基于深度學(xué)習(xí)“層進式策略”建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能觀
——以高考專題復(fù)習(xí)“細胞器與生物膜系統(tǒng)”為例

陳艷萍 謝虎成

(1.廣州中學(xué) 廣東廣州 510640)

(2.廣州市荔灣區(qū)教育發(fā)展研究院 廣東廣州 510600)

生命觀念既不能像事實性知識那樣被接受并記憶,也不能像概念性知識那樣被理解,觀念的形成必須經(jīng)歷“感知、確認、信奉”三個基本階段,這是一個深度學(xué)習(xí)的過程,是一個“層進式學(xué)習(xí)”的過程。本文以“細胞器和生物膜系統(tǒng)”專題復(fù)習(xí)中建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能觀為例,經(jīng)過事實感知、概念拓展、實驗探究、觀念運用等環(huán)節(jié)驅(qū)動學(xué)生深度學(xué)習(xí),促進學(xué)生知識理解,幫助學(xué)生提升思維深度,升華生命觀念,提升學(xué)科素養(yǎng)。

1 基于事實與概念,感知結(jié)構(gòu)與功能觀

1.1 從事實中發(fā)現(xiàn)規(guī)律,形成概念

觀念的形成要經(jīng)歷“事實—概念—觀念”的過程,觀念是基于大概念基礎(chǔ)上的高度抽象和概括。經(jīng)過高一新授課的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)掌握了細胞器和生物膜的基本知識,但其知識是零星的,概念是片斷的。在高三專題復(fù)習(xí)中,需對知識進行重組,將眾多的下位概念關(guān)聯(lián)起來并形成大概念,才能將隱藏在知識背后的觀點逐漸顯現(xiàn)出來。在專題復(fù)習(xí)中,教師首先呈現(xiàn)學(xué)生生活中的幾個實例,如例1所示,激發(fā)學(xué)生思考:細胞器的結(jié)構(gòu)與功能有什么關(guān)系?在分析實例中,教師逐步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律:細胞器有特定的結(jié)構(gòu)特點,并行使特定的功能;當細胞器的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,則不能行使正常的功能,并表現(xiàn)出相應(yīng)的病癥。

【例1】思考細胞結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系:

(1)細胞內(nèi)的生物膜將各種細胞器分隔開來,有利于細胞高效進行各項生命活動。

(2)根尖成熟區(qū)的細胞具有中央大液泡,液泡內(nèi)有細胞液,有利于根吸收水分。

(3)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)增大了細胞中膜的面積,膜上停留大量的酶和核糖體。

(4)代謝旺盛的細胞中線粒體的數(shù)量比較多,比如心肌細胞、肝臟細胞等。

(5)腸腺、胰腺等分泌細胞中含有較多的核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體。

(6)研究發(fā)現(xiàn),在水污染嚴重的區(qū)域,浮游植物的葉綠體囊狀結(jié)構(gòu)被大量破壞,葉綠素接著被破壞,植物的光合作用也無法進行。

(7)職業(yè)病硅肺的形成與溶酶體中的水解酶有關(guān)。

(8)研究發(fā)現(xiàn),阿爾茲海默癥的病人腦細胞中沉積大量錯誤折疊的蛋白(Aβ 蛋白),該蛋白大量存在會損傷線粒體,最后出現(xiàn)神經(jīng)退行性疾病。

1.2 提煉概念,形成結(jié)構(gòu)與功能觀

觀念的形成需要還原知識背景,學(xué)生才能以沉浸式的學(xué)習(xí)態(tài)度關(guān)注生命現(xiàn)象,探索生命的奧秘。通過以上實例引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)規(guī)律:細胞器的結(jié)構(gòu)和功能是相適應(yīng)的。接著請學(xué)生回憶“分泌蛋白”的形成過程,總結(jié)出細胞結(jié)構(gòu)并不是獨立完成生命活動,而是相互聯(lián)系并在生命系統(tǒng)之中完成的,從而建立部分與整體的關(guān)系。由此,引導(dǎo)學(xué)生就知識背景和知識發(fā)生的過程聚焦以下問題:①細胞器有哪些結(jié)構(gòu)和功能特點?②有哪些事實和依據(jù)體現(xiàn)了細胞器的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)?③細胞器之間是如何分工合作共同完成生命活動?接下來將圍繞以上三個聚焦點開展“層進式”學(xué)習(xí),尋找知識的關(guān)聯(lián)性,逐步建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能觀。

聚焦一:細胞器有哪些結(jié)構(gòu)和功能特點?

