深入學(xué)習(xí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生進(jìn)化與適應(yīng)觀

董玲玲 顧彩燕

摘要 通過(guò)深入比較細(xì)胞結(jié)構(gòu)的多樣性與統(tǒng)一性，以細(xì)胞生物的進(jìn)化歷程為主線，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，帶領(lǐng)學(xué)生以小組為單位，進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，進(jìn)而構(gòu)建重要概念，并幫助學(xué)生提升進(jìn)化與適應(yīng)觀。

關(guān)鍵詞 進(jìn)化適應(yīng)觀 細(xì)胞 多樣性 統(tǒng)一性

中圖分類號(hào) 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年版）》（以下簡(jiǎn)稱課標(biāo)）的基本理念是“核心素養(yǎng)為宗旨、內(nèi)容聚焦大概念、教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)促發(fā)展”，核心素養(yǎng)中最具有生物學(xué)特點(diǎn)的是生命觀念，具體包括結(jié)構(gòu)功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)能量觀等。進(jìn)化與適應(yīng)觀有助于幫助學(xué)生理解生命的進(jìn)化歷史、生物之間的相互關(guān)系及地球生命多樣性的原因，并運(yùn)用這一觀念對(duì)生活中的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行判斷、分析和解釋。學(xué)生對(duì)于進(jìn)化與適應(yīng)觀的理解多停留于個(gè)體水平，缺乏系統(tǒng)而多層次的認(rèn)識(shí)。下面以“細(xì)胞具有多樣性與統(tǒng)一性”內(nèi)容為例，闡述如何從細(xì)胞的水平提升學(xué)生對(duì)進(jìn)化適應(yīng)觀的認(rèn)識(shí)。

1 教學(xué)內(nèi)容分析及設(shè)計(jì)思路

“各種細(xì)胞具有相似的基本結(jié)構(gòu)，但在形態(tài)與功能上有所差異”是課標(biāo)中大概念1“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的基本單位”下的一個(gè)重要概念，揭示了生物界的細(xì)胞既具有多樣性，又具有統(tǒng)一性。這一重要概念是在學(xué)習(xí)完“細(xì)胞內(nèi)部各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作，共同執(zhí)行細(xì)胞的各項(xiàng)生命活動(dòng)”的基礎(chǔ)上是課標(biāo)的第一個(gè)大概念。這一大概念由三個(gè)重要概念共同支撐，這些概念之間的關(guān)系如圖1所示。

重要概念3由2個(gè)次位概念共同支撐，分別是：

①說(shuō)明有些生物只有一個(gè)細(xì)胞，而有的由許多個(gè)細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞形態(tài)和功能多樣，但都具有相似的基本結(jié)構(gòu);

②描述原核細(xì)胞與真核細(xì)胞最大的區(qū)別是原核細(xì)胞沒(méi)有核膜包被的細(xì)胞核。

重要概念3描述的是細(xì)胞的多樣性與統(tǒng)一性及真核細(xì)胞與原核細(xì)胞之間的區(qū)別，概念之間的知識(shí)結(jié)構(gòu)如圖2所示。深入學(xué)習(xí)這一重要概念，能夠提升學(xué)生對(duì)進(jìn)化適應(yīng)觀的認(rèn)識(shí)。

下面以進(jìn)化與適應(yīng)觀作為主線，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到：真核細(xì)胞由原核細(xì)胞進(jìn)化而來(lái)，真核細(xì)胞在不同環(huán)境中逐漸進(jìn)化為植物、動(dòng)物和真菌，所有生物都有一個(gè)共同祖先，即原始細(xì)胞。通過(guò)系列學(xué)習(xí)活動(dòng)，教師在教學(xué)上貫穿觀察、實(shí)證的教學(xué)理念，使學(xué)生形成進(jìn)化與適應(yīng)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、部分與整體觀等重要的生命觀念，同時(shí)基于圖片模型分析、顯微鏡觀察多種多樣的細(xì)胞、科學(xué)史資料分析等，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維。

2 學(xué)情分析

經(jīng)過(guò)初中及高中必修模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道多細(xì)胞生物與單細(xì)胞生物、原核細(xì)胞與真核細(xì)胞、細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)間的分工合作、生物的進(jìn)化等內(nèi)容。但對(duì)原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的異同點(diǎn)只停留在記憶背誦的層面，不能從根本上認(rèn)識(shí)真核細(xì)胞更加復(fù)雜、更加高等的原因。經(jīng)課前調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為原核細(xì)胞更原始，只是從原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的角度認(rèn)識(shí)，缺乏細(xì)胞對(duì)不同環(huán)境進(jìn)化性適應(yīng)的深層次理解;對(duì)于細(xì)胞間的多樣性與統(tǒng)一性的理解停留于表面，不能從根本上認(rèn)識(shí)細(xì)胞具有多樣性與統(tǒng)一性的原因和意義。同時(shí)，學(xué)生對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的了解還是很膚淺，沒(méi)有從根本上認(rèn)識(shí)到細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的意義以及不同細(xì)胞對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)。

