盛國(guó)躍 (金華市教育教學(xué)研究中心 浙江金華 321017)
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課程標(biāo)準(zhǔn)”)中的必修課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)由一系列概念組成。不同版本的生物學(xué)教材對(duì)同一概念呈現(xiàn)方式不同,教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)從基于教材走向基于課程標(biāo)準(zhǔn)中的概念。本文以“原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的最大區(qū)別是原核細(xì)胞沒(méi)有由核膜包被的細(xì)胞核(以下簡(jiǎn)稱(chēng)概念A(yù))”[1]為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。
課程標(biāo)準(zhǔn)以“少而精”的原則選擇課程內(nèi)容,其所呈現(xiàn)的概念均是高度精煉的。將課程標(biāo)準(zhǔn)中的概念直接作為教學(xué)起點(diǎn)過(guò)于宏觀,因此,在教學(xué)時(shí)需對(duì)其進(jìn)行細(xì)化和梳理。
概念A(yù) 屬于“分子與細(xì)胞”模塊中的次位概念,其所支撐的重要概念及大概念依次是“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”“各種細(xì)胞具有相似的基本結(jié)構(gòu)但在形態(tài)和功能上有所差異”[1]。概念A(yù) 有利于學(xué)生從進(jìn)化和適應(yīng)的角度理解細(xì)胞的統(tǒng)一性和差異性,對(duì)順利達(dá)成“說(shuō)明細(xì)胞具有多種形態(tài)和功能,但同時(shí)又都具有相似的基本結(jié)構(gòu)”[1]這一學(xué)業(yè)要求有重要意義?;诖朔治?,將概念A(yù) 細(xì)化為3 條下位概念:
A1.原核細(xì)胞的大部分DNA 聚集在一起,但沒(méi)有膜包被。
A2.原核細(xì)胞與真核細(xì)胞在多個(gè)方面存在顯著差異。
A3.核膜的出現(xiàn)為真核細(xì)胞進(jìn)化出多種特有結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ),標(biāo)志著真核生物的誕生。
基于以上分析,確定的學(xué)習(xí)目標(biāo)為:①設(shè)計(jì)并實(shí)施“觀察念珠藻和洋蔥表皮細(xì)胞核區(qū)實(shí)驗(yàn)”,掌握科學(xué)探究的基本思路和方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行交流和討論,說(shuō)明原核細(xì)胞的大部分DNA 聚集在一起,但沒(méi)有膜包被;②比較原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)模式圖,以列表等方式說(shuō)明2 類(lèi)細(xì)胞在多個(gè)方面存在差異;③通過(guò)論證從進(jìn)化角度舉例說(shuō)明有、無(wú)核膜是真核細(xì)胞和原核細(xì)胞最大的區(qū)別,并用進(jìn)化與適應(yīng)觀闡釋核膜與物種多樣性的關(guān)系。
學(xué)生以小組為單位完成“借助顯微技術(shù)和生物染色劑探究原核細(xì)胞與真核細(xì)胞在核結(jié)構(gòu)上的區(qū)別實(shí)驗(yàn)”,初步形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
4.1 創(chuàng)設(shè)情境,提出指向于概念的問(wèn)題 教師展示進(jìn)化樹(shù)圖(圖略)。我國(guó)科學(xué)家陳世驤將進(jìn)化樹(shù)上多種多樣的生物,劃分為由原核細(xì)胞組成的原核生物總界和由真核細(xì)胞組成的真核生物總界共2 個(gè)總界。其中真核生物種類(lèi)繁多占99%以上,原核生物不到1%。這種分類(lèi)方法得到廣泛認(rèn)可。
任務(wù)1:提出指向于概念的問(wèn)題。
活動(dòng)1:學(xué)生提出問(wèn)題→師生共同梳理問(wèn)題?;谇榫?,學(xué)生提出許多問(wèn)題。但這些問(wèn)題的表述方式、指向性及提出的順序并不完全符合概念構(gòu)建的邏輯,需進(jìn)行梳理。師生共同梳理層層遞進(jìn)的指向于概念的問(wèn)題如下:
Q1.原核細(xì)胞在核結(jié)構(gòu)上有什么特點(diǎn)?(指向于A1)
