深入學習細胞結構，提升學生進化與適應觀

董玲玲 顧彩燕

摘要 通過深入比較細胞結構的多樣性與統一性，以細胞生物的進化歷程為主線，采用任務驅動式教學，帶領學生以小組為單位，進行合作學習，進而構建重要概念，并幫助學生提升進化與適應觀。

關鍵詞 進化適應觀 細胞 多樣性 統一性

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年版）》（以下簡稱課標）的基本理念是“核心素養為宗旨、內容聚焦大概念、教學過程重實踐、學業評價促發展”，核心素養中最具有生物學特點的是生命觀念，具體包括結構功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質能量觀等。進化與適應觀有助于幫助學生理解生命的進化歷史、生物之間的相互關系及地球生命多樣性的原因，并運用這一觀念對生活中的生物學現象進行判斷、分析和解釋。學生對于進化與適應觀的理解多停留于個體水平，缺乏系統而多層次的認識。下面以“細胞具有多樣性與統一性”內容為例，闡述如何從細胞的水平提升學生對進化適應觀的認識。

1 教學內容分析及設計思路

“各種細胞具有相似的基本結構，但在形態與功能上有所差異”是課標中大概念1“細胞是生物體結構和生命活動的基本單位”下的一個重要概念，揭示了生物界的細胞既具有多樣性，又具有統一性。這一重要概念是在學習完“細胞內部各部分結構既分工又合作，共同執行細胞的各項生命活動”的基礎上是課標的第一個大概念。這一大概念由三個重要概念共同支撐，這些概念之間的關系如圖1所示。

重要概念3由2個次位概念共同支撐，分別是：

①說明有些生物只有一個細胞，而有的由許多個細胞構成，這些細胞形態和功能多樣，但都具有相似的基本結構;

②描述原核細胞與真核細胞最大的區別是原核細胞沒有核膜包被的細胞核。

重要概念3描述的是細胞的多樣性與統一性及真核細胞與原核細胞之間的區別，概念之間的知識結構如圖2所示。深入學習這一重要概念，能夠提升學生對進化適應觀的認識。

下面以進化與適應觀作為主線，幫助學生認識到：真核細胞由原核細胞進化而來，真核細胞在不同環境中逐漸進化為植物、動物和真菌，所有生物都有一個共同祖先，即原始細胞。通過系列學習活動，教師在教學上貫穿觀察、實證的教學理念，使學生形成進化與適應觀、結構與功能觀、部分與整體觀等重要的生命觀念，同時基于圖片模型分析、顯微鏡觀察多種多樣的細胞、科學史資料分析等，培養學生的科學探究能力和科學思維。

2 學情分析

經過初中及高中必修模塊的學習，學生已經知道多細胞生物與單細胞生物、原核細胞與真核細胞、細胞內的結構及各結構間的分工合作、生物的進化等內容。但對原核細胞與真核細胞的異同點只停留在記憶背誦的層面，不能從根本上認識真核細胞更加復雜、更加高等的原因。經課前調查發現，學生認為原核細胞更原始，只是從原核細胞結構簡單的角度認識，缺乏細胞對不同環境進化性適應的深層次理解;對于細胞間的多樣性與統一性的理解停留于表面，不能從根本上認識細胞具有多樣性與統一性的原因和意義。同時，學生對細胞的結構與功能相適應的了解還是很膚淺，沒有從根本上認識到細胞結構與功能相適應的意義以及不同細胞對不同環境的適應。

因此，在學生原有的知識基礎上，教師遵循學生的認知規律，通過適當的教學策略，使新知識有效地整合進學生原有的知識網絡中，使學生的知識體系得到豐富和發展。針對高中學生的年齡特點和心理特征，結合他們的認知水平，提前將學生分為每3-4人一組，共12個小組，采用小組合作學習、任務驅動的方式，以對比發現法為主.以討論法、觀察法為輔;教學過程力求體現“問題情景——比較分析——概念歸納”的模式。借助顯微鏡觀察永久裝片或臨時裝片、多媒體輔助教學，指導學生通過觀察直觀形象的不同細胞，給學生提供各種豐富的、有代表性的事實材料和圖片模型為概念形成提供支撐，幫助學生建構重要概念。

