模型建構(gòu)在生物教學(xué)中的應(yīng)用探究

摘 要：以“細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞器”為例，從生命觀念和結(jié)構(gòu)功能觀、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面探討如何通過模型建構(gòu)在生物教學(xué)中落實(shí)學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；核心素養(yǎng)；生物教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.91?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1673-8918（2024）06-0134-04

高中生物課程是一門科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵學(xué)科，既要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)獲得基本的生物學(xué)相關(guān)知識(shí)，了解生物學(xué)的科學(xué)史和規(guī)律，也要使學(xué)生形成正確的價(jià)值觀和具有必備解決生物學(xué)問題的能力。學(xué)好生物這門課程，有助于為將來從事醫(yī)藥類、環(huán)境類、科學(xué)技術(shù)專業(yè)方向輸送相應(yīng)的人才。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將提高學(xué)生生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等方面的核心素養(yǎng)作為課程設(shè)計(jì)的宗旨，同時(shí)強(qiáng)調(diào)生物教學(xué)過程中學(xué)生主動(dòng)參與的重要性，即要讓學(xué)生有動(dòng)手和動(dòng)腦的機(jī)會(huì)。

模型建構(gòu)需要學(xué)生提前查找資料和了解所建構(gòu)細(xì)胞的特點(diǎn)，一方面，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，另一方面，可以使抽象的生物學(xué)內(nèi)容直觀地進(jìn)行展示，讓學(xué)生有感性的認(rèn)識(shí)。因此，通過模型建構(gòu)來進(jìn)行教學(xué)可以達(dá)到落實(shí)核心素養(yǎng)的目的。

文章以“細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞器”為例，探討如何通過模型建構(gòu)來輔助教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一、 生命觀念和結(jié)構(gòu)功能觀

生命觀念是指人通過觀察生物體的生命現(xiàn)象或者相互之間的關(guān)系后進(jìn)行提煉得出的觀點(diǎn)，可以對(duì)生物學(xué)的現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，比如，學(xué)生通過生物學(xué)習(xí)形成正確的結(jié)構(gòu)與功能觀。在“細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞器”一節(jié)的教學(xué)過程中，教師提前指定細(xì)胞，布置小組任務(wù)。學(xué)生通過查找資料了解所制作細(xì)胞的特點(diǎn)來進(jìn)行模型建構(gòu)。教師在展示學(xué)生唾液腺細(xì)胞的過程中引出問題：分泌唾液淀粉酶需要具備哪些結(jié)構(gòu)？師生共同分析后得出蛋白質(zhì)合成和加工所需要的場所是核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體。首先是核糖體上合成多肽鏈，接著到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行加工折疊形成空間結(jié)構(gòu)，成為較成熟的蛋白質(zhì)，然后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過囊泡包裹加工后較成熟的蛋白質(zhì)定向運(yùn)輸?shù)礁郀柣w，到達(dá)高爾基體后囊泡與高爾基體膜融合，較成熟蛋白順利進(jìn)入高爾基體內(nèi)，由高爾基體對(duì)其進(jìn)一步加工，成為成熟的蛋白質(zhì)，高爾基體同樣通過囊泡包裹，定向運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜，與膜融合，通過胞吐作用順利分泌到胞外。在此基礎(chǔ)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(xì)胞和洋蔥外表皮細(xì)胞（如圖1）進(jìn)行比較，從功能差異出發(fā)，引出洋蔥外表皮之所以呈現(xiàn)紫色是因?yàn)橛幸号荩号輧?nèi)的細(xì)胞液除了有色素外還有多種水解酶，是植物細(xì)胞中的“溶酶體”，而葉肉細(xì)胞能進(jìn)行光合作用的原因——具備葉綠體。接著教師進(jìn)一步提問：為什么葉綠體能光合作用？從而讓學(xué)生關(guān)注到葉綠體結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢：具有含光合作用相關(guān)色素的光合膜以及與光合作用相關(guān)的酶。與此同時(shí)，對(duì)洋蔥外表皮細(xì)胞液泡細(xì)胞液中的成分進(jìn)行分析，讓學(xué)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(xì)胞與胰島β細(xì)胞（如圖2）、葉肉細(xì)胞和洋蔥外表皮細(xì)胞、能量需求不同的心肌細(xì)胞和腹肌細(xì)胞（如圖3）六種細(xì)胞模型兩兩進(jìn)行直觀的比較，得出：①不是所有植物細(xì)胞都有葉綠體，如洋蔥外表皮細(xì)胞因長在地下不需要光合作用就不具備葉綠體這個(gè)細(xì)胞器；②不是所有植物細(xì)胞都有大液泡，幼嫩的植物細(xì)胞一般只有小液泡，這與液泡的作用有關(guān)，動(dòng)物細(xì)胞一般沒有液泡；③植物細(xì)胞都有細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，但成分與真菌、細(xì)菌不同；④中心體在動(dòng)物細(xì)胞中普遍存在，與細(xì)胞分裂有關(guān)，在低等植物細(xì)胞中也會(huì)出現(xiàn)；⑤各種細(xì)胞中某種細(xì)胞器的含量多少取決于細(xì)胞對(duì)某種功能的需求，如心肌細(xì)胞比腹肌細(xì)胞能量需求更大，對(duì)應(yīng)心肌細(xì)胞內(nèi)與能量代謝有關(guān)的細(xì)胞器線粒體數(shù)量就越多。這使學(xué)生對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)有感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)能夠自然得出生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)。

