人教版高中生物必修教材中渗透结构与功能观的研究

  [摘 要] 结构与功能观是基本的生命观念之一,它体现为结构与功能的辩证统一。人教版高中生物必修教材中普遍渗透了结构与功能观,其渗透的方式是多样的。教材进一步建构结构与功能观可以以概念为基础,逐步提炼结构与功能观;图文结合,生动体现结构与功能观;纵横联系,将结构与功能观与其他生命观念整合;知行合一,赋予结构与功能观实践意义。

  [关键词] 高中生物必修教材 结构与功能观 观念建构

  [Abstract] The concept of structure and function is one of the basic concepts of life. Structure and function being make up the relationship of dialectical unity. The concept of structure and function have permeated through the high school biology required textbooks of PEP version in several ways. The author elaborated the strategies on the establishment of the concept of structure and function in the textbooks. The concept of structure and function can be constructed on the basis of concepts and gradually extracted. A combination of image and text in the textbooks could vividly reflect the concept of structure and function. This concept should be integrated with other life concepts, and applied to practice as well.

  [Keywords] high school biology required textbooks; concept of structure and function; construction of concept

  结构与功能观是生命观念之一,树立结构与功能观是让学生发现生命现象,学习探究生命活动的规律,进而理解生命本质。梳理现行人教版高中生物必修教材中渗透的结构与功能观,将给高中生物教材修订工作以启发。

  一、什么是结构与功能观

  (一)结构与功能观是基本的生命观念之一

  在生命世界里,结构与功能是一个不可分割的整体。在探究某一功能时会先分析其结构基础;对结构有了一定的了解后,会寻找它相应的功能。关于结构与功能关系的探索一直都是生物学研究的基础工作。结构与功能观反映的正是人们对生命现象或活动中这两者关系的认识倾向。它的认识对象从核酸、蛋白质等生物大分子物质到细胞,从生物体的组织、器官、系统到种群、群落和生态系统,涉及整个生命系统,可以说,结构与功能观是基本的生命观念之一。学生结构与功能观的形成应该伴随着整个生物学学习过程。树立正确的结构与功能观不仅有助于他们深化对生命现象的认识,还可以提高他们的生物科学素养,指导自主学习。

  (二)结构与功能观体现为结构与功能的辩证统一

  结构与功能的辩证关系在系统论中已经得到了深刻的阐述,在生物学领域,它主要表现为两个方面。一方面,结构是功能的基础,即有什么样的结构,相应地会有什么样的功能。这样的例子不胜枚举。例如,DNA的双螺旋结构使得DNA能够通过碱基互补配对原则实现精确复制;线粒体的内膜折叠成嵴使表面积大大增加,从而能够附着更多的与有氧呼吸有关的酶;群落中植物的分层现象提高了植物利用阳光等环境资源的能力。另一方面,功能的实现依赖于特定的结构。例如,乳糖操纵子模型中通过阻遏蛋白构象的变化来实现基因表达的调控。

  (三)结构与功能观通过多学科交叉渗透

  美国《K-12科学教育框架:实践、跨学科概念和核心概念》中提出了一系列跨学科的通用概念,其中就包括结构与功能[1]。结构与功能观从来就不是孤立存在的生命观念,生物学科与其他学科相互渗透、交叉整合对学生建立这一观念是大有帮助的。细胞膜的磷脂双分子层结构是一个很好的让学生形成结构与功能观的模型,正因为细胞膜具有这样的结构,才能有选择性地控制物质的进出。在教学过程中,如果直接给出这一结构模型,学生不一定能接受。当我们借鉴化学中的水—油脂分子的排布模型来推导出细胞膜的结构模型时,学生就很好掌握了。类似的例子还有不少。例如,我们可以结合物理学和化学的相关知识来了解DNA双螺旋结构模型,进而理解这一结构对于DNA分子能够成为生物体主要遗传物质的重要作用等。

  二、高中生物必修教材中的结构与功能观

  (一)渗透结构与功能观的知识内容

  人教版高中生物必修教材根据3个模块的知识内容相应地分层次渗透结构与功能观。必修1模块先提出“细胞是生物体结构和功能的基本单位”,然后从组成细胞的分子,细胞膜、细胞器以及整个细胞的角度来阐述结构与功能相适应。例如,教材中指出,不同种类氨基酸的排列顺序千变万化,使得蛋白质分子的结构极其多样,它在细胞中承担的功能也是多种多样的;各种细胞器的结构特点使它们具有各自特定的功能;细胞生物膜系统的组成成分和结构很相似,在结构和功能上紧密联系;细胞核能够控制细胞的代谢和遗传,是与细胞核的结构分不开的;等等。