Q2.2 類(lèi)細(xì)胞有哪些區(qū)別?(指向于A2)
Q3.2 類(lèi)細(xì)胞的區(qū)別中最大的區(qū)別是什么?(指向于A3)
Q4.真核生物的物種數(shù)量比原核生物大很多的原因是什么?(指向于A3)
讓學(xué)生通過(guò)對(duì)真實(shí)情境的感知提出指向于概念的問(wèn)題,既激發(fā)了學(xué)生的求知欲,又使學(xué)生探尋問(wèn)題答案的過(guò)程成為主動(dòng)構(gòu)建概念的過(guò)程。
4.2 實(shí)驗(yàn)探究,構(gòu)建概念A(yù)1
任務(wù)2:借助顯微技術(shù)和生物染色劑探究原核細(xì)胞與真核細(xì)胞在核結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。
活動(dòng)2:部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)匯報(bào)→全班討論→教師點(diǎn)撥總結(jié)。部分學(xué)生進(jìn)行如下匯報(bào):經(jīng)文獻(xiàn)檢索,發(fā)現(xiàn)原核生物主要包括細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、放線菌、支原體、衣原體、螺旋體和立克次氏體等七大類(lèi)。其中,藍(lán)細(xì)菌較大,且其以細(xì)胞群體的形式存在時(shí),會(huì)形成水華。藍(lán)細(xì)菌中念珠藻細(xì)胞體積相對(duì)較大,且分布廣泛,易獲取。因此,選擇念珠藻為觀察原核細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)材料。選擇洋蔥表皮細(xì)胞作為觀察真核細(xì)胞的材料。拍攝的顯微照片如圖1 所示。
圖1 念珠藻擬核區(qū)(A)和洋蔥表皮細(xì)胞核(B)亞甲基藍(lán)染色情況比較
在學(xué)生討論環(huán)節(jié),教師進(jìn)行引導(dǎo):根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,原核細(xì)胞相對(duì)較小。2 種細(xì)胞均有被亞甲基藍(lán)染液染成深色的區(qū)域,說(shuō)明均有核區(qū)。洋蔥表皮細(xì)胞核區(qū)形狀規(guī)則,近圓形,且界線平滑,其原因是具有核膜。念珠藻核區(qū)不規(guī)則,邊界不清晰,且不同細(xì)胞核區(qū)的形態(tài)不同,其原因可能是缺乏核膜。當(dāng)有學(xué)生提出質(zhì)疑(例如,有部分學(xué)生認(rèn)為原核細(xì)胞可能有不規(guī)則的核膜)時(shí),教師展示透射電鏡下的念珠藻細(xì)胞圖像,消除學(xué)生的疑惑。
要讓學(xué)生認(rèn)同原核細(xì)胞沒(méi)有核膜包被的細(xì)胞核,就必須要讓學(xué)生有真實(shí)的體驗(yàn)。本環(huán)節(jié)讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn),真切感受到原核細(xì)胞和真核細(xì)胞在核膜上的區(qū)別,接受“擬核”這一結(jié)構(gòu),并順利構(gòu)建概念A(yù)1。
4.3 列表比較,構(gòu)建概念A(yù)2
任務(wù)3:觀察原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)模式圖,列表比較2 類(lèi)細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。
活動(dòng)3:學(xué)生通過(guò)觀察模式圖,以表格(表1)的形式列出真核細(xì)胞和原核細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別,并進(jìn)行匯報(bào)和交流。學(xué)生在相互評(píng)價(jià)和修正中總結(jié)得出2 類(lèi)細(xì)胞在不同層面的差異,從而建立概念A(yù)2。在此基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生理解真核細(xì)胞的構(gòu)造與機(jī)能比原核細(xì)胞更為復(fù)雜和完善,進(jìn)而認(rèn)同生物由簡(jiǎn)單到復(fù)雜地進(jìn)化的觀點(diǎn)。
表1 真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)區(qū)別
學(xué)生通過(guò)列表比較,不僅自然構(gòu)建了概念A(yù)1,加深了對(duì)上位概念的理解,還認(rèn)同了進(jìn)化的觀點(diǎn),同時(shí),提高了觀察和類(lèi)比能力,在分享和交流中提高團(tuán)隊(duì)合作的能力和交流能力。