在以上事實的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生將高一所學(xué)的細胞器知識進行以下歸類:①列表比較細胞的顯微結(jié)構(gòu)和亞顯微結(jié)構(gòu);②從分布、成分和結(jié)構(gòu)對細胞器進行分類,并按結(jié)構(gòu)的相似性對細胞器重新排序;③嘗試找出這些細胞器相似結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)聯(lián)性。

2 基于探究與論證,確認結(jié)構(gòu)與功能觀

觀念的形成要經(jīng)歷“確認為真”的判斷,從理論上需要符合邏輯,從實踐上需要有可信的證據(jù)支撐。從結(jié)構(gòu)出發(fā)分析功能,從功能理解推測結(jié)構(gòu),是形成結(jié)構(gòu)與功能觀的基本思路。學(xué)生在理解細胞結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系基礎(chǔ)上,運用事實拓展并延伸,檢驗所形成的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點。例如教師以線粒體和葉綠體亞顯微結(jié)構(gòu)為例進行遷移推理,歸納其結(jié)構(gòu)與功能總是相適應(yīng)的;接著以“內(nèi)共生起源學(xué)說”為依據(jù),從進化的角度分析線粒體和葉綠體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是長期自然選擇的結(jié)果,建立“進化與適應(yīng)觀”;最后通過實驗探究線粒體中ATP 合成酶所在場所,以功能反推結(jié)構(gòu)促進知識的遷移與運用。

該教學(xué)環(huán)節(jié),在幫助學(xué)生建立基于理解的知識體系的同時,對學(xué)生反思性學(xué)習(xí)能力也進行了培養(yǎng)。在教學(xué)實踐中,教師應(yīng)注重搭建問題的支架,引導(dǎo)學(xué)生在問題中反思并歸納,從而促進學(xué)科知識向?qū)W科經(jīng)驗、學(xué)科能力和學(xué)科觀點的轉(zhuǎn)化。

2.1 推理與認證,確認觀念

聚焦二:有哪些事實和依據(jù)體現(xiàn)了細胞器的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的特點?

教師以線粒體和葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)圖為例,引導(dǎo)學(xué)生對這兩個細胞器結(jié)構(gòu)特點、膜面積增大方式、基質(zhì)成分等進行比較,總結(jié)得出:線粒體通過內(nèi)膜向內(nèi)折疊形成嵴,嵴和基質(zhì)上有許多有氧呼吸相關(guān)的酶;葉綠體通過類囊體薄膜增大膜的面積,膜上分布著色素和光合作用相關(guān)的酶,正是這些結(jié)構(gòu)特點才能完成其相應(yīng)的功能。

線粒體和葉綠體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的特點是如何形成的?教師以內(nèi)共生起源學(xué)說為基礎(chǔ)(圖1),提問葉綠體、線粒體如何從原始的藍藻類原核細胞和好氧細菌,逐漸演化成重要的細胞器,引導(dǎo)學(xué)生對該假說進行反思推理:為什么線粒體、葉綠體含有DNA、RNA?為什么其膜結(jié)構(gòu)類似于細胞膜和其他細胞器膜?能否從葉綠體的原始起源反推其功能?最后,教師引導(dǎo)進行學(xué)生歸納:細胞器的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是長期進化、自然選擇的結(jié)果。從而使學(xué)生理解知識背后的生物學(xué)規(guī)律,為“結(jié)構(gòu)與功能觀”的建立奠定進化觀的基礎(chǔ)。