  随着分子生物学的飞速发展,人类已经很好地解析了遗传物质的分子结构,因此教材在必修2模块从微观的分子层面来渗透结构与功能观,涉及的知识内容主要是DNA分子和基因的结构与功能。例如,DNA分子中碱基序列的多样性使得DNA分子多样化,DNA分子因而能够储存大量的遗传信息;70%的囊性纤维病患者编码CFTR蛋白的基因缺失3个碱基,影响了CFTR蛋白的结构,使CFTR转运氯离子的功能异常,最终使肺功能严重受损等。

  必修3模块则是从个体、种群和群落以及生态系统的层面说明了结构与功能的关系。具体的例子有:教材在讲解人体的内环境与稳态时,总结机体的三大调节系统相互联系,相互协调,共同维持机体内环境的稳态;在介绍种群和群落时,提到群落具有一定的空间结构,包括垂直结构和水平结构等方面,群落的垂直结构显著提高了群落利用阳光等环境资源的能力;而在讲授生态系统及其稳定性时,则明确指出生态系统中各组成成分之间的紧密联系,使生态系统成为一个统一的整体,具有一定的结构和功能。

  (二)渗透结构与功能观的方式

  人教版高中生物必修教材中渗透结构与功能观的方式是多样化的,下面举几个例子。(1)在给出的概念中直接体现结构与功能观,例如,必修1第3章的章引言中提到“系统不是其组分的简单堆砌,而是通过组分间结构和功能的密切联系,形成的统一整体”;(2)通过“模型建构”活动帮助学生理解结构与功能观,例如,必修2第3章第2节“模型建构——制作DNA双螺旋结构模型”,学生通过制作这个模型能够更深刻地理解DNA的双螺旋结构与它能够储存大量遗传信息功能的重要关系;(3)引导学生运用结构与功能观分析问题,例如,必修1第4章第2节的“问题探讨”栏目,需要学生根据结构与功能相适应的观点分析,用哪种材料做细胞膜,更适于体现细胞膜的功能;(4)通过一些课外阅读素材让学生了解结构与功能观在现实生活中的应用,例如,必修3第4章第3节的“科学·技术·社会——立体农业”就是运用群落的空间结构原理,达到光照、土地等资源的充分利用。

  对于与学生建构结构与功能观相关的知识内容,教材中的表述方式也不尽相同。例如,在介绍生命活动的主要承担者——蛋白质时,教材先讲蛋白质的结构,然后再介绍其功能;而在介绍系统的控制中心——细胞核时,则是首先让学生借助资料创设的情境来了解细胞核的功能,然后再具体讲述细胞核的结构;在呈现各种细胞器的不同结构和功能的分工时,教材更是采用了形象的图文结合的形式。灵活有变的表述形式,让教材更加生动,可读性更强;无论教材采用哪种表述形式,都有其内在严密的思维逻辑。

  三、关于高中生物教材进一步建构结构与功能观的几点思考

  (一)概念为基础,使结构与功能观逐步提炼

  概念和观念都是人们思维活动的成果和结晶,体现了对事物的抽象和概括,两者关系密切。在概念中,核心概念通常处于中心位置,以具体的知识为基础,与一般概念广泛联系。费德恩等人认为,学生在忘记其非本质信息或周边其他信息之后,仍然能够应用起来的概念性知识就是核心概念[2]。观念较概念则更为上位,是对知识更加综合化的整合,并且随着知识的不断积累,最终会内化为学生的能力。教材可以以基本的概念为支撑,围绕着核心概念来渗透观念。现行教材在概念的建构方面很突出,有利用黑体字突出重要概念,有通过科学史的介绍促进学生理解概念,有让学生补充完善概念图帮助他们梳理整合概念等,但是对于结构与功能观的提炼似乎并没有显性化呈现。以必修1第3章“细胞的基本结构”为例,教材在介绍了“生物膜的组成成分和结构很相似,在结构和功能上紧密联系”“细胞核能够控制细胞的代谢和遗传,是与细胞核的结构分不开的”等内容后,其实就可以用核心概念“细胞不是其组分的简单堆砌,而是通过组分间结构和功能的密切联系,形成的统一整体”来更加紧密地串联这些知识,然后在此基础上帮助学生进一步提炼出结构与功能观。将这一逐步提炼的过程像画概念图的形式一样,更加显性化地呈现给学生未尝不是一个可以尝试的方法(图1),这样对学生整合和深层次理解概念,加强对观念的认识应该有一定的推动作用。此外,在提炼观念的过程中,还可以多关注一些跨学科的通用概念,让学生在学科之间的相通和交融中理解科学的本质,促进学生终身发展的需要。

