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        細(xì)胞核模型的構(gòu)建和應(yīng)用

        2020-10-22 01:20:24嘉興外國語學(xué)校浙江嘉興314001
        生物學(xué)通報(bào) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:核仁細(xì)胞核復(fù)合體

        高 婷 (嘉興外國語學(xué)校 浙江嘉興 314001)

        在高中階段“細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能”教學(xué)中,從微觀到宏觀所涉及的結(jié)構(gòu)具有名稱多、不可見、關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)。同時學(xué)生又缺乏必要的知識儲備,對結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系存在一定的認(rèn)知障礙,很難形成相關(guān)的概念體系。即使利用便捷的超輕粘土制作細(xì)胞核的模型,也只是突破了個別微觀結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識[1],在科學(xué)性方面還不具有很強(qiáng)的操作性。筆者通過對相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究和教學(xué)實(shí)踐的不斷改善,通過小組合作的模式,邊學(xué)習(xí)相關(guān)資料,邊選擇材料,逐步組裝模型,讓學(xué)生進(jìn)一步地理解各結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系,使概念可視化、簡單化,并借助概念思維導(dǎo)圖的繪制,提升對細(xì)胞核結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的認(rèn)知。“細(xì)胞核模型制作”的教學(xué)路徑如圖1所示。

        圖1 “細(xì)胞核模型制作”教學(xué)路徑圖

        1 構(gòu)建物理模型,使概念由抽象到具體

        建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為,學(xué)習(xí)是學(xué)生在一定的情境中,在他人的幫助下,利用必要的學(xué)習(xí)材料,根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)構(gòu)建新的知識體系的過程。這不只是簡單地輸入信息,而是加工、分析、選擇、重組甚至改造已有的知識經(jīng)驗(yàn),最終形成新的觀點(diǎn)。構(gòu)建模型可有效地逐步過渡抽象的經(jīng)驗(yàn),再歸納為概念,同時可培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、想象能力、創(chuàng)新能力和動手能力,有效地提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

        1.1 材料選擇過程 在材料的選擇上,需要盡量能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)或更接近真實(shí)。參考各種真實(shí)細(xì)胞核圖片和模式圖,提取共性結(jié)構(gòu);教師與每個小組的組長一起學(xué)習(xí)科學(xué)家探究的相關(guān)資料,并探討材料的選擇。學(xué)生會有很多奇思妙想,會有一些教師無法想到的新型材料。在選擇細(xì)胞核膜材料時,學(xué)生提出可用“3D”打印技術(shù)實(shí)現(xiàn),但在如何實(shí)現(xiàn)雙層膜的問題上,由于技術(shù)的限制,還沒有辦法更加接近真實(shí),這也讓學(xué)生體會到技術(shù)對科學(xué)研究的作用。在選擇核基質(zhì)材料時,學(xué)生產(chǎn)生了2 種不同的意見,經(jīng)討論發(fā)現(xiàn)棉花和水晶泥各有優(yōu)勢,故讓學(xué)生制作時自行決定,最終材料如表1所示(每組所需材料的量)。

        1.2 模型制作過程

        1.2.1 核膜和核孔復(fù)合體的制作 核膜的制作上難點(diǎn)是雙層膜的體現(xiàn)和核孔復(fù)合體的制作。在核膜上打多大的孔、打多少孔、孔如何排列都是需要查閱資料和圖片。經(jīng)過資料查找,學(xué)生制作的膜就更科學(xué)、更接近實(shí)際結(jié)構(gòu)(圖2)。

