譚曉晴

摘要 以“植物生長素”一節(jié)的核心問題為例，基于不同生命系統(tǒng)層次下的信息觀進行問題串教學，讓學生在深度學習的過程中逐漸形成“生命活動離不開信息調控”的生命觀念，同時也培養(yǎng)了學生獲取信息，分析信息與應用信息的素養(yǎng)與能力。

關鍵詞 信息觀 生命觀念 生物學教學

中圖分類號G633. 91

文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017版）》明確提出生物學學科核心素養(yǎng)包含生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。其中，信息觀是生命觀念中的基本要素之一。

廣義的生命信息觀可以理解為生命的物質運動，由遺傳信息、生理信息和神經感知信息構成生命的信息系統(tǒng)，可以根據(jù)生命自身的規(guī)律有機地組織物質運動，實現(xiàn)生命的自組織、自復制和自適應。狹義的生命信息觀是指信息分子從產生部位經傳輸路徑到達作用部位，通過生命系統(tǒng)的接受、識別和處理后，引起受體的生理變化，進而產生對應的生物學效應的過程。從分子與細胞水平上看，細胞膜控制物質進出、各種細胞器協(xié)作完成光合作用、呼吸作用等相關生理功能都是在信息調控下實現(xiàn)的。從個體水平上看，植物體可以根據(jù)光照等物理信息調控自身的生長發(fā)育，動物也可以根據(jù)各種物理信息、化學信息和行為信息等保證機體的穩(wěn)態(tài)與平衡。從生態(tài)系統(tǒng)水平上看，生態(tài)系統(tǒng)的反饋調節(jié)機制也依賴于信息傳遞，從而實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

生命觀念維度下的信息觀是物質觀與功能觀的有力支撐，揭示了生命系統(tǒng)的本質為物質、能量和信息的統(tǒng)一體，各個層次下的生命系統(tǒng)的正常運轉都離不開信息傳遞和信息調節(jié)。生命的信息觀強調信息傳遞在生物的生長、繁殖和進化中的作用，在信息調控下，生命系統(tǒng)不斷適應變化的環(huán)境所造就的生物多樣性，為進化與適應觀提供事實依據(jù)。此外，很多信息分子（如信號肽、激素等）本身也是生命活動的過程的產物，這也體現(xiàn)了生命系統(tǒng)的整體性、層次性。培養(yǎng)與發(fā)展學生的信息觀，不僅有助于學生從更廣泛的意義上理解生命，更鍛煉了學生的科學思維，增強了學生獲取、處理和應用信息的能力。

1 問題的提出

人教版高中生物學《選擇性必修1.穩(wěn)態(tài)與調節(jié)》第五章第一節(jié)“植物生長素”，以植物向光彎曲生長引入，通過科學家的探究實踐介紹了植物生長素的發(fā)現(xiàn)歷程，進而引出生長素作為植物激素對植物的生長發(fā)育有顯著的影響。在高三的一輪復習中，學生已經基本認同植物激素作為信息分子，對植物的生長具有調控作用，能夠理解植物向光性的產生是生長素在尖端下部分布不均勻的結果。但對于“單側光作為物理信息，如何引起生長素的橫向運輸”“生長素是如何引起植物彎曲生長”以及“為什么高濃度下的生長素可以抑制植物生長”等問題，學生思考的深度不足，并未能夠從信息調控的角度理解信息分子對生命系統(tǒng)的調控過程，也未能從遺傳信息的角度深入分析，認識到植物激素的分泌和調控本質上是植物基因選擇性表達的結果。

因此，筆者嘗試以“植物生長素”一節(jié)的復習課為例，以植物向光性現(xiàn)象為切入點，剖析單側光、植物激素等信息分子對植物體生命活動的影響，深入挖掘信息觀的核心內涵——基因是最根本的遺傳信息，調控代謝過程、維持生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。同時，本節(jié)內容通過啟發(fā)學生分析生長素作用效果的圖像，訓練學生獲取信息和分析整合信息的能力，結合實際生產進行信息應用，有效進行信息觀內涵與外延的滲透，并幫助學生構建“獲取信息——分析信息——應用信息”的能力體系。