二、 科學(xué)思維

科學(xué)思維是指在尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)的思維來解決實(shí)際的問題。科學(xué)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(xiàn)象等。科學(xué)思維的培養(yǎng)有利于學(xué)生利用所學(xué)生物學(xué)知識(shí)對(duì)生物學(xué)問題進(jìn)行科學(xué)的思考或辨析。比如，學(xué)生利用黏土等材料，在查找資料的基礎(chǔ)上根據(jù)各類細(xì)胞的特點(diǎn)進(jìn)行模型建構(gòu)，既尊重了生物學(xué)的事實(shí)，同時(shí)也發(fā)展了學(xué)生科學(xué)的模型與建模思維。對(duì)葉綠體和線粒體這兩類細(xì)胞器，教師可以從功能出發(fā)，提出系列疑問：為什么這兩種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)要有這些特點(diǎn)？為什么都有液態(tài)的基質(zhì)？為什么都要盡可能增加自身的膜面積？有何意義？讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的內(nèi)容有獨(dú)立思考的能力，并且能夠通過討論歸納得出這兩類細(xì)胞器的共性都是半自助復(fù)制細(xì)胞器的原因，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀。然后將葉綠體、線粒體兩類細(xì)胞器與原核細(xì)胞進(jìn)行比較，師生交流引出馬古利斯和內(nèi)共生學(xué)說，解釋真核細(xì)胞中葉綠體和線粒體兩類細(xì)胞器的由來，總結(jié)歸納出葉綠體和線粒體兩類細(xì)胞器與原核細(xì)胞相似之處：①都含有少量的DNA、RNA；②都有核糖體這個(gè)細(xì)胞器，能合成部分自身需要的蛋白質(zhì)；③大小接近。

與此同時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生以生物膜的數(shù)量為分類依據(jù)，將所學(xué)的八大細(xì)胞器分為三類：無膜、單層膜和雙層膜，并對(duì)各細(xì)胞器間的異同點(diǎn)進(jìn)行概括與歸納，比如，核糖體和中心體都為無膜細(xì)胞器，除了兩者功能差異外，成分也不同，核糖體由蛋白質(zhì)和RNA組成，而中心體只含蛋白質(zhì)。又如，單層膜的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體和液泡四種細(xì)胞器，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體都能形成囊泡，溶酶體是由高爾基體斷裂產(chǎn)生的囊泡發(fā)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(dǎo)圖的方式來構(gòu)建八大細(xì)胞器的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系，從而輔助教學(xué)。

三、 科學(xué)探究

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力就是讓學(xué)生能夠?qū)?shí)際的生物學(xué)問題或現(xiàn)象通過觀察、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，得出相應(yīng)的結(jié)果，并在此過程中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新的能力。科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)有觀察、提出問題、做出相應(yīng)的假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論等。比如，科學(xué)家用放射性同位素標(biāo)記的方法研究豚鼠胰腺細(xì)胞中分泌蛋白的合成與分泌過程，教師可以設(shè)置問題串：采用了什么科學(xué)方法？分泌蛋白合成和分泌過程需要哪些細(xì)胞器的參與？內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體、高爾基體與細(xì)胞膜之間通過什么結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)系？放射性在不同細(xì)胞中出現(xiàn)的先后順序？具膜細(xì)胞器的膜面積隨時(shí)間如何變化？引導(dǎo)學(xué)生討論思考這些問題，體驗(yàn)科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)，為學(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)創(chuàng)造條件。然后師生共同探討得出：①囊泡是具膜細(xì)胞器以及細(xì)胞膜之間聯(lián)系的一個(gè)膜結(jié)構(gòu)，教師對(duì)因發(fā)現(xiàn)并提出囊泡運(yùn)輸機(jī)制獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家進(jìn)行介紹，讓學(xué)生了解關(guān)于囊泡定向運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)史的同時(shí)領(lǐng)悟到科學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)家的奉獻(xiàn)精神。②放射性在不同細(xì)胞器的聚集的先后順序?yàn)楹颂求w、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，引導(dǎo)學(xué)生繪制曲線如圖4所示。③內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和細(xì)胞膜依次出現(xiàn)膜面積的變化，如圖5所示。又如，觀察葉綠體和胞質(zhì)環(huán)流這個(gè)活動(dòng)中，教師可以讓學(xué)生通過顯微鏡觀察黑藻葉肉細(xì)胞中葉綠體的運(yùn)動(dòng)后，思考以下問題：葉綠體為什么要運(yùn)動(dòng)，對(duì)植物適應(yīng)環(huán)境有什么意義？胞質(zhì)環(huán)流的意義是什么？需要什么樣的環(huán)境條件？如何進(jìn)行研究驗(yàn)證？引導(dǎo)學(xué)生通過觀察思考上述問題后進(jìn)行溫度或光照強(qiáng)度為自變量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，來研究溫度或光照強(qiáng)度對(duì)胞質(zhì)環(huán)流的影響，從而得出胞質(zhì)環(huán)流有利于胞內(nèi)的細(xì)胞器葉綠體等調(diào)整位置，接受適宜的光照，進(jìn)行光合作用，在此過程中需要適宜的溫度條件。同時(shí)使學(xué)生可以體會(huì)科學(xué)探究的一般過程。

