高中生物教学中渗透结构与功能观的例证应用

  摘要:生物体各个层次的形态结构和生理功能都非常复杂,完成一定的功能,需要有相对应的结构作支撑。在高中生物教材中可以找到大量的结构与功能相适应的例证,教师在教学中利用好这些例证,可以让学生逐步体会结构与功能的关系,让生命观念有更好的立足点。

  关键词:核心素养结构与功能高中教学

  1 结构与功能观的由来

  2016年9月,中国学生发展核心素养成果发布会阐述了培养“全面发展的人”,是核心素养最根本的要求。其分为文化基础、自主发展、社会参与3个方面,还可以表现在人文底蕴等6大基本素养,如图1所示。再具体细化,6大基本素养又可以分为人文积淀、人文情怀等18个核心素养。



  基于核心素养的定义,《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称新课标)指出,生物学学科核心素养是指公民能运用所学的生物学知识和能力等,来指导相应的决策和活动,包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。

  生物学的学术特色和思想是独一无二的,生命观念又是最能体现学科特点的素养。生命观念是指“人们对观察到的生命现象及相互关系、特性进行解释后的抽象,是经过实证后的观点,是能够理解或解释生物学相关事件或现象的意识、观念和思想方法”。学生在理解或解释相关生物学事件的前提下,可以进一步去体会结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等观念。

  2 结构与功能观的内涵

  翟中和院士说过:“哪怕一个最简单的细胞,也比迄今为止设计出的任何智能电脑更精巧”。生物体各个层次的结构非常复杂,生物体所需要执行的具体生理功能也非常复杂。对结构与功能观的传统理解:具体存在的结构一定有与其相适应的功能,具体的功能一定得需要相应的结构才能实现,即“结构决定功能”。但这样的理解难免有些绝对,生命系统中还有很多的结构并不对应具体的功能;也有很多功能并不依赖单一结构;很多时候功能还能反作用于结构的发展;因此,结构和功能常常是动态的统一。生物学很多思想观念的表述是柔性的,把某个功能与某个结构简单而绝对地一一对应起来,就有些机械了,就不是生物学科学的思维了。因此,新课标中用“结构与功能相适应”就显得更加准确。

  生物学涵盖内容特别广,“结构与功能相适应”在各邻域和层次中都十分重要,目前各版本的高中生物教材中,都有着大量有关结构功能相适应的例证。从分子、细胞、组织系统和个体,到种群、群落、生态系统和生物圈,教师需要挖掘和整合这些具体例子,才能帮助学生科学地认识生命的规律和本质,构建合理的生物学知识体系,以培养生命观念。

  3 结构与功能观的例证应用

  虽然教材没有明确地阐述过结构与功能相适应的观点,但不论哪一个版本的高中生物教材中,都有着大量的结构与功能相适应的例证,从微观的元素分子到宏观的生态系统都有。并且,教“教材”不是目的,而是手段,是帮助学生构建生命观念的途径。故而,教材中没有提供的例证,教师同样可以广泛采集和利用,充当学生构建生命观念的落脚点和立足点,让学生更好地体会和领悟。

  3.1元素与分子水平的结构与功能相适应

  以碳元素为例,碳是细胞内的最基本元素,没有碳就没有生命。从结构来分析,碳元素的核外最外层排布着4个电子,在化学反应中较易于形成稳定的共价键。这就为以碳元素为基础构建多种化学基团创造了前提,因而可以进一步组成种类繁多的多聚体大分子。

  细胞中的分子执行生理功能时也依赖其结构。例如,DNA作为大部分生物的遗传物质,具有携带遗传信息、自我复制等功能。从结构上分析,DNA分子具有规则的双螺旋结构是其稳定性的基础;磷酸和脱氧核糖构成的基本骨架的不变性和内部碱基排列的可变性是其能携带大量遗传信息的基础;双链之间通过严格的碱基配对成氢键相连是其精确复制的基础。组成蛋白质的氨基酸都“至少有一个氨基和一个羧基连在同一个碳上”,这样的结构有助于保证肽链形成过程中氨基酸的准确定位和精准结合,使多肽链保持稳定,从而使其更好地执行功能。脂肪与糖类相比,其作为主要储能物质的功能是和结构上“H多O少”相适应的;淀粉、纤维素和糖原在生物体中承担的功能却不同,也是和葡萄糖聚合的结构不同相适应的。