因此，在學(xué)生原有的知識(shí)基礎(chǔ)上，教師遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，使新知識(shí)有效地整合進(jìn)學(xué)生原有的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中，使學(xué)生的知識(shí)體系得到豐富和發(fā)展。針對(duì)高中學(xué)生的年齡特點(diǎn)和心理特征，結(jié)合他們的認(rèn)知水平，提前將學(xué)生分為每3-4人一組，共12個(gè)小組，采用小組合作學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，以對(duì)比發(fā)現(xiàn)法為主.以討論法、觀察法為輔;教學(xué)過(guò)程力求體現(xiàn)“問(wèn)題情景——比較分析——概念歸納”的模式。借助顯微鏡觀察永久裝片或臨時(shí)裝片、多媒體輔助教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察直觀形象的不同細(xì)胞，給學(xué)生提供各種豐富的、有代表性的事實(shí)材料和圖片模型為概念形成提供支撐，幫助學(xué)生建構(gòu)重要概念。

3 教學(xué)目標(biāo)

（l）學(xué)會(huì)使用顯微鏡觀察多種多樣的細(xì)胞，認(rèn)識(shí)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)具有多樣性。

（2）說(shuō)明有些生物只有一個(gè)細(xì)胞，有的由很多細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞形態(tài)和功能多樣，但都有相似的基本結(jié)構(gòu)。

（3）比較分析原核細(xì)胞與真核細(xì)胞之間的異同、植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的異同，認(rèn)識(shí)細(xì)胞具有多樣性和統(tǒng)一性，培養(yǎng)辨證思維能力。

（4）闡釋細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與生存環(huán)境相適應(yīng)，理解細(xì)胞具有多樣性與統(tǒng)一性的原因和意義，并運(yùn)用進(jìn)化與適應(yīng)觀分析和解釋具體的生物學(xué)現(xiàn)象。

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突

教師展示展示看似一片綠葉的綠葉海蝸牛的圖片，提出核心問(wèn)題：海蝸牛到底是動(dòng)物還是植物？若是動(dòng)物，為什么它能進(jìn)行光合作用？如果是植物，它的葉綠體從哪里來(lái)？通過(guò)以上問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)知沖突。

4.2 尋找證據(jù)，引出進(jìn)化與適應(yīng)觀

教師提供葉綠體的內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)，逐步引導(dǎo)學(xué)生分析葉綠體的特征（表1），并與藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行比較，找到葉綠體由藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)的證據(jù)，初步形成結(jié)論的得出基于觀察和實(shí)證的科學(xué)探究意識(shí)。然后，補(bǔ)充科學(xué)家利用電子顯微觀察技術(shù)和化學(xué)分析技術(shù)得到的其他證據(jù)。

接著，教師引導(dǎo)學(xué)生分析葉綠體與藍(lán)細(xì)菌的不同，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：認(rèn)識(shí)葉綠體由于生活在真核細(xì)胞內(nèi)，有了更加穩(wěn)定的生存環(huán)境，藍(lán)細(xì)菌直接生活在更加復(fù)雜多變的環(huán)境中。原始真核細(xì)胞吞噬藍(lán)細(xì)菌，最終進(jìn)化出葉綠體，從而明確真核細(xì)胞中的葉綠體可能是由藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)。

4.3 對(duì)比分析，理解進(jìn)化與適應(yīng)觀

教師呈現(xiàn)原核細(xì)胞與真核細(xì)胞模式圖、高等植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞模式圖，引導(dǎo)學(xué)生分組分析它們的異同。小組1-6對(duì)比分析原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的異同，并討論以下4個(gè)問(wèn)題：

①在細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面，原核細(xì)胞與真核細(xì)胞有什么共同點(diǎn)？

②在細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面，原核細(xì)胞與真核細(xì)胞最大的差異是什么？

③真核細(xì)胞中，核膜的出現(xiàn)有什么意義？

④除核膜包被的細(xì)胞核，真核細(xì)胞還有哪些特有的結(jié)構(gòu)？這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)有什么意義？