四、 社會(huì)責(zé)任

社會(huì)責(zé)任指的是學(xué)生能夠結(jié)合生物學(xué)知識(shí)對(duì)一些生物學(xué)現(xiàn)象做出合理的解釋跟判斷，并能夠用所學(xué)內(nèi)容來嘗試解決生活中的實(shí)際問題，注重現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)在生活中的應(yīng)用，認(rèn)同健康生活的重要性。比如，為了研究各細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能，需要先將細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器進(jìn)行分離，需要用到差速離心技術(shù)，教師可以向?qū)W生介紹該技術(shù)的原理是利用細(xì)胞器的大小不同，通過不同轉(zhuǎn)速來達(dá)到分離的目的，是研究不同細(xì)胞器結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)，如核糖體作為合成蛋白質(zhì)的場所，與癌癥的發(fā)生密切相關(guān)，因?yàn)榘┘?xì)胞有無限增殖的能力，增殖需要合成大量的蛋白質(zhì)，癌癥發(fā)生的時(shí)候會(huì)伴隨著核糖體這個(gè)細(xì)胞器的大量增生，所以核糖體相關(guān)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(xiàn)母系遺傳，還與牙周炎、不育、帕金森等多種疾病的產(chǎn)生有關(guān)，其他幾種細(xì)胞器功能的異常也會(huì)引起各類疾病的發(fā)生，具體可參見表1。教師在講述八大細(xì)胞器與各類疾病關(guān)系的過程中強(qiáng)調(diào)生物科學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)讓學(xué)生意識(shí)到健康生活的重要性，能用所學(xué)內(nèi)容在一定程度上解決與健康有關(guān)的問題。

另外，分子細(xì)胞生物學(xué)家大隅良典闡述清楚了細(xì)胞的自噬機(jī)制主要有三方面的作用：①細(xì)胞自身代謝廢物的清理；②降解自身的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)來應(yīng)對(duì)資源缺乏等惡劣環(huán)境；③對(duì)入侵體內(nèi)的細(xì)菌、病毒等進(jìn)行清除，起到一定的免疫保護(hù)作用。為了感謝該科學(xué)家為生物科學(xué)發(fā)展所做出的巨大貢獻(xiàn)，他因此獲得了2016年度的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。此外，還有三位科學(xué)家因?yàn)楦闱宄四遗荻ㄏ蜻\(yùn)輸?shù)臋C(jī)制而獲得了2013年度的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，囊泡定向運(yùn)輸機(jī)制的提出意味著以下幾個(gè)方面的發(fā)展：①囊泡作為膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)代表，可以研究膜的特性；②囊泡的定向運(yùn)輸機(jī)制可以解釋神經(jīng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性的原因之一；③囊泡的定向運(yùn)輸機(jī)制為目前醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的靶向給藥提供了一定的可能性；④囊泡運(yùn)輸?shù)漠惓?huì)使機(jī)體產(chǎn)生各類疾病，因此這一重要發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義。通過對(duì)細(xì)胞器相關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)獲得科學(xué)家的介紹，讓學(xué)生意識(shí)到科學(xué)發(fā)展的重要性，并讓學(xué)生學(xué)會(huì)能用所學(xué)的生物知識(shí)來解決一些實(shí)際的生活問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

參考文獻(xiàn)：

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［2］劉恩山.生物學(xué) 必修1 分子與細(xì)胞［M］.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)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(xué)，研究方向：中學(xué)教育。