  3.2细胞水平的结构与功能相适应

  细胞及细胞内结构都体现着结构和功能的适应性。例如,叶绿体承担着吸收、传递并转化光能并合成有机物的功能。其内部结构完美地适应着该功能:类囊体薄膜层层堆叠形成基粒,形成了巨大的膜面积,为与光反应有关色素和酶的附着提供了广阔的位点;叶绿体基质成溶胶状,围绕着类囊体薄膜,为光反应和暗反应的物质交流提供了方便。哺乳动物的红细胞成熟后无细胞核及细胞器,这与其需要尽可能地保留空间以运输氧气有关。根尖分生区细胞体积小,但细胞核相对较大,这与其需要连续有丝分裂有关。神经元结构上含有突起,包括长而少的轴突和短而多的树突,这与神经元之间需要进行频繁的信号传递有关。神经递质只能由突触前膜释放到间隙,再作用于突触后膜,这与兴奋只能单向传递有关;浆细胞具有发达的内质网和高尔基体,与其需要大量合成并分泌抗体有关。

  3.3组织、器官、系统水平与个体的结构与功能相适应

  组织、器官、系统等内容虽然在高中教材中涉及较少,但教师仍然可以在教学中加以补充,从而促进学生充分理解结构和功能的关系。例如,植物根部内皮层细胞四面加厚成凯式带,与其需要选择性吸收土壤养分有关;动物结缔组织或疏松、或致密,多样地形态结构与其适应营养、保护等多种功能有关;肺结构上具有多级分支,有助于适应充分进行气体交换的功能;哺乳动物循环系统构成闭管式双循环,有助于充分运输养料和代谢废物的功能。个体水平上,生物进化历程中出现的两侧对称结构,与其定向运动的功能相适应;陆生动物出现发达的角质层,与防止水分散失的功能有关;鸟类骨骼中空而轻,体呈流线型,与其适应飞翔的功能有关;爬行动物开始出现羊膜卵和羊水,与其生殖过程离开水有关;人类下肢肌肉较粗壮,上肢肌肉细小的结构,与其站立行走的功能有关。

  4 种群、群落和生态系统水平的结构与功能相适应

  种群水平的结构特征与其生活方式有关,如集群式的结构有助于对抗捕食者,均匀式的结构有助于减轻生存斗争。群落内的物种数越多,结构就越复杂,对应的功能就越复杂,如自然群落往往动植物种类更多,更能阻挡太阳辐射、减少水分散失,比人工群落对生态环境的贡献更大。生态系统结构包括食物链和食物网,这与生态系统执行能量流动和物质循环的功能有关。改变生态系统结构,有助于生态系统功能的优化,如农田物种少,结构简单,抵抗外来干扰的能力弱,优化其营养结构,采用“桑基鱼塘”等生态农业模式,就可以使其在抵抗外界干扰等的功能上得到提升。

  5 高中生物教学中渗透结构与功能观的注意事项

  有了这些具体例证为依托,教师还需要精心设计教学环节,以循序渐进的方式给予学生适当的启发和引导,或者放归课堂给学生,让其通过阅读、讨论、总结等方式,逐步养成结构与功能适应观。教师还可以恰当地整合教材资源,充分地考虑知识内容的选择问题,也可以对教材进行适当的、审慎地调整,以更好地落实核心素养。

  除此之外,要想充分地理解结构与功能观,仅仅让学生掌握“结构与功能相适应”还显得过于单一。其全面的内涵应该首先是结构观,其次是功能观,最后才是结构与功能的关系观。教师需要全面统筹顶层设计,在整个高中教学进程中,逐步渗透结构的物质性、层次性等结构观,功能的整体性、部分性等功能观,进而才能让学生全面地理解结构和功能的动态统一关系。

  生命经过亿万年的进化,在长期的自然选择下,结构与功能可以做到如此精确的匹配,本身就是一种伟大。养成结构与功能相适应的观点,对于培养学生认识自己、敬畏生命的价值观有着重要意义,也有助于培养学生透过现象看本质的理性思维习惯,最终帮助学生更好理解生命“为什么这样”,从而真正地“知其所以然”。

作者:陈万鹏、丁凌霄

作者单位:安徽省合肥市第六中学

来源:囡波湾生物

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