3 教學目標

（l）學會使用顯微鏡觀察多種多樣的細胞，認識細胞的形態結構具有多樣性。

（2）說明有些生物只有一個細胞，有的由很多細胞構成，這些細胞形態和功能多樣，但都有相似的基本結構。

（3）比較分析原核細胞與真核細胞之間的異同、植物細胞與動物細胞的異同，認識細胞具有多樣性和統一性，培養辨證思維能力。

（4）闡釋細胞結構與功能相適應、細胞結構與生存環境相適應，理解細胞具有多樣性與統一性的原因和意義，并運用進化與適應觀分析和解釋具體的生物學現象。

4 教學過程

4.1 創設情境，引發學生認知沖突

教師展示展示看似一片綠葉的綠葉海蝸牛的圖片，提出核心問題：海蝸牛到底是動物還是植物？若是動物，為什么它能進行光合作用？如果是植物，它的葉綠體從哪里來？通過以上問題，激發學生的學習興趣和認知沖突。

4.2 尋找證據，引出進化與適應觀

教師提供葉綠體的內共生起源學說，逐步引導學生分析葉綠體的特征（表1），并與藍細菌進行比較，找到葉綠體由藍細菌進化而來的證據，初步形成結論的得出基于觀察和實證的科學探究意識。然后，補充科學家利用電子顯微觀察技術和化學分析技術得到的其他證據。

接著，教師引導學生分析葉綠體與藍細菌的不同，使學生認識到：認識葉綠體由于生活在真核細胞內，有了更加穩定的生存環境，藍細菌直接生活在更加復雜多變的環境中。原始真核細胞吞噬藍細菌，最終進化出葉綠體，從而明確真核細胞中的葉綠體可能是由藍細菌進化而來。

4.3 對比分析，理解進化與適應觀

教師呈現原核細胞與真核細胞模式圖、高等植物細胞與動物細胞模式圖，引導學生分組分析它們的異同。小組1-6對比分析原核細胞與真核細胞的異同，并討論以下4個問題：

①在細胞結構方面，原核細胞與真核細胞有什么共同點？

②在細胞結構方面，原核細胞與真核細胞最大的差異是什么？

③真核細胞中，核膜的出現有什么意義？

④除核膜包被的細胞核，真核細胞還有哪些特有的結構？這些結構的出現有什么意義？

學生通過分析問題①，明確原核細胞和真核細胞都有細胞膜、核糖體，都以DNA作為遺傳物質。學生通過分析問題②～④，明確地球上最先出現的是原始細胞（約38億年前），最初的原始細胞經歷漫長的進化過程，形成原核生物藍細菌（約35億年前）。藍細菌的出現使地球環境氧氣含量增高、變得溫和，從而為真核細胞及多細胞生物的出現奠定基礎。約15億年前，原始真核細胞出現，并吞入藍細菌、好氧細菌，形成葉綠體和線粒體。此外，真核細胞還進化出各種膜結構的細胞器，從而把某些生化反應局限在特定的區域，使細胞內的代謝反應趨于復雜化，并形成相對穩定的內部環境。核膜的出現使真核細胞的轉錄過程在核內進行，翻譯在細胞質中的核糖體進行。真核細胞的基因有外顯子與內含子，基因轉錄翻譯的復雜化，使真核細胞形成更多種類的蛋白質，從而使生命活動更加精確，有利于真核生物適應更加復雜多樣的生存環境。

小組7-12對比分析高等植物細胞與動物細胞模式圖，并著重分析動物細胞與植物細胞共有的結構與特有的結構，理解不同生物的細胞結構是如何與其功能相適應的。通過以上對比分析，明確重要概念“各種細胞具有相似的基本結構，但在形態與功能上有所差異”。

4.4 尋根問底，內化進化與適應觀

教師展示生物界各種各樣的細胞圖片，提出問題：

①同一個體內，不同細胞（如神經細胞與成熟紅細胞）形態與功能各不相同的原因是什么？

②不同種生物之間，細胞形態與功能各不相同的根本原因是什么？

③從生物進化的角度分析，為什么細胞具有相似的基本結構？

④構建生物進化樹，表示生物進化的大致歷程。

教師引導學生分析問題①，使學生明確：對于多細胞生物，同一個體的不同細胞來自受精卵，遺傳信息相同，但由于基因的選擇性表達，導致不同組織細胞形態、結構不同，從而適應其特定的功能，細胞之間出現了分工，但細胞之間相互依存、相互合作。學生討論分析問題②，理解不同種生物在不同的生存環境下，經長期自然選擇保留下的遺傳信息不同，生存環境和遺傳信息的差異導致其體內的細胞形態、結構、功能各不相同。學生討論分析問題③，構建生物進化樹，明確地球上生物的進化歷程：由原始細胞進化出原核生物，進而進化出真核生物。真核生物由于生活環境的多樣化，又分別往不同的方向進化，進而形成了植物、動物與真菌。不同的細胞雖然形態、結構、功能不同，但由于有共同起源，即原始細胞。因而這些細胞都保留了一些維持生命活動必須的結構（如核糖體、細胞膜、細胞溶膠）。這是細胞具有統一性的原因。