4.4 科學(xué)論證,構(gòu)建概念A(yù)3
任務(wù)4:提出并修正關(guān)于原核細(xì)胞與真核細(xì)胞最大區(qū)別的主張。
活動(dòng)4:學(xué)生提出主張→教師補(bǔ)充資料→學(xué)生修正主張。學(xué)生根據(jù)原有知識(shí)提出了多個(gè)主張。教師需針對(duì)學(xué)生提出的主張補(bǔ)充對(duì)應(yīng)資料,幫助學(xué)生修正主張。
主張1:從表1 可知,原核細(xì)胞沒(méi)有染色體,而染色體是遺傳信息的主要載體,因此,最關(guān)鍵的區(qū)別是原核細(xì)胞沒(méi)有染色體。
補(bǔ)充資料1:生命從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演化,一方面細(xì)胞內(nèi)遺傳信息量增加;另一方面基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。這就要求細(xì)胞對(duì)遺傳信息有更有序的調(diào)控。核膜的出現(xiàn)有利于實(shí)現(xiàn)遺傳信息調(diào)控的階段性與區(qū)域化。同時(shí),受核膜的限制,真核細(xì)胞需借助蛋白質(zhì)將大型化的DNA 壓縮形成染色質(zhì)[2]。
修正主張1:核膜為真核細(xì)胞遺傳信息量的擴(kuò)增和染色質(zhì)形成奠定了基礎(chǔ)。因而,核膜的區(qū)別比染色質(zhì)的區(qū)別更本質(zhì)。
主張2:從表1 可知,原核細(xì)胞沒(méi)有多種有膜細(xì)胞器,而有膜細(xì)胞器實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的區(qū)域化,因此,最關(guān)鍵的區(qū)別是原核細(xì)胞沒(méi)有多種有膜的細(xì)胞器。
補(bǔ)充資料2:真核細(xì)胞依靠?jī)?nèi)膜系統(tǒng)先分化出核與質(zhì),再分化出有膜細(xì)胞器,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的形成以質(zhì)膜和核膜為基礎(chǔ)[3]。
修正主張2:核膜為真核細(xì)胞有膜細(xì)胞器的形成奠定了基礎(chǔ)。因而,核膜的區(qū)別比細(xì)胞器的區(qū)別更本質(zhì)。
得出結(jié)論:在結(jié)構(gòu)上,核膜為染色質(zhì)、生物膜系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),在功能上為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生化系統(tǒng)進(jìn)行秩序化管控奠定了基礎(chǔ),核膜的形成標(biāo)志著真核細(xì)胞的誕生。因此,2 類(lèi)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。
在課程標(biāo)準(zhǔn)中,概念A(yù) 位于“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”這一大概念的末尾。多數(shù)教材也將概念A(yù) 安排在細(xì)胞結(jié)構(gòu)這一章的末尾。因此,學(xué)生在學(xué)習(xí)概念A(yù) 之前,已學(xué)習(xí)了細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)及生物膜系統(tǒng)等知識(shí)。通過(guò)論證的方式讓學(xué)生從進(jìn)化角度理解核膜的地位,有利于學(xué)生從結(jié)構(gòu)和功能2 個(gè)層次認(rèn)同核膜的區(qū)別比細(xì)胞器和染色質(zhì)等方面的區(qū)別更本質(zhì)。在論證時(shí),教師需在學(xué)生提出初步主張后再進(jìn)行資料補(bǔ)充,否則,學(xué)生的思維就會(huì)被資料牽引,提出主張以資料為起點(diǎn),而不是以原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)為起點(diǎn),導(dǎo)致學(xué)生的思維斷層。
4.5 應(yīng)用概念,深化概念A(yù)
任務(wù)5:從核膜角度分析真核生物物種更多樣的原因,建立起物種多樣性與核膜之間的聯(lián)系。
活動(dòng)5:學(xué)生提出主張→教師追問(wèn)并補(bǔ)充資料→學(xué)生修正主張。
提出主張:原核生物進(jìn)行無(wú)性生殖,真核生物可進(jìn)行有性生殖,所以,真核生物的物種數(shù)量更多。
教師追問(wèn):有性生殖與核膜有什么關(guān)聯(lián)?