圖1 內(nèi)共生起源結(jié)構(gòu)圖

2.2 探究與實驗,確認觀念

開展探究活動是實現(xiàn)知識內(nèi)化的重要途徑,也是學(xué)生持續(xù)性深度學(xué)習(xí)的重要途徑。結(jié)合前面所形成的觀念,設(shè)計實驗探究題例2:通過低滲漲破線粒體結(jié)構(gòu),探究線粒體各個結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生運用觀念解決問題的能力,實現(xiàn)對知識的反思和頓悟。

【例2】在研究線粒體組分時,將線粒體放在低滲溶液中獲得漲破的外膜,再用適當方法處理并獲得內(nèi)膜小泡及顆粒,實驗結(jié)果如圖2所示。請分析回答:

圖2 線粒體在低滲溶液破裂的結(jié)構(gòu)圖

①研究發(fā)現(xiàn),在適宜成分溶液中,線粒體含F(xiàn)0F1內(nèi)膜小泡能完成有氧呼吸第三階段的反應(yīng),該階段與其它階段相比產(chǎn)生的ATP 數(shù)量_________(填“偏多”或“偏少”),推測線粒體內(nèi)膜上的F0-F1顆粒物是酶。

②為了研究F0-F1顆粒物的結(jié)構(gòu)與合成ATP的關(guān)系,用尿素破壞內(nèi)膜小泡將F1顆粒與小泡分開,檢測處理前后ATP 的合成。若處理之前,在適宜條件下,含________顆粒內(nèi)膜小泡能合成ATP;處理后含________顆粒內(nèi)膜小泡不能合成ATP,說明合成ATP 一定與F1有關(guān)。

答案:(1)偏多 ATP 合成酶(2)含F(xiàn)0—F1含F(xiàn)0

3 基于實踐與運用,信奉結(jié)構(gòu)與功能觀

“信奉”是確認為真的判斷并自覺相信。從情感態(tài)度價值觀的角度來看,觀念的形成需要自覺運用并解決生產(chǎn)實踐中的問題,同時對形成的觀念進行修正,最終才能信奉觀念。例如教學(xué)中,教師以“細胞自噬和異噬”為例,從系統(tǒng)的角度引導(dǎo)學(xué)生理解生命是動態(tài)變化的。接著,學(xué)生運用結(jié)構(gòu)與功能觀從解釋生物學(xué)現(xiàn)象、解決生物學(xué)問題、做出具體決策三個方面逐層遞進開展學(xué)習(xí),使結(jié)構(gòu)與功能觀的構(gòu)建不斷加深。

3.1 運用觀念解決生物學(xué)現(xiàn)象

聚焦三:細胞器之間如何進行分工合作共同完成各項生命活動?

教師以“新冠病毒入侵人體后,漿細胞如何產(chǎn)生抗體”的真實情景激發(fā)學(xué)生進行思考:抗體的合成和分泌涉及哪些細胞結(jié)構(gòu)?體現(xiàn)了生物膜的哪些功能?這些細胞結(jié)構(gòu)在功能上發(fā)生了哪些緊密的聯(lián)系?通過以上問題支架幫助學(xué)生構(gòu)建細胞器協(xié)作的知識網(wǎng)絡(luò)圖,進一步理解“生物體的各個結(jié)構(gòu)既獨立又相互協(xié)作,共同完成生命活動”觀念。

接著以例3“溶酶體自噬和異噬現(xiàn)象”進行思維訓(xùn)練,思考溶酶體自噬現(xiàn)象與它的哪些結(jié)構(gòu)特點有關(guān),幫助學(xué)生從理解知識到對知識的反思、遷移,實現(xiàn)學(xué)科能力的轉(zhuǎn)化。

【例3】溶酶體在胞吞和細胞自噬過程中發(fā)揮著重要作用,人體細胞內(nèi)的溶酶體含有多種水解酶。如圖3所示為溶酶體結(jié)構(gòu)示意圖,圖4 表示某吞噬細胞內(nèi)溶酶體的產(chǎn)生和作用過程。請回答問題:

圖3 溶酶體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 吞噬細胞內(nèi)溶酶體的產(chǎn)生和作用過程

