基于深度学习“层进式策略”建构结构与功能观——以高考专题复习“细胞器与生物膜系统”为例

陈艳萍 谢虎成

(1.广州中学 广东广州 510640)

(2.广州市荔湾区教育发展研究院 广东广州 510600)

生命观念既不能像事实性知识那样被接受并记忆,也不能像概念性知识那样被理解,观念的形成必须经历“感知、确认、信奉”三个基本阶段,这是一个深度学习的过程,是一个“层进式学习”的过程。本文以“细胞器和生物膜系统”专题复习中建构结构与功能观为例,经过事实感知、概念拓展、实验探究、观念运用等环节驱动学生深度学习,促进学生知识理解,帮助学生提升思维深度,升华生命观念,提升学科素养。

1 基于事实与概念,感知结构与功能观

1.1 从事实中发现规律,形成概念

观念的形成要经历“事实—概念—观念”的过程,观念是基于大概念基础上的高度抽象和概括。经过高一新授课的学习,学生已经掌握了细胞器和生物膜的基本知识,但其知识是零星的,概念是片断的。在高三专题复习中,需对知识进行重组,将众多的下位概念关联起来并形成大概念,才能将隐藏在知识背后的观点逐渐显现出来。在专题复习中,教师首先呈现学生生活中的几个实例,如例1所示,激发学生思考:细胞器的结构与功能有什么关系?在分析实例中,教师逐步引导学生发现规律:细胞器有特定的结构特点,并行使特定的功能;当细胞器的结构发生变化时,则不能行使正常的功能,并表现出相应的病症。

【例1】思考细胞结构与功能之间的关系:

(1)细胞内的生物膜将各种细胞器分隔开来,有利于细胞高效进行各项生命活动。

(2)根尖成熟区的细胞具有中央大液泡,液泡内有细胞液,有利于根吸收水分。

(3)内质网增大了细胞中膜的面积,膜上停留大量的酶和核糖体。

(4)代谢旺盛的细胞中线粒体的数量比较多,比如心肌细胞、肝脏细胞等。

(5)肠腺、胰腺等分泌细胞中含有较多的核糖体、内质网、高尔基体。

(6)研究发现,在水污染严重的区域,浮游植物的叶绿体囊状结构被大量破坏,叶绿素接着被破坏,植物的光合作用也无法进行。

(7)职业病硅肺的形成与溶酶体中的水解酶有关。

(8)研究发现,阿尔兹海默症的病人脑细胞中沉积大量错误折叠的蛋白(Aβ 蛋白),该蛋白大量存在会损伤线粒体,最后出现神经退行性疾病。

1.2 提炼概念,形成结构与功能观

观念的形成需要还原知识背景,学生才能以沉浸式的学习态度关注生命现象,探索生命的奥秘。通过以上实例引导学生总结规律:细胞器的结构和功能是相适应的。接着请学生回忆“分泌蛋白”的形成过程,总结出细胞结构并不是独立完成生命活动,而是相互联系并在生命系统之中完成的,从而建立部分与整体的关系。由此,引导学生就知识背景和知识发生的过程聚焦以下问题:①细胞器有哪些结构和功能特点?②有哪些事实和依据体现了细胞器的结构与功能相适应?③细胞器之间是如何分工合作共同完成生命活动?接下来将围绕以上三个聚焦点开展“层进式”学习,寻找知识的关联性,逐步建构结构与功能观。

聚焦一:细胞器有哪些结构和功能特点?

在以上事实的基础上,教师引导学生将高一所学的细胞器知识进行以下归类:①列表比较细胞的显微结构和亚显微结构;②从分布、成分和结构对细胞器进行分类,并按结构的相似性对细胞器重新排序;③尝试找出这些细胞器相似结构和功能之间的关联性。