補(bǔ)充資料3:原核細(xì)胞以二分裂方式進(jìn)行增殖,分裂時(shí)子DNA 在質(zhì)膜作用下分離,這種分裂方式容易導(dǎo)致細(xì)胞同質(zhì)化。真核細(xì)胞的核膜擔(dān)當(dāng)起原核生物質(zhì)膜可使子DNA(染色質(zhì))分離的功能,從而進(jìn)化出了更精準(zhǔn)的遺傳物質(zhì)分配機(jī)制,即遺傳物質(zhì)隨染色質(zhì)的復(fù)制而復(fù)制,隨染色質(zhì)的分配而分配。真核生物在這種遺傳物質(zhì)精準(zhǔn)分配機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)化出了有性生殖[4]。
修正主張:核膜為真核細(xì)胞進(jìn)化出遺傳物質(zhì)精準(zhǔn)分配機(jī)制和有性生殖奠定了基礎(chǔ)。遺傳物質(zhì)精準(zhǔn)分配機(jī)制及有性生殖能以更加靈活的方式重塑基因。所以,真核生物的物種更加多樣。這也說(shuō)明了原核生物和真核生物是2 個(gè)進(jìn)化的不同階段。
學(xué)生在初中階段已學(xué)習(xí)了生殖方式與物種多樣性的關(guān)系及細(xì)胞分裂等知識(shí),但不理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)與生物多樣性間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)將物種多樣性與核膜之間建立聯(lián)系,學(xué)生更深刻理解核膜為真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜化、有性生殖的出現(xiàn)等奠定了基礎(chǔ),從而進(jìn)一步認(rèn)同2 類(lèi)細(xì)胞最大的區(qū)別在于核膜。
延伸任務(wù):辯證地分析內(nèi)共生學(xué)說(shuō)、內(nèi)陷學(xué)說(shuō)和多基因組學(xué)說(shuō)等關(guān)于真核細(xì)胞起源的學(xué)說(shuō)。
學(xué)生要真正理解2 類(lèi)細(xì)胞的最大區(qū)別,就必須從進(jìn)化的角度分析核膜出現(xiàn)的意義。每一種關(guān)于真核細(xì)胞起源的學(xué)說(shuō),都試圖用各自的觀點(diǎn)和證據(jù)說(shuō)明核膜的起源。這些學(xué)說(shuō)提供了學(xué)生從進(jìn)化角度分析核膜的最好視角和形成進(jìn)化與適應(yīng)觀的最好素材。同時(shí),由于各種學(xué)說(shuō)優(yōu)、缺點(diǎn)不同,目前并無(wú)定論。因此,分析這些學(xué)說(shuō)有利于學(xué)生發(fā)展批判性思維,并認(rèn)識(shí)到生物學(xué)概念是開(kāi)放發(fā)展的。
將概念作為教學(xué)的立足點(diǎn)符合課程標(biāo)準(zhǔn)和《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》的要求,有利于教師整合多個(gè)版本教材實(shí)施教學(xué);本節(jié)課中對(duì)概念的解構(gòu),有利于師生厘清概念脈絡(luò)及概念與素養(yǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系;本節(jié)課用同一情境,且按照情境—問(wèn)題—任務(wù)—活動(dòng)展開(kāi)教學(xué),有利于學(xué)生匯聚思維,并讓學(xué)生經(jīng)歷事實(shí)→概念→觀念的認(rèn)知過(guò)程;從進(jìn)化視角展開(kāi)的論證,有利于學(xué)生在理解核膜出現(xiàn)意義的同時(shí)建立進(jìn)化與適應(yīng)觀。