學(xué)生通過(guò)分析問(wèn)題①，明確原核細(xì)胞和真核細(xì)胞都有細(xì)胞膜、核糖體，都以DNA作為遺傳物質(zhì)。學(xué)生通過(guò)分析問(wèn)題②～④，明確地球上最先出現(xiàn)的是原始細(xì)胞（約38億年前），最初的原始細(xì)胞經(jīng)歷漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程，形成原核生物藍(lán)細(xì)菌（約35億年前）。藍(lán)細(xì)菌的出現(xiàn)使地球環(huán)境氧氣含量增高、變得溫和，從而為真核細(xì)胞及多細(xì)胞生物的出現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。約15億年前，原始真核細(xì)胞出現(xiàn)，并吞入藍(lán)細(xì)菌、好氧細(xì)菌，形成葉綠體和線粒體。此外，真核細(xì)胞還進(jìn)化出各種膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，從而把某些生化反應(yīng)局限在特定的區(qū)域，使細(xì)胞內(nèi)的代謝反應(yīng)趨于復(fù)雜化，并形成相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。核膜的出現(xiàn)使真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄過(guò)程在核內(nèi)進(jìn)行，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中的核糖體進(jìn)行。真核細(xì)胞的基因有外顯子與內(nèi)含子，基因轉(zhuǎn)錄翻譯的復(fù)雜化，使真核細(xì)胞形成更多種類的蛋白質(zhì)，從而使生命活動(dòng)更加精確，有利于真核生物適應(yīng)更加復(fù)雜多樣的生存環(huán)境。

小組7-12對(duì)比分析高等植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞模式圖，并著重分析動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞共有的結(jié)構(gòu)與特有的結(jié)構(gòu)，理解不同生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是如何與其功能相適應(yīng)的。通過(guò)以上對(duì)比分析，明確重要概念“各種細(xì)胞具有相似的基本結(jié)構(gòu)，但在形態(tài)與功能上有所差異”。

4.4 尋根問(wèn)底，內(nèi)化進(jìn)化與適應(yīng)觀

教師展示生物界各種各樣的細(xì)胞圖片，提出問(wèn)題：

①同一個(gè)體內(nèi)，不同細(xì)胞（如神經(jīng)細(xì)胞與成熟紅細(xì)胞）形態(tài)與功能各不相同的原因是什么？

②不同種生物之間，細(xì)胞形態(tài)與功能各不相同的根本原因是什么？

③從生物進(jìn)化的角度分析，為什么細(xì)胞具有相似的基本結(jié)構(gòu)？

④構(gòu)建生物進(jìn)化樹(shù)，表示生物進(jìn)化的大致歷程。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題①，使學(xué)生明確：對(duì)于多細(xì)胞生物，同一個(gè)體的不同細(xì)胞來(lái)自受精卵，遺傳信息相同，但由于基因的選擇性表達(dá)，導(dǎo)致不同組織細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)不同，從而適應(yīng)其特定的功能，細(xì)胞之間出現(xiàn)了分工，但細(xì)胞之間相互依存、相互合作。學(xué)生討論分析問(wèn)題②，理解不同種生物在不同的生存環(huán)境下，經(jīng)長(zhǎng)期自然選擇保留下的遺傳信息不同，生存環(huán)境和遺傳信息的差異導(dǎo)致其體內(nèi)的細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能各不相同。學(xué)生討論分析問(wèn)題③，構(gòu)建生物進(jìn)化樹(shù)，明確地球上生物的進(jìn)化歷程：由原始細(xì)胞進(jìn)化出原核生物，進(jìn)而進(jìn)化出真核生物。真核生物由于生活環(huán)境的多樣化，又分別往不同的方向進(jìn)化，進(jìn)而形成了植物、動(dòng)物與真菌。不同的細(xì)胞雖然形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能不同，但由于有共同起源，即原始細(xì)胞。因而這些細(xì)胞都保留了一些維持生命活動(dòng)必須的結(jié)構(gòu)（如核糖體、細(xì)胞膜、細(xì)胞溶膠）。這是細(xì)胞具有統(tǒng)一性的原因。

4.5 解釋現(xiàn)象，運(yùn)用進(jìn)化與適應(yīng)觀

教師提供綠葉海蝸牛的科學(xué)研究材料，引導(dǎo)學(xué)生分析材料中有哪些現(xiàn)象體現(xiàn)了該種生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化：