2 基于探究与论证,确认结构与功能观

观念的形成要经历“确认为真”的判断,从理论上需要符合逻辑,从实践上需要有可信的证据支撑。从结构出发分析功能,从功能理解推测结构,是形成结构与功能观的基本思路。学生在理解细胞结构与功能的联系基础上,运用事实拓展并延伸,检验所形成的结构与功能相适应的观点。例如教师以线粒体和叶绿体亚显微结构为例进行迁移推理,归纳其结构与功能总是相适应的;接着以“内共生起源学说”为依据,从进化的角度分析线粒体和叶绿体的结构与功能相适应是长期自然选择的结果,建立“进化与适应观”;最后通过实验探究线粒体中ATP 合成酶所在场所,以功能反推结构促进知识的迁移与运用。

该教学环节,在帮助学生建立基于理解的知识体系的同时,对学生反思性学习能力也进行了培养。在教学实践中,教师应注重搭建问题的支架,引导学生在问题中反思并归纳,从而促进学科知识向学科经验、学科能力和学科观点的转化。

2.1 推理与认证,确认观念

聚焦二:有哪些事实和依据体现了细胞器的结构与功能相适应的特点?

教师以线粒体和叶绿体的亚显微结构图为例,引导学生对这两个细胞器结构特点、膜面积增大方式、基质成分等进行比较,总结得出:线粒体通过内膜向内折叠形成嵴,嵴和基质上有许多有氧呼吸相关的酶;叶绿体通过类囊体薄膜增大膜的面积,膜上分布着色素和光合作用相关的酶,正是这些结构特点才能完成其相应的功能。

线粒体和叶绿体的结构与功能相适应的特点是如何形成的?教师以内共生起源学说为基础(图1),提问叶绿体、线粒体如何从原始的蓝藻类原核细胞和好氧细菌,逐渐演化成重要的细胞器,引导学生对该假说进行反思推理:为什么线粒体、叶绿体含有DNA、RNA?为什么其膜结构类似于细胞膜和其他细胞器膜?能否从叶绿体的原始起源反推其功能?最后,教师引导进行学生归纳:细胞器的结构与功能相适应是长期进化、自然选择的结果。从而使学生理解知识背后的生物学规律,为“结构与功能观”的建立奠定进化观的基础。

图1 内共生起源结构图

2.2 探究与实验,确认观念

开展探究活动是实现知识内化的重要途径,也是学生持续性深度学习的重要途径。结合前面所形成的观念,设计实验探究题例2:通过低渗涨破线粒体结构,探究线粒体各个结构与功能的关系,培养学生运用观念解决问题的能力,实现对知识的反思和顿悟。

【例2】在研究线粒体组分时,将线粒体放在低渗溶液中获得涨破的外膜,再用适当方法处理并获得内膜小泡及颗粒,实验结果如图2所示。请分析回答:

图2 线粒体在低渗溶液破裂的结构图

①研究发现,在适宜成分溶液中,线粒体含F0F1内膜小泡能完成有氧呼吸第三阶段的反应,该阶段与其它阶段相比产生的ATP 数量_________(填“偏多”或“偏少”),推测线粒体内膜上的F0-F1颗粒物是酶。

②为了研究F0-F1颗粒物的结构与合成ATP的关系,用尿素破坏内膜小泡将F1颗粒与小泡分开,检测处理前后ATP 的合成。若处理之前,在适宜条件下,含________颗粒内膜小泡能合成ATP;处理后含________颗粒内膜小泡不能合成ATP,说明合成ATP 一定与F1有关。

答案:(1)偏多 ATP 合成酶(2)含F0—F1含F0

3 基于实践与运用,信奉结构与功能观

“信奉”是确认为真的判断并自觉相信。从情感态度价值观的角度来看,观念的形成需要自觉运用并解决生产实践中的问题,同时对形成的观念进行修正,最终才能信奉观念。例如教学中,教师以“细胞自噬和异噬”为例,从系统的角度引导学生理解生命是动态变化的。接着,学生运用结构与功能观从解释生物学现象、解决生物学问题、做出具体决策三个方面逐层递进开展学习,使结构与功能观的构建不断加深。

3.1 运用观念解决生物学现象

聚焦三:细胞器之间如何进行分工合作共同完成各项生命活动?