        圖2 細(xì)胞核核膜模型圖

        資料1:核孔復(fù)合體呈八面對稱結(jié)構(gòu),直徑一般為9~10 nm。核孔復(fù)合體是生物體內(nèi)最復(fù)雜的蛋白質(zhì)復(fù)合體之一,由多達(dá)30 多種不同的蛋白質(zhì),1 000 多個蛋白分子共同構(gòu)建而成。一個細(xì)胞核上核孔復(fù)合體總面積占核表面積10%~30%。通常核孔復(fù)合體按照細(xì)胞類型以相對固定的數(shù)目成叢分布,但在一定生理階段,一定條件可使核孔復(fù)合體數(shù)目改變。核孔復(fù)合體數(shù)還與轉(zhuǎn)錄活性高低有關(guān)。轉(zhuǎn)錄活躍的爪蟾卵母細(xì)胞核孔密度為60 個/μm2。一個細(xì)胞核大約有3 000 個核孔,細(xì)胞復(fù)制染色體時,一個核孔每分鐘要運(yùn)進(jìn)核內(nèi)100 個組蛋白分子。細(xì)胞迅速生長時,一個核孔1 min 向細(xì)胞質(zhì)運(yùn)出3 套核糖體的前體單位[2]。

        1.2.2 染色質(zhì)的制作 染色質(zhì)是由DNA 和蛋白質(zhì)及少量RNA 組成的,DNA 有多長、DNA 和蛋白質(zhì)是如何纏繞的、RNA 在哪里存在等問題,是在學(xué)生小組自主學(xué)習(xí)時產(chǎn)生的問題,經(jīng)過小組查找資料(圖3),計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù),并且按照比例放大(圖4、圖5)。

        圖3 DNA 與蛋白質(zhì)纏繞模式圖

        圖4 用棉花做核基質(zhì)的細(xì)胞核模型圖

        圖5 用水晶泥做核基質(zhì)的細(xì)胞核模

        資料2:每個人體的DNA 連接起來,其長度是地球到太陽的往返距離的300 倍。其中每個細(xì)胞內(nèi)DNA 分子長度約2 m,平均每條染色體所含的DNA 的長度約為5 cm,而細(xì)胞核的平均直徑約7~10 μm[3](1 個DNA 分子可繞細(xì)胞核赤道面1 592.4 圈)。

        1.2.3 核仁的制作 核仁是細(xì)胞核中染色最深的部分,核仁的數(shù)量、大小、所在的位置等都是學(xué)生自主探究時提出的在制作時必需解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過小組查找資料后,將相關(guān)資料歸納整理供大家一起使用。

        資料3:核仁通常表現(xiàn)為單一或多個勻質(zhì)的球形小體,是真核細(xì)胞間期核中最顯著的結(jié)構(gòu)。核仁的大小、形狀和數(shù)目隨生物的種類、細(xì)胞類型和細(xì)胞代謝狀態(tài)而變化。蛋白質(zhì)合成旺盛、活躍生長的細(xì)胞,例如,分泌細(xì)胞、卵母細(xì)胞,核仁大,可占總核體積的25%,不具蛋白質(zhì)合成能力的細(xì)胞,例如,肌肉細(xì)胞、休眠的植物細(xì)胞,核仁很?。?]。

        2 構(gòu)建概念模型,使思維從淺層到深層

        在構(gòu)建物理模型的過程中,學(xué)生對于細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系有了進(jìn)一步的理解,在此時再讓學(xué)生構(gòu)建概念模型進(jìn)而形成思維導(dǎo)圖,能讓學(xué)生的思維得到提升。

        在思維導(dǎo)圖的構(gòu)建過程中,以小組為單位,根據(jù)教師提供的相關(guān)材料,構(gòu)建細(xì)胞核結(jié)構(gòu)與功能的思維導(dǎo)圖(圖6)。在學(xué)生構(gòu)建時,教師需要給予幫助,同時與學(xué)生互動發(fā)現(xiàn)學(xué)生在構(gòu)建時生成的問題,便于學(xué)生展示環(huán)節(jié)的引導(dǎo)和總結(jié)提升。

        圖6 細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的概念模型[4]

        3 模型構(gòu)建過程,使素養(yǎng)從理論到落地

        3.1 生命觀念的體現(xiàn) 生命觀是指學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)課程后獲得的標(biāo)志性學(xué)習(xí)成果,是衡量學(xué)生是否受到了良好的生物學(xué)教育的標(biāo)尺[5]。從資料的查找,較為準(zhǔn)確地制作簡易模型的過程中,學(xué)生就能深刻體會結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。同時也體會到精巧的結(jié)構(gòu)決定復(fù)雜的功能,尤其是在對核孔復(fù)合體真面目研究獲得2017年諾貝爾獎,并看到核孔復(fù)合體的真面目時,對學(xué)生來說是非常震撼的,對生命敬畏之心油然而生。

