淺談教學(xué)中生命觀念的滲透
——以“細(xì)胞膜——系統(tǒng)的邊界”為例

河北 蘇洪波

生物學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生后天習(xí)得的終身受益成果，是公民基本素養(yǎng)的重要組成之一，是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的生物學(xué)問題時(shí)所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力。生物學(xué)核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、理性思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等。2017年全國卷生物試題以真實(shí)、新穎的科學(xué)研究為情境，設(shè)置考題對考生進(jìn)行全面考查，讓考生充分調(diào)用所學(xué)的知識(shí)，展示學(xué)科核心素養(yǎng)。不同的題目各有側(cè)重地體現(xiàn)生命觀念、理性思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等素養(yǎng)。本文主要從“生命觀念”的視角進(jìn)行分析。

一、什么是“生命觀念”

生命就是那些能夠通過自然選擇實(shí)現(xiàn)繁殖和進(jìn)化的事物，是結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一體。生命觀念是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象概念、是經(jīng)過實(shí)證后的想法或觀點(diǎn)、是能夠理解或解釋相關(guān)事件和現(xiàn)象的品格和能力。它更接近于以往所說的生物學(xué)思想，是當(dāng)學(xué)生對于一些具體概念忘記后仍然留在大腦里、用于認(rèn)識(shí)生命世界和解釋生命現(xiàn)象的東西，其形成是以核心概念的形成為基礎(chǔ)的。

2017版《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》列舉了4種生命觀念：結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀，現(xiàn)分別介紹如下：

（一）結(jié)構(gòu)與功能觀

生命系統(tǒng)存在著由細(xì)胞到生物圈的多個(gè)層次，每個(gè)層次都是結(jié)構(gòu)有序的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的有序性與其功能相適應(yīng)，即一定的結(jié)構(gòu)必然對應(yīng)一定的功能，任何功能都需要一定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)，是長期進(jìn)化所形成的，是生物適應(yīng)環(huán)境的體現(xiàn)。如大腦是對全身起調(diào)控作用的器官，主要由神經(jīng)組織和結(jié)締組織構(gòu)成；磷脂分子的親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)（結(jié)構(gòu)）與其作為生物膜的結(jié)構(gòu)組成成分（功能）相適應(yīng)；細(xì)胞膜的磷脂雙分子層基本骨架（結(jié)構(gòu)）與其將細(xì)胞與外界環(huán)境分開（功能）相適應(yīng)。

（二）進(jìn)化與適應(yīng)觀

進(jìn)化與適應(yīng)觀貫穿在整個(gè)生物學(xué)科之中，是統(tǒng)一生物學(xué)的主題。生物進(jìn)化是“自然選擇”的過程，也是“適者生存”的過程。進(jìn)化上的適應(yīng)包括生存力提高和繁殖力提高兩層含義，而且是針對某一特定環(huán)境的適應(yīng)，當(dāng)時(shí)間和空間改變后，原來的適應(yīng)與不適應(yīng)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，引起物種的進(jìn)化或淘汰。如種內(nèi)進(jìn)化的本質(zhì)是種群基因頻率的定向改變；種間生物的協(xié)同進(jìn)化等。

（三）穩(wěn)態(tài)與平衡觀

生命系統(tǒng)是開放的，內(nèi)部也時(shí)刻在發(fā)生物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換，但多數(shù)時(shí)候又維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這種“動(dòng)態(tài)平衡”的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)完成的。自貝爾納和坎農(nóng)創(chuàng)立“內(nèi)穩(wěn)態(tài)”這一生理學(xué)概念以來，該概念得到了很大的擴(kuò)充——小到細(xì)胞、組織的穩(wěn)態(tài)，大到器官、系統(tǒng)、整個(gè)機(jī)體的穩(wěn)態(tài)，以至種群、群落、甚至生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。如人體內(nèi)環(huán)境的理化因素、種群數(shù)量的調(diào)節(jié)等。

（四）物質(zhì)與能量觀

物質(zhì)與能量的關(guān)系不僅是物理學(xué)的研究領(lǐng)域，也是生物學(xué)的基本觀點(diǎn)，是科學(xué)教育的大概念（big idea）之一。物質(zhì)的合成與分解總是伴隨著能量的吸收或釋放，如光合作用的本質(zhì)是無機(jī)物合成有機(jī)物，將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，儲(chǔ)存于有機(jī)物之中；細(xì)胞呼吸的本質(zhì)是有機(jī)物氧化分解，釋放能量。

