“原核細胞與真核細胞的最大區(qū)別”教學設(shè)計*

盛國躍 （金華市教育教學研究中心 浙江金華 321017）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》（以下簡稱“課程標準”）中的必修課程內(nèi)容標準由一系列概念組成。不同版本的生物學教材對同一概念呈現(xiàn)方式不同，教學設(shè)計應(yīng)從基于教材走向基于課程標準中的概念。本文以“原核細胞與真核細胞的最大區(qū)別是原核細胞沒有由核膜包被的細胞核（以下簡稱概念A）”[1]為例進行教學設(shè)計。

1 對概念的分析和細化

課程標準以“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。將課程標準中的概念直接作為教學起點過于宏觀，因此，在教學時需對其進行細化和梳理。

概念A 屬于“分子與細胞”模塊中的次位概念，其所支撐的重要概念及大概念依次是“細胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”“各種細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 有利于學生從進化和適應(yīng)的角度理解細胞的統(tǒng)一性和差異性，對順利達成“說明細胞具有多種形態(tài)和功能，但同時又都具有相似的基本結(jié)構(gòu)”[1]這一學業(yè)要求有重要意義?；诖朔治觯瑢⒏拍預 細化為3 條下位概念：

A1.原核細胞的大部分DNA 聚集在一起，但沒有膜包被。

A2.原核細胞與真核細胞在多個方面存在顯著差異。

A3.核膜的出現(xiàn)為真核細胞進化出多種特有結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，標志著真核生物的誕生。

2 學習目標

基于以上分析，確定的學習目標為：①設(shè)計并實施“觀察念珠藻和洋蔥表皮細胞核區(qū)實驗”，掌握科學探究的基本思路和方法，對實驗結(jié)果進行交流和討論，說明原核細胞的大部分DNA 聚集在一起，但沒有膜包被；②比較原核細胞和真核細胞的結(jié)構(gòu)模式圖，以列表等方式說明2 類細胞在多個方面存在差異；③通過論證從進化角度舉例說明有、無核膜是真核細胞和原核細胞最大的區(qū)別，并用進化與適應(yīng)觀闡釋核膜與物種多樣性的關(guān)系。

3 課前準備

學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胞與真核細胞在核結(jié)構(gòu)上的區(qū)別實驗”，初步形成實驗報告。

4 教學過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出指向于概念的問題 教師展示進化樹圖（圖略）。我國科學家陳世驤將進化樹上多種多樣的生物，劃分為由原核細胞組成的原核生物總界和由真核細胞組成的真核生物總界共2 個總界。其中真核生物種類繁多占99%以上，原核生物不到1%。這種分類方法得到廣泛認可。

任務(wù)1：提出指向于概念的問題。

活動1：學生提出問題→師生共同梳理問題?；谇榫常瑢W生提出許多問題。但這些問題的表述方式、指向性及提出的順序并不完全符合概念構(gòu)建的邏輯，需進行梳理。師生共同梳理層層遞進的指向于概念的問題如下：

Q1.原核細胞在核結(jié)構(gòu)上有什么特點？（指向于A1）

Q2.2 類細胞有哪些區(qū)別？（指向于A2）

Q3.2 類細胞的區(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）

讓學生通過對真實情境的感知提出指向于概念的問題，既激發(fā)了學生的求知欲，又使學生探尋問題答案的過程成為主動構(gòu)建概念的過程。

4.2 實驗探究，構(gòu)建概念A1

任務(wù)2：借助顯微技術(shù)和生物染色劑探究原核細胞與真核細胞在核結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。

活動2：部分學生實驗匯報→全班討論→教師點撥總結(jié)。部分學生進行如下匯報：經(jīng)文獻檢索，發(fā)現(xiàn)原核生物主要包括細菌、藍細菌、放線菌、支原體、衣原體、螺旋體和立克次氏體等七大類。其中，藍細菌較大，且其以細胞群體的形式存在時，會形成水華。藍細菌中念珠藻細胞體積相對較大，且分布廣泛，易獲取。因此，選擇念珠藻為觀察原核細胞的實驗材料。選擇洋蔥表皮細胞作為觀察真核細胞的材料。拍攝的顯微照片如圖1 所示。