        3.2 科學(xué)思維的體現(xiàn) 科學(xué)思維是理論和證據(jù)相互協(xié)調(diào)的過程。在學(xué)生獲取新知識的過程中,由于已掌握的知識理論不夠完善,需通過批判性質(zhì)疑以檢驗(yàn)和完善已有理論,獲取新的知識[6]。在模型的構(gòu)建過程中,不同的學(xué)生會對材料產(chǎn)生質(zhì)疑,會對制作的程序和方式產(chǎn)生質(zhì)疑,在這些質(zhì)疑中不斷修正,這樣就能將“清晰、準(zhǔn)確、質(zhì)疑、客觀”等思維要素內(nèi)化,從而培養(yǎng)科學(xué)思維素養(yǎng)。

        3.3 科學(xué)探究素養(yǎng) 科學(xué)探究是指學(xué)生能針對有價值的問題、疑惑、難題或想法進(jìn)行研究、基于好奇與困惑理解生命世界和構(gòu)建知識的意愿和能力[7]。整個模型制作的過程,是學(xué)生提出問題、解決問題、構(gòu)建知識概念體系的一個過程,最后的總結(jié)分享環(huán)節(jié)更能體現(xiàn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和展示能力的意愿。

        3.4 社會責(zé)任的體現(xiàn) 社會責(zé)任表現(xiàn)了學(xué)生解決問題的意識和能力、對生物學(xué)重要概念的理解和把握,并具有學(xué)以致用的學(xué)業(yè)成就,是他們個人成長和社會進(jìn)步的“正能量”[8]。在整個制作過程中小組的團(tuán)隊(duì)意識、互助精神和能主動的作為;真實(shí)準(zhǔn)確的交流、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄繎B(tài)度和尊重客觀的事實(shí);對于模型的展示和利用都是社會責(zé)任的體現(xiàn)。

        4 模型特點(diǎn)、使用方法及效果

        4.1 模型特點(diǎn) 物理模型取材容易,制作簡單,形象直觀,可重復(fù)使用,穩(wěn)定性強(qiáng)。概念模型能清晰呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能之間的聯(lián)系,提升學(xué)生的思維。

        4.2 使用方法 制作物理模型時,于課前將一組材料包裝后放入打包盒中,學(xué)生6 人一小組,小組內(nèi)再分工,負(fù)責(zé)雙層膜的制作、染色質(zhì)的制作、核仁的制作等。制作概念模型時,先給學(xué)生打好基本框架,讓學(xué)生剪貼相關(guān)文字。

        4.3 效果分析 模型的逐步組裝過程中,學(xué)生需要不斷了解從微觀到宏觀、從抽象到具體,從個體到整體的認(rèn)知觀,有效化難為易[1],也為進(jìn)一步搭建細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。同時模型還可為物質(zhì)出入核孔、轉(zhuǎn)錄演示等服務(wù)。

        培養(yǎng)學(xué)生的建模思想和建模能力是生物學(xué)教學(xué)中的核心任務(wù)之一,也是科學(xué)探究活動的核心方法之一。學(xué)會構(gòu)建合理的模型并運(yùn)用相關(guān)模型解決問題,是現(xiàn)代高中生物學(xué)教學(xué)的目標(biāo)也是學(xué)生必備的素養(yǎng),其中構(gòu)建物理模型在教學(xué)中占非常重要的位置。教學(xué)實(shí)踐表明,生物結(jié)構(gòu)模型的制作,不僅可幫助學(xué)生記憶與理解原本抽象、微觀和復(fù)雜的結(jié)構(gòu),同時能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與創(chuàng)造力,還能進(jìn)一步豐富教學(xué)資源。

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