二、教學(xué)實(shí)例

如何讓學(xué)生通過生物學(xué)概念建立生命觀念呢？在教學(xué)過程中，教師通過創(chuàng)設(shè)情境、提供事實(shí)性材料，在建模、論證、探究中生成概念的策略，在概念理解的基礎(chǔ)上，逐步形成生命觀念。在對具體知識(shí)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)究竟該如何落實(shí)生命觀念呢？這個(gè)問題非常有挑戰(zhàn)性，需要不斷探索。筆者以人教版“分子與細(xì)胞”模塊中第3章第1節(jié)“細(xì)胞膜——系統(tǒng)的邊界”為例，討論相關(guān)方面的問題。

（一）學(xué)習(xí)內(nèi)容

本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容的《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求是“概述細(xì)胞都由質(zhì)膜包裹，質(zhì)膜將細(xì)胞與外界環(huán)境分開，能控制物質(zhì)進(jìn)出，并參與細(xì)胞間的信息交流”。

“概述”屬于知識(shí)性學(xué)習(xí)目標(biāo)中的理解水平，這就要求學(xué)生收集、整理信息，利用已有知識(shí)進(jìn)行解釋、推斷、提供證據(jù)，進(jìn)而把握知識(shí)間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。

通過對“組成細(xì)胞的分子”的學(xué)習(xí)，學(xué)生對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類的結(jié)構(gòu)和功能等概念有了一定的理解，能夠比較容易的形成“細(xì)胞膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成，還有少量的糖類”這個(gè)一般概念。然而如何從結(jié)構(gòu)與功能觀的視角形成“質(zhì)膜將細(xì)胞與外界環(huán)境分開，能控制物質(zhì)進(jìn)出，并參與細(xì)胞間的信息交流”這個(gè)一般概念則是本節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外本節(jié)概念是學(xué)生構(gòu)建“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”“機(jī)體通過一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)”這些核心概念的基礎(chǔ)。在較好地理解這些概念的基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、物質(zhì)與能量觀等生命觀念。

（二）學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.生命觀念

通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、學(xué)習(xí)資料，能夠初步解釋細(xì)胞膜的組成與功能相適應(yīng)，建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀、結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念。

2.理性思維

通過所學(xué)學(xué)科事實(shí)、概念和證據(jù)，運(yùn)用歸納、演繹等思維方法解釋細(xì)胞膜的組成與功能相適應(yīng)。

3.科學(xué)探究

通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、文本閱讀，嘗試提出問題并在獨(dú)立思考和小組討論中形成解釋。

4.社會(huì)責(zé)任

通過對細(xì)胞膜的組成與功能相適應(yīng)的理解，初步解釋、評價(jià)膜在生活中的應(yīng)用。

（三）學(xué)法分析

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段理論，高中階段學(xué)生能夠采用邏輯推理、歸納、演繹的方式來解決問題，因此學(xué)生利用生活經(jīng)驗(yàn)、所學(xué)學(xué)科知識(shí)、教師提供的素材，采用小組合作探究的方式構(gòu)建概念，形成生命觀念。

（四）學(xué)習(xí)過程

1.情境導(dǎo)入

任何系統(tǒng)都是存在邊界的。例如，學(xué)校、相關(guān)機(jī)關(guān)這樣的單位存在邊界，我們?nèi)梭w也存在邊界。那么作為最基本的生命系統(tǒng)——細(xì)胞，它的邊界是什么？

教師通過呈現(xiàn)光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡下的細(xì)胞圖像以及雞卵。

設(shè)計(jì)意圖：在一個(gè)似乎沒有問題的地方引發(fā)疑問，激起了學(xué)生的深入思考，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的批判性思維和邏輯推理能力。

2.形成概念

教師依次呈現(xiàn)事實(shí)性材料：（1）雞蛋殼打開，蛋清平鋪在玻璃板上（現(xiàn)場操作）；（2）雞蛋孵化前后蛋清、卵黃的變化（圖片）。

學(xué)生通過觀察，可以描述卵黃呈球狀、卵黃與外面蛋清分隔開、雞蛋孵化后蛋清逐漸消失等現(xiàn)象。利用所學(xué)知識(shí)，學(xué)生能夠嘗試對現(xiàn)象進(jìn)行解釋，如雞蛋中的卵黃存在邊界；膜作為邊界，將卵黃與蛋清相互隔離開；細(xì)胞膜作為屏障可阻止細(xì)胞成分外漏，并防止其與周圍介質(zhì)混合；雞卵進(jìn)行細(xì)胞呼吸，消耗掉了蛋黃；蛋清和氧氣、二氧化碳可以通過細(xì)胞膜。

