找資料的基礎上根據各類細胞的特點進行模型建構，既尊重了生物學的事實，同時也發展了學生科學的模型與建模思維。對葉綠體和線粒體這兩類細胞器，教師可以從功能出發，提出系列疑問：為什么這兩種細胞器的結構要有這些特點？為什么都有液態的基質？為什么都要盡可能增加自身的膜面積？有何意義？讓學生對所學的內容有獨立思考的能力，并且能夠通過討論歸納得出這兩類細胞器的共性都是半自助復制細胞器的原因，進一步強化學生的結構與功能觀。然后將葉綠體、線粒體兩類細胞器與原核細胞進行比較，師生交流引出馬古利斯和內共生學說，解釋真核細胞中葉綠體和線粒體兩類細胞器的由來，總結歸納出葉綠體和線粒體兩類細胞器與原核細胞相似之處：①都含有少量的DNA、RNA；②都有核糖體這個細胞器，能合成部分自身需要的蛋白質；③大小接近。

與此同時，教師可以引導學生以生物膜的數量為分類依據，將所學的八大細胞器分為三類：無膜、單層膜和雙層膜，并對各細胞器間的異同點進行概括與歸納，比如，核糖體和中心體都為無膜細胞器，除了兩者功能差異外，成分也不同，核糖體由蛋白質和RNA組成，而中心體只含蛋白質。又如，單層膜的內質網、高爾基體、溶酶體和液泡四種細胞器，內質網和高爾基體都能形成囊泡，溶酶體是由高爾基體斷裂產生的囊泡發展而來，液泡跟溶酶體都含有水解酶，有相似的消化作用。也可以在師生討論后，通過思維導圖的方式來構建八大細胞器的知識網絡體系，從而輔助教學。

三、 科學探究

培養學生的科學探究能力就是讓學生能夠對實際的生物學問題或現象通過觀察、設計實驗等方式進行探究性學習，得出相應的結果，并在此過程中培養團隊合作和創新的能力。科學探究的主要環節有觀察、提出問題、做出相應的假設、設計實驗驗證、得出結論等。比如，科學家用放射性同位素標記的方法研究豚鼠胰腺細胞中分泌蛋白的合成與分泌過程，教師可以設置問題串：采用了什么科學方法？分泌蛋白合成和分泌過程需要哪些細胞器的參與？內質網和高爾基體、高爾基體與細胞膜之間通過什么結構進行聯系？放射性在不同細胞中出現的先后順序？具膜細胞器的膜面積隨時間如何變化？引導學生討論思考這些問題，體驗科學探究的主要環節，為學生的科學探究活動創造條件。然后師生共同探討得出：①囊泡是具膜細胞器以及細胞膜之間聯系的一個膜結構，教師對因發現并提出囊泡運輸機制獲得諾貝爾生理醫學獎的科學家進行介紹，讓學生了解關于囊泡定向運輸的科學史的同時領悟到科學的發展離不開技術的進步和科學家的奉獻精神。②放射性在不同細胞器的聚集的先后順序為核糖體、內質網和高爾基體，引導學生繪制曲線如圖4所示。③內質網、高爾基體和細胞膜依次出現膜面積的變化，如圖5所示。又如，觀察葉綠體和胞質環流這個活動中，教師可以讓學生通過顯微鏡觀察黑藻葉肉細胞中葉綠體的運動后，思考以下問題：葉綠體為什么要運動，對植物適應環境有什么意義？胞質環流的意義是什么？需要什么樣的環境條件？如何進行研究驗證？引導學生通過觀察思考上述問題后進行溫度或光照強度為自變量的實驗設計，來研究溫度或光照強度對胞質環流的影響，從而得出胞質環流有利于胞內的細胞器葉綠體等調整位置，接受適宜的光照，進行光合作用，在此過程中需要適宜的溫度條件。同時使學生可以體會科學探究的一般過程。

四、 社會責任

社會責任指的是學生能夠結合生物學知識對一些生物學現象做出合理的解釋跟判斷，并能夠用所學內容來嘗試解決生活中的實際問題，注重現代生物科學技術在生活中的應用，認同健康生活的重要性。比如，為了研究各細胞器的結構和功能，需要先將細胞內的細胞器進行分離，需要用到差速離心技術，教師可以向學生介紹該技術的原理是利用細胞器的大小不同，通過不同轉速來達到分離的目的，是研究不同細胞器結構與功能的基礎，如核糖體作為合成蛋白質的場所，與癌癥的發生密切相關，因為癌細胞有無限增殖的能力，增殖需要合成大量的蛋白質，癌癥發生的時候會伴隨著核糖體這個細胞器的大量增生，所以核糖體相關蛋白目前已成為癌癥治療的研究方向。又如，線粒體中基因有缺陷除了出現母系遺傳，還與牙周炎、不育、帕金森等多種疾病的產生有關，其他幾種細胞器功能的異常也會引起各類疾病的發生，具體可參見表1。教師在講述八大細胞器與各類疾病關系的過程中強調生物科學的發展離不開技術的進步，同時讓學生意識到健康生活的重要性，能用所學內容在一定程度上解決與健康有關的問題。

另外，分子細胞生物學家大隅良典闡述清楚了細胞的自噬機制主要有三方面的作用：①細胞自身代謝廢物的清理；②降解自身的結構或物質來應對資源缺乏等惡劣環境；③對入侵體內的細菌、病毒等進行清除，起到一定的免疫保護作用。為了感謝該科學家為生物科學發展所做出的巨大貢獻，他因此獲得了2016年度的諾貝爾生理醫學獎。此外，還有三位科學家因為搞清楚了囊泡定向運輸的機制而獲得了2013年度的諾貝爾生理醫學獎，囊泡定向運輸機制的提出意味著以下幾個方面的發展：①囊泡作為膜結構的一個代表，可以研究膜的特性；②囊泡的定向運輸機制可以解釋神經調節準確性的原因之一；③囊泡的定向運輸機制為目前醫學研究領域的靶向給藥提供了一定的可能性；④囊泡運輸的異常會使機體產生各類疾病，因此這一重要發現具有劃時代的意義。通過對細胞器相關諾貝爾獎獲得科學家的介紹，讓學生意識到科學發展的重要性，并讓學生學會能用所學的生物知識來解決一些實際的生活問題，培養學生的社會責任感。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準［S］.北京：人民教育出版社，2020：2-4.

［2］劉恩山.生物學 必修1 分子與細胞［M］.杭州：浙江科學技術出版社，2019：38-46.

作者簡介：楊璐（1986～），女，漢族，浙江余姚人，浙江省杭州第十四中學，研究方向：中學教育。