圖1 念珠藻擬核區(qū)（A）和洋蔥表皮細胞核（B）亞甲基藍染色情況比較

在學生討論環(huán)節(jié),教師進行引導：根據(jù)實驗結(jié)果可知，原核細胞相對較小。2 種細胞均有被亞甲基藍染液染成深色的區(qū)域，說明均有核區(qū)。洋蔥表皮細胞核區(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，且不同細胞核區(qū)的形態(tài)不同，其原因可能是缺乏核膜。當有學生提出質(zhì)疑（例如，有部分學生認為原核細胞可能有不規(guī)則的核膜）時，教師展示透射電鏡下的念珠藻細胞圖像，消除學生的疑惑。

要讓學生認同原核細胞沒有核膜包被的細胞核，就必須要讓學生有真實的體驗。本環(huán)節(jié)讓學生通過實驗，真切感受到原核細胞和真核細胞在核膜上的區(qū)別，接受“擬核”這一結(jié)構(gòu)，并順利構(gòu)建概念A1。

4.3 列表比較，構(gòu)建概念A2

任務(wù)3：觀察原核細胞和真核細胞的結(jié)構(gòu)模式圖，列表比較2 類細胞在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。

活動3：學生通過觀察模式圖，以表格（表1）的形式列出真核細胞和原核細胞在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，并進行匯報和交流。學生在相互評價和修正中總結(jié)得出2 類細胞在不同層面的差異，從而建立概念A2。在此基礎(chǔ)上，教師引導學生理解真核細胞的構(gòu)造與機能比原核細胞更為復雜和完善，進而認同生物由簡單到復雜地進化的觀點。

表1 真核細胞和原核細胞的結(jié)構(gòu)區(qū)別

學生通過列表比較，不僅自然構(gòu)建了概念A1，加深了對上位概念的理解，還認同了進化的觀點，同時，提高了觀察和類比能力，在分享和交流中提高團隊合作的能力和交流能力。

4.4 科學論證，構(gòu)建概念A3

任務(wù)4：提出并修正關(guān)于原核細胞與真核細胞最大區(qū)別的主張。

活動4：學生提出主張→教師補充資料→學生修正主張。學生根據(jù)原有知識提出了多個主張。教師需針對學生提出的主張補充對應(yīng)資料，幫助學生修正主張。

主張1：從表1 可知，原核細胞沒有染色體，而染色體是遺傳信息的主要載體，因此，最關(guān)鍵的區(qū)別是原核細胞沒有染色體。

補充資料1：生命從簡單到復雜的演化，一方面細胞內(nèi)遺傳信息量增加；另一方面基因結(jié)構(gòu)復雜化。這就要求細胞對遺傳信息有更有序的調(diào)控。核膜的出現(xiàn)有利于實現(xiàn)遺傳信息調(diào)控的階段性與區(qū)域化。同時，受核膜的限制，真核細胞需借助蛋白質(zhì)將大型化的DNA 壓縮形成染色質(zhì)［2］。

修正主張1：核膜為真核細胞遺傳信息量的擴增和染色質(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，原核細胞沒有多種有膜細胞器，而有膜細胞器實現(xiàn)了細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的區(qū)域化，因此，最關(guān)鍵的區(qū)別是原核細胞沒有多種有膜的細胞器。

補充資料2：真核細胞依靠內(nèi)膜系統(tǒng)先分化出核與質(zhì)，再分化出有膜細胞器，細胞內(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：核膜為真核細胞有膜細胞器的形成奠定了基礎(chǔ)。因而，核膜的區(qū)別比細胞器的區(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)，在功能上為實現(xiàn)對復雜生化系統(tǒng)進行秩序化管控奠定了基礎(chǔ)，核膜的形成標志著真核細胞的誕生。因此，2 類細胞最大的區(qū)別是原核細胞沒有核膜包被的細胞核。