4.5 解釋現象，運用進化與適應觀

教師提供綠葉海蝸牛的科學研究材料，引導學生分析材料中有哪些現象體現了該種生物對環境的適應性進化：

綠葉海蝸牛兩片形如翅膀的偽足將身體拉寬，當偽足折起來時，它看上去就像只綠色的鼻涕蟲，體態修長，頂端兩只觸角;而當“兩翼”像太陽能電池板一樣展開時，它的身體便與一片綠葉無異，背上的血管就是它的葉脈。綠葉海蝸牛的成體不需要進食，它們直接通過光合作用吸收能量，產生自己所需的碳水化合物和脂肪等，從而使壽命比普通的海蝸牛長很多。從20世紀70年代開始，人們就意識到，綠葉海蝸牛能從藻類“偷”來葉綠體，并吸收入自己的細胞內。這些葉綠體一旦進入海蝸牛的細胞，就能開始進行光合作用長達9個月，甚至比它們在“老房東”藻類體內發揮作用的時間還長。

科學家還發現，綠葉海蝸牛不僅僅是吞食葉綠體。在檢查了綠葉海蝸牛的基因組后，研究人員發現了與藻類相同的psb0基因，這是對光合作用必需的一種蛋白質進行編碼的基因?？磥?，海蝸牛并不滿足于竊取植物身上的葉綠體，它還弄來了至少一種促使其運轉的基因。這些基因的功能是修復和保持葉綠體持續發揮作用?；蛞呀浾先牒Ｌ炫５幕蛑?，并能傳遞給下一代。雖然下一代海天牛需要自行獲取新的葉綠體，但是這些修復和維持葉綠體的基因早就存在體內了。這是迄今為止，科學家所發現的唯一一種多細胞動物間的功能性基因轉移。

學生閱讀材料，自由表達觀點。材料中，綠葉海蝸?？梢栽谟泄鈺r將偽足拉寬，利用光能，無光時將偽足折起，同時還能降綠藻的葉綠體吸收入細胞，為自己合成有機物，最為關鍵的是它已進化出與藻類相同的psb0基因，從而保證葉綠體持續的發揮作用。同時，教師也可引導學生從生物學中的其他現象，闡述不同生物對環境的適應性進化。

4.6 歸納總結，強化進化適應觀念

教師再次強調：細胞在模式上具有統一性，在類型上具有多樣性，細胞形態和功能雖然具有多樣性，但都具有相似的基本結構，這是生物在細胞層次對不同環境的適應與進化的結果。美國細胞生物學家威爾遜曾經說過“一切生命的關鍵問題都要到細胞中去找答案。因為所以生命都是，或曾經是，一個細胞”。雖然科學技術日益發展，細胞生物學的研究已經深入到分子水平，但生物大分子并沒有生命，細胞仍是生物體結構與功能的基本單位。生物的生殖發育、遺傳、神經、免疫等重大生命活動都要以細胞為基礎，一切疾病的發病機制也是以細胞為基礎。環境在不斷發展變化，細胞也在不斷進化并適應環境。

5 教學反思

生物學知識只是形成核心素養的載體，課堂或課外實踐活動才是形成學科素養的渠道。因此，教師在設計課堂實踐活動時，應對教學內容進行深入分析，并尋找適宜的相關素材，設計導入、概念建構等各個環節的教學活動，從而實現對“細胞的形態結構功能各不相同，但都具有相似的基本結構”這一重要概念的加工、消化、吸收，以及在此基礎上的內化、轉化、升華。同時，將教學評價融入教學活動，實現過程性評價與表現性評價相結合，在活動中評價學生的表現和知識掌握水平、語言表達能力等。教師在課前分組，調查學生的前科學概念，發現他們存在的認知錯誤，從而設計尋找證據、對比分析等教學活動，并引入適當的科學研究素材，有利于提升對重要概念的深入理解，將學生的前科學轉變為科學概念。

參考文獻：

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