學(xué)生在觀察、解釋、討論中逐步形成“細(xì)胞膜的功能是將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開、能控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞”這一概念。通過概念的生成，學(xué)生能體會(huì)出進(jìn)化與適應(yīng)觀、物質(zhì)與能量觀等生命觀念。

3.模型構(gòu)建

細(xì)胞膜在學(xué)生頭腦中是什么狀態(tài)呢？筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)模型構(gòu)建環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)不僅可以深化學(xué)生對“細(xì)胞膜的功能是將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開、能控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞”這一概念理解，而且利于培養(yǎng)學(xué)生建模的能力，為后續(xù)對細(xì)胞膜成分的研究、流動(dòng)鑲嵌模型的學(xué)習(xí)埋下伏筆，體會(huì)科學(xué)發(fā)展、知識(shí)的學(xué)習(xí)是逐步完善的過程，將情感態(tài)度價(jià)值觀教學(xué)寓于日常學(xué)習(xí)之中。

教師引導(dǎo)：如果用封閉的線條代表細(xì)胞膜，不同形狀和數(shù)量的圖形表示細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)，請嘗試在紙上畫出細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的分布并進(jìn)行解釋，并注明圖形代表的物質(zhì)。

圖1（后附）是一位同學(xué)呈現(xiàn)的結(jié)果。

學(xué)生在模型構(gòu)建、班內(nèi)匯報(bào)交流中將概念理解、生命觀念變得可視化、形象化。有部分同學(xué)依據(jù)初中所學(xué)知識(shí)，還在細(xì)胞內(nèi)用封閉的線畫出了液泡、葉綠體、線粒體。通過追問，學(xué)生進(jìn)一步明確了這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)仍然是具有膜結(jié)構(gòu)的，這就為獲取細(xì)胞膜的材料選擇、細(xì)胞器的教學(xué)做好鋪墊。

3.類比推理

“細(xì)胞間信息交流的功能”對于學(xué)生來說比較抽象，難于理解。筆者采用類比推理和資料探究兩個(gè)環(huán)節(jié)嘗試突破，取得了不錯(cuò)的效果。

利用上一環(huán)節(jié)中學(xué)生構(gòu)建的模型，然后引導(dǎo)兩個(gè)人一組，每位同學(xué)所畫細(xì)胞類比成一個(gè)人。人與人之間交流或溝通的方式有哪些？用圖和文字表示。

圖2是兩位學(xué)生完成的細(xì)胞間信息交流的模型：

然后采用文本閱讀的方式進(jìn)行理性探究，形成細(xì)胞膜的功能：“細(xì)胞間信息交流”。

材料1：有的雞蛋是受精卵，可以孵化出小雞。如果將雞的卵細(xì)胞與麻雀的精子放在一起，即使條件適宜，也不能形成受精卵，這說明什么？

材料2：小雞吃完食物（主要是淀粉）一段時(shí)間后，血糖（血液中葡萄糖）會(huì)升高，這時(shí)胰腺內(nèi)胰島B細(xì)胞分泌的胰島素，通過血液的運(yùn)輸?shù)饺怼Ｒ葝u素的一個(gè)作用是使肝細(xì)胞、肌肉細(xì)胞從細(xì)胞外吸收葡萄糖，合成肝糖原和肌糖原，進(jìn)而使血糖降低。

材料3：（原創(chuàng)）19世紀(jì)，湯森（Townsend）將南瓜細(xì)胞的細(xì)胞壁去除后，剩余部分分離成兩個(gè)獨(dú)立部分：A部分含有細(xì)胞核，B部分沒有細(xì)胞核。2～3天后，A部分細(xì)胞膜外形成細(xì)胞壁，而B部分沒有；如果將A部分與B部分通過胞間連絲相連，A、B兩部分均能形成細(xì)胞壁。

學(xué)生小組討論后，不僅能夠形成概念，而且還可以體會(huì)出結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念。

4.邏輯推斷

細(xì)胞膜為什么具有如此重要的功能？請同學(xué)們從組成細(xì)胞的分子的結(jié)構(gòu)和功能角度思考：細(xì)胞膜可能具有哪些組成成分？學(xué)生利用所學(xué)“組成細(xì)胞的分子”中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類的結(jié)構(gòu)和功能等概念的理解，利用“結(jié)構(gòu)與功能觀”，能夠比較容易推測出細(xì)胞膜的組成成分。

設(shè)計(jì)目的：通過邏輯推理細(xì)胞膜的成分以及進(jìn)一步完善細(xì)胞膜的模型等活動(dòng)，為膜成分鑒定、生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型等學(xué)習(xí)內(nèi)容埋下伏筆。

圖1

圖2