(1)據(jù)圖4 可知,正是因為溶酶體膜上存在________泵,可將H+運進溶酶體內(nèi),溶酶體內(nèi)部pH 才能維持在5 左右。研究表明,少量的溶酶體內(nèi)的水解酶泄露到細胞質(zhì)基質(zhì)中并不會引起組織細胞損傷,推測可能的原因是____________。

(2)據(jù)圖5 可知,溶酶體可以結(jié)合含有________的小泡,形成異噬溶酶體;還可以與清除________的自噬體結(jié)合,形成自噬溶酶體。自噬體內(nèi)的物質(zhì)被水解后,其產(chǎn)物可以被細胞重新利用。由此推測,當細胞養(yǎng)分不足時,細胞“自噬作用”會________(增強/不變/減弱)。吞噬和自噬現(xiàn)象推測了生物膜的成分具有一定的________性,結(jié)構(gòu)上具有一定的________性。

答案:(1)H+泵 酸性環(huán)境是溶酶體內(nèi)水解酶發(fā)揮作用所必需的。(2)病原體 衰老的細胞器 增強相似性 流動性

3.2 運用觀念解決生物學(xué)問題

生物學(xué)課程是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門課程,教學(xué)中應(yīng)反映自然科學(xué)的本質(zhì)特征。將觀念與現(xiàn)實問題相融合才能實現(xiàn)思維的提升。最后,引導(dǎo)學(xué)生運用結(jié)構(gòu)與功能觀思考以下三個現(xiàn)象,如例4,從解釋現(xiàn)象、解決問題、做出決策三個方面層層遞進,培養(yǎng)學(xué)生自覺運用觀念去分析和解決生產(chǎn)生活中實際問題的能力。

【例4】分析以下現(xiàn)象:①研究發(fā)現(xiàn),在低溫下植物會出現(xiàn)一定適應(yīng)性。請從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度分析,柑橘抗寒鍛煉過程中,線粒體結(jié)構(gòu)會有哪些變化以適應(yīng)低溫環(huán)境?

②隨著干旱脅迫的加深,甘蔗的光合作用會受到嚴重的影響。實驗發(fā)現(xiàn),噴灑乙烯利可以減緩干旱的脅迫,請從結(jié)構(gòu)與功能觀理解乙烯利解決干旱脅迫的原理是什么?

③化療藥物阿霉素通過抑制細胞的DNA 和RNA 的合成能有效抑制乳腺癌、消化道腫瘤。研究表明,阿霉素在人體內(nèi)代謝過程中產(chǎn)生活性氧(ROS),會導(dǎo)致DNA 損傷,對心臟有毒性。請推測阿霉素會導(dǎo)致哪種細胞器結(jié)構(gòu)的損傷?同時思考在使用阿霉素的同時可配合什么作用的藥物以減緩其毒性?

答案:(1)線粒體是細胞呼吸的主要場所,會出現(xiàn)數(shù)量增多、體積增大、內(nèi)嵴增多等變化,以細胞呼吸強度提高,細胞的熱量和能量供應(yīng)增加,以抵抗低溫的影響。(2)乙烯利通過增加葉綠體的基粒和片層結(jié)構(gòu),增加了酶的數(shù)量和色素的數(shù)量,從而提高光反應(yīng)的速率,增加光合作用的效率。(3)阿霉素因為可以抑制DNA 的合成,所以會造成心肌細胞線粒體膜及線粒體DNA 損傷,導(dǎo)致心肌供能不足。應(yīng)配合使用清除ROS 的藥物以減輕其毒性。

根據(jù)深度學(xué)習(xí)的理論,觀念的形成不是一個直線型的過程,而是要經(jīng)歷“下沉、潛行、上浮”的“U 型”深度學(xué)習(xí)過程。在“細胞器和生物膜”的專題復(fù)習(xí)教學(xué)活動中,教師將結(jié)構(gòu)與功能的事實性知識抽象成為概念,進而升華成為結(jié)構(gòu)與功能觀,使得學(xué)生的推理、論證等高階思維得到了發(fā)展,學(xué)生在認同生物學(xué)價值的同時自覺運用結(jié)構(gòu)與功能觀參與個人與社會事務(wù)的決策,從而實現(xiàn)了生物學(xué)獨特的育人價值。