綠葉海蝸牛兩片形如翅膀的偽足將身體拉寬，當(dāng)偽足折起來(lái)時(shí)，它看上去就像只綠色的鼻涕蟲(chóng)，體態(tài)修長(zhǎng)，頂端兩只觸角;而當(dāng)“兩翼”像太陽(yáng)能電池板一樣展開(kāi)時(shí)，它的身體便與一片綠葉無(wú)異，背上的血管就是它的葉脈。綠葉海蝸牛的成體不需要進(jìn)食，它們直接通過(guò)光合作用吸收能量，產(chǎn)生自己所需的碳水化合物和脂肪等，從而使壽命比普通的海蝸牛長(zhǎng)很多。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，人們就意識(shí)到，綠葉海蝸牛能從藻類“偷”來(lái)葉綠體，并吸收入自己的細(xì)胞內(nèi)。這些葉綠體一旦進(jìn)入海蝸牛的細(xì)胞，就能開(kāi)始進(jìn)行光合作用長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月，甚至比它們?cè)凇袄戏繓|”藻類體內(nèi)發(fā)揮作用的時(shí)間還長(zhǎng)。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，綠葉海蝸牛不僅僅是吞食葉綠體。在檢查了綠葉海蝸牛的基因組后，研究人員發(fā)現(xiàn)了與藻類相同的psb0基因，這是對(duì)光合作用必需的一種蛋白質(zhì)進(jìn)行編碼的基因。看來(lái)，海蝸牛并不滿足于竊取植物身上的葉綠體，它還弄來(lái)了至少一種促使其運(yùn)轉(zhuǎn)的基因。這些基因的功能是修復(fù)和保持葉綠體持續(xù)發(fā)揮作用。基因已經(jīng)整合入海天牛的基因中，并能傳遞給下一代。雖然下一代海天牛需要自行獲取新的葉綠體，但是這些修復(fù)和維持葉綠體的基因早就存在體內(nèi)了。這是迄今為止，科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的唯一一種多細(xì)胞動(dòng)物間的功能性基因轉(zhuǎn)移。

學(xué)生閱讀材料，自由表達(dá)觀點(diǎn)。材料中，綠葉海蝸牛可以在有光時(shí)將偽足拉寬，利用光能，無(wú)光時(shí)將偽足折起，同時(shí)還能降綠藻的葉綠體吸收入細(xì)胞，為自己合成有機(jī)物，最為關(guān)鍵的是它已進(jìn)化出與藻類相同的psb0基因，從而保證葉綠體持續(xù)的發(fā)揮作用。同時(shí)，教師也可引導(dǎo)學(xué)生從生物學(xué)中的其他現(xiàn)象，闡述不同生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化。

4.6 歸納總結(jié)，強(qiáng)化進(jìn)化適應(yīng)觀念

教師再次強(qiáng)調(diào)：細(xì)胞在模式上具有統(tǒng)一性，在類型上具有多樣性，細(xì)胞形態(tài)和功能雖然具有多樣性，但都具有相似的基本結(jié)構(gòu)，這是生物在細(xì)胞層次對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)與進(jìn)化的結(jié)果。美國(guó)細(xì)胞生物學(xué)家威爾遜曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“一切生命的關(guān)鍵問(wèn)題都要到細(xì)胞中去找答案。因?yàn)樗陨际?，或曾?jīng)是，一個(gè)細(xì)胞”。雖然科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展，細(xì)胞生物學(xué)的研究已經(jīng)深入到分子水平，但生物大分子并沒(méi)有生命，細(xì)胞仍是生物體結(jié)構(gòu)與功能的基本單位。生物的生殖發(fā)育、遺傳、神經(jīng)、免疫等重大生命活動(dòng)都要以細(xì)胞為基礎(chǔ)，一切疾病的發(fā)病機(jī)制也是以細(xì)胞為基礎(chǔ)。環(huán)境在不斷發(fā)展變化，細(xì)胞也在不斷進(jìn)化并適應(yīng)環(huán)境。

5 教學(xué)反思

生物學(xué)知識(shí)只是形成核心素養(yǎng)的載體，課堂或課外實(shí)踐活動(dòng)才是形成學(xué)科素養(yǎng)的渠道。因此，教師在設(shè)計(jì)課堂實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，應(yīng)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入分析，并尋找適宜的相關(guān)素材，設(shè)計(jì)導(dǎo)入、概念建構(gòu)等各個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)功能各不相同，但都具有相似的基本結(jié)構(gòu)”這一重要概念的加工、消化、吸收，以及在此基礎(chǔ)上的內(nèi)化、轉(zhuǎn)化、升華。同時(shí)，將教學(xué)評(píng)價(jià)融入教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程性評(píng)價(jià)與表現(xiàn)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，在活動(dòng)中評(píng)價(jià)學(xué)生的表現(xiàn)和知識(shí)掌握水平、語(yǔ)言表達(dá)能力等。教師在課前分組，調(diào)查學(xué)生的前科學(xué)概念，發(fā)現(xiàn)他們存在的認(rèn)知錯(cuò)誤，從而設(shè)計(jì)尋找證據(jù)、對(duì)比分析等教學(xué)活動(dòng)，并引入適當(dāng)?shù)目茖W(xué)研究素材，有利于提升對(duì)重要概念的深入理解，將學(xué)生的前科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念。

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