生物學(xué)教學(xué)中對學(xué)生結(jié)構(gòu)和功能觀的培養(yǎng)途徑初探

李振海

摘要 通過對細(xì)胞、生物體、生態(tài)系統(tǒng)等生物知識等教學(xué)途徑分析，對學(xué)生結(jié)構(gòu)與功能觀的培養(yǎng)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 生物教學(xué) 結(jié)構(gòu)和功能觀 生命觀念

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物學(xué)核心素養(yǎng)認(rèn)為，“生命觀念”是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是經(jīng)過實(shí)證后的觀點(diǎn)，是能夠理解或解釋相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法，包括結(jié)構(gòu)與功能觀等。生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀的途徑有哪些呢？

1從細(xì)胞的角度入手，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀

細(xì)胞的結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞器）、細(xì)胞核。

1.1從細(xì)胞膜的角度入手，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀

在確定細(xì)胞膜的成分是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)后，對于蛋白質(zhì)位于細(xì)胞膜的位置，學(xué)生根據(jù)羅伯特森在電鏡下看到細(xì)胞膜的暗—亮—暗三層結(jié)構(gòu)，認(rèn)同關(guān)于蛋白質(zhì)和脂質(zhì)位置關(guān)系模型——單位膜的模型（蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)），且認(rèn)為膜的結(jié)構(gòu)是靜止的。

此時，有學(xué)生提出批判性問題：如果細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型是單位膜模型，那么，細(xì)胞如何生長？變形蟲如何變形？細(xì)胞膜復(fù)雜的功能如何實(shí)現(xiàn)？很顯然，單位膜模型不能解釋細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)關(guān)系。那么，蛋白質(zhì)分子和磷脂分子應(yīng)該是如何排布的呢？

在這些問題引導(dǎo)下，學(xué)生先進(jìn)行小組討論、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案；然后，進(jìn)行全班交流；最后，展示科學(xué)家設(shè)計的實(shí)驗(yàn)——熒光標(biāo)記的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合的實(shí)驗(yàn)。這個實(shí)驗(yàn)說明蛋白質(zhì)分子和磷脂分子都是可以運(yùn)動的，同時說明細(xì)胞膜是流動的，而不是靜止的。至此，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型——流動鑲嵌模型得以建立。生物膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容是磷脂雙分子層構(gòu)成膜的基本支架，蛋白質(zhì)分子或鑲在表面，或嵌入其中，或貫穿于整個磷脂雙分子層中，磷脂分子和蛋白質(zhì)分子都是可以運(yùn)動的。這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就很好地解釋了細(xì)胞膜是選擇透過性的。

1.2從細(xì)胞器的角度入手，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀

細(xì)胞質(zhì)包括細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞器。線粒體由雙層膜組成，外膜與外界分開，內(nèi)膜向內(nèi)突起形成嵴，從而擴(kuò)大了內(nèi)膜面積，有利于酶的附著。同時，內(nèi)膜和基質(zhì)中有與呼吸作用有關(guān)的酶系統(tǒng)。正是因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)，線粒體才能有那么高的能量轉(zhuǎn)換效率。

葉綠體是植物細(xì)胞特有的一種細(xì)胞器，具有雙層膜。外膜與外界分開，一個葉綠體內(nèi)有40～80個基粒，一個基粒有10～100個類囊體垛疊而成。類囊體上有與光合作用光反應(yīng)有關(guān)的酶和色素，基質(zhì)中有暗反應(yīng)有關(guān)的酶系統(tǒng)和相關(guān)物質(zhì)。也正因?yàn)榛U(kuò)大了膜面積，色素吸收和轉(zhuǎn)化光能，酶降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，葉綠體才能完成把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功能。