2 教學過程

2.1 進入情境，奠定信息觀基礎

教師播放黑暗條件下單側弱光照射綠豆幼苗的延時拍攝視頻，引發(fā)學生思考植物向光生長的原因，引出單側光作為一種物理信息影響植物的生長進程。教師提問：什么是信息？外界環(huán)境中的信息如何影響生命活動？

隨后，教師展示含羞草被觸碰后的變化，提出問題：為什么含羞草被觸碰后，葉子會收起來？在這個過程中，植物是如何感受、處理信息的？教師引導：含羞草的葉柄基部有一個特殊器官“葉枕”。葉子一旦被觸動，信息就會傳回葉枕，葉枕內的薄壁細胞的細胞液就會開始流向細胞間隙，膨脹能力下降，葉枕下部細胞間的壓力降低.從而出現(xiàn)葉片閉合，植株下垂的現(xiàn)象。1-2 min后，細胞液又逐漸流回葉枕，于是葉片又恢復了原來的樣子。學生據(jù)此從“信息產生、傳輸和作用”3個角度，分析外界刺激對含羞草的影響。

設計意圖：教師利用真實的情境激發(fā)學生的探究興趣，補充信息的三要素（信源、信道和信息受體），使學生奠定信息觀基礎。

2.2 分析資料，建立信息觀模型

（1）核心問題1：為什么單側光照射可以引起植物彎曲生長？

教師展示資料：近年的研究說明，高等植物的光受體是向光素1和向光素2，位于植物的表皮細胞、葉肉細胞和保衛(wèi)細胞的細胞膜上。它們是黃素蛋白，蛋白質部分表現(xiàn)出絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。在單側弱藍光照射下，向光素磷酸化呈側向梯度，誘發(fā)胚芽鞘尖端的IAA向背光一側運輸，進而到達伸長區(qū)，刺激細胞伸長，使背光側生長速度快于向光側，即向光彎曲生長。

據(jù)此，教師提出問題串：①單側光作為物理信息，如何引起植物彎曲生長？②植物表皮細胞能接收單側光的信息，因為其具有什么結構基礎？該結構的化學本質是什么？③此過程體現(xiàn)了細胞膜具有什么功能？④還有哪些結構能使高等植物細胞進行信息交流？⑤從植物生長的角度分析，為什么植物會出現(xiàn)向光生長？并說明信息對個體的影響，

設計意圖：教師引導學生從細胞水平上分析單側光照射作為信息分子，引起植物向光彎曲生長的生物學效應。同時，教師引導學生結合信息三要素，分析植物細胞內能夠接受、傳遞信息和發(fā)揮作用的具體路徑和結構基礎，基于結構與功能觀的基礎從細胞水平上升至個體水平，認同個體正常的生命活動離不開信息傳遞。

（2）核心問題2：單側光作用下，植物體內生長素分布不均勻。為什么分布較多的一側植物生長速度較快？

教師展示“酸生長假說”的資料：：生長素和受體結合，進一步通過信號轉導，促使H+-ATP酶基因活化合成，形成mRNA，運輸?shù)郊毎|合成H+-ATP酶，再運輸?shù)郊毎ぁｋS后，質膜的H+-ATP酶把H+排到細胞壁外，引起細胞壁酸化，從而活化膨脹素蛋白，使其作用于細胞壁的纖維與半纖維素之間的截面，打斷細胞壁多糖之間的H鍵。多糖鏈被破壞，細胞變得松弛柔軟，膨壓推動細胞伸長。

教師提問：H+-ATP酶基因通過什么方式控制性狀？通過分析資料，學生在教師的引導下構建出信息調控的分子模型，即“H+-ATP酶基因控制H+-ATP酶的合成來完成H+外排（圖1），細胞壁酸化細胞伸長”這一生理過程，本質上是基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，以實現(xiàn)基因對性狀控制的間接途徑。

設計意圖：教師通過補充“酸生長假說”資料，引導學生從分子水平分析向光彎曲生長是植物體相關基因選擇性表達的結果。據(jù)此，學生不僅能夠解決生長素到底是如何促進植物生長的疑問，又能意識到基因是生物體最根本的遺傳信息，進一步增強和鞏固對信息觀的認同。