教师以“新冠病毒入侵人体后,浆细胞如何产生抗体”的真实情景激发学生进行思考:抗体的合成和分泌涉及哪些细胞结构?体现了生物膜的哪些功能?这些细胞结构在功能上发生了哪些紧密的联系?通过以上问题支架帮助学生构建细胞器协作的知识网络图,进一步理解“生物体的各个结构既独立又相互协作,共同完成生命活动”观念。

接着以例3“溶酶体自噬和异噬现象”进行思维训练,思考溶酶体自噬现象与它的哪些结构特点有关,帮助学生从理解知识到对知识的反思、迁移,实现学科能力的转化。

【例3】溶酶体在胞吞和细胞自噬过程中发挥着重要作用,人体细胞内的溶酶体含有多种水解酶。如图3所示为溶酶体结构示意图,图4 表示某吞噬细胞内溶酶体的产生和作用过程。请回答问题:

图3 溶酶体结构示意图

图4 吞噬细胞内溶酶体的产生和作用过程

(1)据图4 可知,正是因为溶酶体膜上存在________泵,可将H+运进溶酶体内,溶酶体内部pH 才能维持在5 左右。研究表明,少量的溶酶体内的水解酶泄露到细胞质基质中并不会引起组织细胞损伤,推测可能的原因是____________。

(2)据图5 可知,溶酶体可以结合含有________的小泡,形成异噬溶酶体;还可以与清除________的自噬体结合,形成自噬溶酶体。自噬体内的物质被水解后,其产物可以被细胞重新利用。由此推测,当细胞养分不足时,细胞“自噬作用”会________(增强/不变/减弱)。吞噬和自噬现象推测了生物膜的成分具有一定的________性,结构上具有一定的________性。

答案:(1)H+泵 酸性环境是溶酶体内水解酶发挥作用所必需的。(2)病原体 衰老的细胞器 增强相似性 流动性

3.2 运用观念解决生物学问题

生物学课程是自然科学领域的一门课程,教学中应反映自然科学的本质特征。将观念与现实问题相融合才能实现思维的提升。最后,引导学生运用结构与功能观思考以下三个现象,如例4,从解释现象、解决问题、做出决策三个方面层层递进,培养学生自觉运用观念去分析和解决生产生活中实际问题的能力。

【例4】分析以下现象:①研究发现,在低温下植物会出现一定适应性。请从结构与功能相适应的角度分析,柑橘抗寒锻炼过程中,线粒体结构会有哪些变化以适应低温环境?

②随着干旱胁迫的加深,甘蔗的光合作用会受到严重的影响。实验发现,喷洒乙烯利可以减缓干旱的胁迫,请从结构与功能观理解乙烯利解决干旱胁迫的原理是什么?

③化疗药物阿霉素通过抑制细胞的DNA 和RNA 的合成能有效抑制乳腺癌、消化道肿瘤。研究表明,阿霉素在人体内代谢过程中产生活性氧(ROS),会导致DNA 损伤,对心脏有毒性。请推测阿霉素会导致哪种细胞器结构的损伤?同时思考在使用阿霉素的同时可配合什么作用的药物以减缓其毒性?

答案:(1)线粒体是细胞呼吸的主要场所,会出现数量增多、体积增大、内嵴增多等变化,以细胞呼吸强度提高,细胞的热量和能量供应增加,以抵抗低温的影响。(2)乙烯利通过增加叶绿体的基粒和片层结构,增加了酶的数量和色素的数量,从而提高光反应的速率,增加光合作用的效率。(3)阿霉素因为可以抑制DNA 的合成,所以会造成心肌细胞线粒体膜及线粒体DNA 损伤,导致心肌供能不足。应配合使用清除ROS 的药物以减轻其毒性。

根据深度学习的理论,观念的形成不是一个直线型的过程,而是要经历“下沉、潜行、上浮”的“U 型”深度学习过程。在“细胞器和生物膜”的专题复习教学活动中,教师将结构与功能的事实性知识抽象成为概念,进而升华成为结构与功能观,使得学生的推理、论证等高阶思维得到了发展,学生在认同生物学价值的同时自觉运用结构与功能观参与个人与社会事务的决策,从而实现了生物学独特的育人价值。