1.3從細(xì)胞核的角度入手，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀

圖1是細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和功能概念圖。由圖1中可看出，細(xì)胞核由核膜、染色質(zhì)、核仁組成。核膜由雙層膜組成，上有核孔，核孔上有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，控制物質(zhì)交換和信息交流。核仁與核糖體的形成和某些RNA的形成有關(guān)。染色質(zhì)由蛋白質(zhì)與DNA組成。再從DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看：（1）DNA分子是由兩條鏈組成的，且兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。（2）DNA分子中的脫氧核苷酸和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基對排列在內(nèi)側(cè)。（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接，并且堿基配對遵循堿基互補(bǔ)配對原則。正是由于DNA具有這樣的結(jié)構(gòu)，才使DNA具有“堿基排列順序包含著遺傳信息”的功能。通過這些遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯可控制著生物體的性狀。也正是由于細(xì)胞核的這些結(jié)構(gòu)，細(xì)胞核才具有“遺傳信息庫”“細(xì)胞的代謝和遺傳控制中心”的功能。

2從生物體的角度入手，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀

生物體每一部分結(jié)構(gòu)都能體現(xiàn)“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的觀點(diǎn)。以小腸為例，教師首先展示消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖片，學(xué)生就可看出腸具有長度長的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。接著教師引導(dǎo)學(xué)生利用放大鏡觀察小腸內(nèi)壁，學(xué)生可看到小腸內(nèi)表面有環(huán)形皺襞，皺襞上有絨毛。教師再通過投影讓學(xué)生觀察小腸環(huán)形皺襞、絨毛、微絨毛，從而說明小腸內(nèi)表面積大（約200 m²）這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。正是由于這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)才有利于食物在小腸內(nèi)進(jìn)行充分的消化與吸收。教師再展示圖片，表明絨毛壁和毛細(xì)血管的壁都很薄，只由一層上皮細(xì)胞構(gòu)成，從而學(xué)生理解這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。從而幫助學(xué)生理解小腸的結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)。

3從生態(tài)系統(tǒng)角度入手，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀

生態(tài)系統(tǒng)是指在一定空間范圍內(nèi)，生物與環(huán)境所形成的統(tǒng)一整體。

生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括生態(tài)系統(tǒng)的組成成分和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。生態(tài)系統(tǒng)的組成成分包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和非生物的物質(zhì)和能量。生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)包括食物鏈和食物網(wǎng)。食物鏈?zhǔn)巧镩g由于捕食關(guān)系形成的鏈條，其中又分為第一營養(yǎng)級、第二營養(yǎng)級、第三營養(yǎng)級等，很多食物鏈交織形成食物網(wǎng)。

生態(tài)系統(tǒng)的功能主要包括物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞。圖3是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)圖。從圖3中可以看出，碳以二氧化碳的形式通過光合作用由生產(chǎn)者轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，通過捕食以有機(jī)物形式進(jìn)入各級消費(fèi)者。而生產(chǎn)者和消費(fèi)者的遺體，一方面以有機(jī)物形式傳遞給分解者，通過分解者的分解作用，以二氧化碳的形式釋放到無機(jī)環(huán)境中。另一方面，生產(chǎn)者和消費(fèi)者還可形成化石燃料，通過人們的開采、燃燒，以二氧化碳的形式釋放到大氣中。由此可見，碳在生物群落與無機(jī)環(huán)境之間以二氧化碳的形式在進(jìn)行不斷循環(huán)，碳在生物群落內(nèi)部以有機(jī)物的形式進(jìn)行流動，生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)依賴于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖4是生態(tài)系統(tǒng)能量流動圖。從圖中可以看出，能量流動的起點(diǎn)是太陽能，生產(chǎn)者把太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，儲存在它們所制造的有機(jī)物中開始進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。通過捕食能量進(jìn)入各級消費(fèi)者的體內(nèi)，分解者通過分解生產(chǎn)者和消費(fèi)者的遺體殘骸獲得能量。同時三者通過呼吸把一部分能量釋放到大氣中。由此可以看出，能量流動的特點(diǎn)是單向流動、逐級遞減的。能量流動依然依賴于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

綜上所述，無論是物質(zhì)循環(huán)，還是能量流動，都離不開生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

總之，無論從細(xì)胞的角度、生物體的角度、生態(tài)系統(tǒng)的角度，都可以作為對學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能觀的培養(yǎng)途徑。