在課程標準中，概念A 位于“細胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”這一大概念的末尾。多數(shù)教材也將概念A 安排在細胞結(jié)構(gòu)這一章的末尾。因此，學生在學習概念A 之前，已學習了細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)及生物膜系統(tǒng)等知識。通過論證的方式讓學生從進化角度理解核膜的地位，有利于學生從結(jié)構(gòu)和功能2 個層次認同核膜的區(qū)別比細胞器和染色質(zhì)等方面的區(qū)別更本質(zhì)。在論證時，教師需在學生提出初步主張后再進行資料補充，否則，學生的思維就會被資料牽引，提出主張以資料為起點，而不是以原有的知識結(jié)構(gòu)為起點，導致學生的思維斷層。

4.5 應(yīng)用概念，深化概念A

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5：學生提出主張→教師追問并補充資料→學生修正主張。

提出主張：原核生物進行無性生殖，真核生物可進行有性生殖，所以，真核生物的物種數(shù)量更多。

教師追問：有性生殖與核膜有什么關(guān)聯(lián)？

補充資料3：原核細胞以二分裂方式進行增殖，分裂時子DNA 在質(zhì)膜作用下分離，這種分裂方式容易導致細胞同質(zhì)化。真核細胞的核膜擔當起原核生物質(zhì)膜可使子DNA（染色質(zhì)）分離的功能，從而進化出了更精準的遺傳物質(zhì)分配機制，即遺傳物質(zhì)隨染色質(zhì)的復制而復制，隨染色質(zhì)的分配而分配。真核生物在這種遺傳物質(zhì)精準分配機制的基礎(chǔ)上進化出了有性生殖［4］。

修正主張：核膜為真核細胞進化出遺傳物質(zhì)精準分配機制和有性生殖奠定了基礎(chǔ)。遺傳物質(zhì)精準分配機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。這也說明了原核生物和真核生物是2 個進化的不同階段。

學生在初中階段已學習了生殖方式與物種多樣性的關(guān)系及細胞分裂等知識，但不理解細胞結(jié)構(gòu)與生物多樣性間的關(guān)聯(lián)。通過將物種多樣性與核膜之間建立聯(lián)系，學生更深刻理解核膜為真核細胞結(jié)構(gòu)和功能的復雜化、有性生殖的出現(xiàn)等奠定了基礎(chǔ)，從而進一步認同2 類細胞最大的區(qū)別在于核膜。

5 課后延伸

延伸任務(wù)：辯證地分析內(nèi)共生學說、內(nèi)陷學說和多基因組學說等關(guān)于真核細胞起源的學說。

學生要真正理解2 類細胞的最大區(qū)別，就必須從進化的角度分析核膜出現(xiàn)的意義。每一種關(guān)于真核細胞起源的學說，都試圖用各自的觀點和證據(jù)說明核膜的起源。這些學說提供了學生從進化角度分析核膜的最好視角和形成進化與適應(yīng)觀的最好素材。同時，由于各種學說優(yōu)、缺點不同，目前并無定論。因此，分析這些學說有利于學生發(fā)展批判性思維，并認識到生物學概念是開放發(fā)展的。

6 教學反思

將概念作為教學的立足點符合課程標準和《關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》的要求，有利于教師整合多個版本教材實施教學；本節(jié)課中對概念的解構(gòu)，有利于師生厘清概念脈絡(luò)及概念與素養(yǎng)的對應(yīng)關(guān)系；本節(jié)課用同一情境，且按照情境—問題—任務(wù)—活動展開教學，有利于學生匯聚思維，并讓學生經(jīng)歷事實→概念→觀念的認知過程；從進化視角展開的論證，有利于學生在理解核膜出現(xiàn)意義的同時建立進化與適應(yīng)觀。