2.3 思辨結合，延伸信息觀理解

核心問題3：生長素傳遞給植物的信息一定是促進生長的嗎？

教師播放實驗視頻，學生根據(jù)數(shù)據(jù)繪制不同濃度下生長素類似物NAA對大蒜鱗莖生根的影響曲線圖。教師安排任務，推動學生獲取并分析圖像信息。任務1要求學生通過曲線和圖表，分析得出生長素類似物對根部既有促進生長也有抑制生長的作用，即生長素作用特點具有兩重性。通過對比同一濃度生長素對不同植物器官的作用效果，得出不同植物器官對生長素的敏感性不同，一般是根>芽>莖。任務2要求學生根據(jù)已有的實驗數(shù)據(jù)和圖像信息，自主思考并書寫探究生長素類似物促進大蒜鱗莖生根的最適濃度的實驗思路。教師提問：為什么高濃度下的生長素對植物的生長起抑制作用？并提供脯氨酸積累在逆境中對植物中有保護作用的資料。研究發(fā)現(xiàn)，滲透壓脅迫下的擬南芥體內脯氨酸含量升高，但植株中生長素內向性運輸載體AUX1和生長素極性運輸載體PIN1、PIN2和PIN3蛋白的表達均減弱，進而導致生長素的正常流動受阻，從而打破擬南芥根部原有生長素濃度梯度的維持，最終表現(xiàn)為根部生長受抑制。

設計意圖：教師借助圖表數(shù)據(jù)，引導學生直觀感受得出生長素的作用特點，強化學生讀圖、書寫實驗思路的能力，貼合新高考下對學生書面表達能力的要求;并引入資料，幫助學生理解“逆境下植物的生命活動受多個信息分子調節(jié)，其本質也是由多個基因共同調控完成的”。

2.4 以悟促改，達成信息觀應用

教師引導學生思考：結合生長素兩重性的作用特點，在農業(yè)生產上有哪些實際應用呢？學生舉例說明，如頂端優(yōu)勢本質上是側芽生長受到了生長素的抑制，棉花打頂能促進側芽伸長，根據(jù)不同植物對生長素的敏感程度不同，可以采用適宜濃度的生長素噴灑植物去除雙子葉雜草等。

此外，信息對生命系統(tǒng)的影響也是多方面的，學生可課后自主探究相關課題，如光照既可以引起植物彎曲生長，也可以影響植物種子的萌發(fā)（某些植物種子經特定波長的光照下才能萌發(fā)），以及溫度等其他因素也可以作為信息分子調控動植物體的代謝活動。學生只有掌握信息的作用途徑，才能理解信息的意義。使信息為人所用，才是信息觀培養(yǎng)的意義所在。

3 總結與展望

本節(jié)復習課以信息觀為引領，深入挖掘植物生長過程中的信息調控分子，從個體、細胞到分子水平層層深入，分析基因、植物激素和單側光等信息分子在調控各個生命系統(tǒng)下的作用，使學生在深入學習的過程中逐漸建立生命系統(tǒng)離不開信息傳遞的信息觀，進一步形成“生命是物質、能力和信息的有機統(tǒng)一體”的生命觀念。教師引導學生分析資料，針對性地訓練學生獲取、分析信息的能力，不僅能落實信息觀，也能培養(yǎng)學生科學思維和科學探究的素養(yǎng)，是對核心素養(yǎng)多維度高效滲透的體現(xiàn)。

各層次下的生命系統(tǒng)均有信息調控，生命在信息調控下不斷適應進化，形成了生物多樣性。生命信息可通過基因工程、重組生物學技術在不同載體間進行轉移，為將來人工生命的創(chuàng)造提供了良好前景。為進一步培養(yǎng)和發(fā)展學生的生命信息觀，教師可以植物的生命歷程為主題進行大單元設計，結合當下人工智能與人工生命熱點研究，使信息觀的滲透與培養(yǎng)更具整體性和系統(tǒng)性。

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