图1 结构与功能观提炼过程示意图(以“细胞的基本结构”为例)

  (二)图文结合,让结构与功能观生动体现

  通过图片呈现事实性知识,对学生概括事物、建立结构与功能观具有重要作用。必修1第3章第2节在讲述细胞器之间的分工时,就先以图片呈现细胞器的结构,然后再以文字描述它的功能,这样学生很容易明白线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所,内膜折叠成嵴,增大了表面积,能够附着更多的与有氧呼吸有关的酶;叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所,里面有很多的基粒和类囊体,极大地扩展了受光面积等。由图片呈现结构,可以说是为学生创设了一个学习结构的情境,利于学生高效地获得知识;而且图片本身还是对结构的简化,像蛋白质、DNA等一些让学生理解起来较为抽象的结构,一旦通过图片呈现,就十分直观,学生能够很快掌握它们结构与功能相适应的特点。随着绘图技术的发展,教材中有的平面结构图可以替换为更加生动形象的3D立体图,增加学生的阅读兴趣;我们甚至可以借助先进的科学技术手段将静态图转化为能够在电子设备中打开的动态图,增加图片的交互性。

  (三)纵横联系,将结构与功能观与其他生命观念整合

  生命观念除了结构与功能观,还有物质与能量观、稳态与平衡观、进化与适应观等,它们都是从大量的生物学知识和实践活动中提炼出来的,具有一定的共通性。例如,ATP具有特定的结构才使它能成为驱动细胞生命活动的直接能源物质;生态系统具有营养结构——食物链和食物网,它们不仅是生态系统物质循环的渠道,也是能量流动的渠道。这些内容含有结构与功能观以及物质与能量观。前面提到的教材中讲了机体的调节系统主要有神经系统、内分泌系统和免疫系统,三大系统相互协调,共同维持机体内环境的稳态,这其中既蕴含着结构与功能观,也有稳态与平衡观。如果能在教材中对这些生命观念进行有效整合,它们将相互补充、相互促进,共同加深学生对生命活动现象或规律本质的理解。教材中的“本章小结”通常是教材中最具整合功能的部分,我们可以利用该栏目合理整合该章中渗透的各生命观念,这不仅是对本章知识内容的升华,同时也有助于学生建立完整的生命观念体系。此外,教材还可以在旁栏中设计“观念整合”的小栏目,与正文中的知识内容相联系,对相应的生命观念进行整合。

  (四)知行合一,赋予结构与功能观实践意义

  观念是具体知识在学生头脑里的拓展和升华,以基础知识为根基。没有观念的引领作用,知识很难有效地应用于实践。近代美国实用主义哲学家杜威认为“观念是判断的因素,是解释的工具;如果不把观念当作研究事实、解决问题的工具,那么,就不是真正的观念” [3]。据理,只有当学生把建立的对结构与功能观的认识用于解释生物学现象和解决现实生活中的问题,并在应用过程中不断完善、修正和发展时,才能最终形成科学的、有价值的结构与功能观。教材对于学生运用结构与功能观的引导,可以是在“问题探讨”“思考与讨论”等栏目中或者节后“练习”、章的“自我检测”中设置问题情境,驱动学生思维,让他们运用结构与功能观分析和解决问题;也可以是在正文或课外阅读材料中提供一些应用结构与功能观的素材,让学生体会建立结构与功能观在日常生活和社会实践中的价值。

  基于观念建构开展的高中生物教材修订工作是贯彻落实学生核心素养的重要方面,对于老师的教和学生的学有着深远的意义。在教材中建构任何一个生命观念都应该是一个循序渐进、有实践意义的过程,它离不开概念和具体知识的支撑,否则就可能建造了一个空中楼阁,引人向往,却又虚无缥缈。

  参考文献

  [1] National Research Council (NRC). 2011.A framework for K-12 science education:Practices, crosscutting concepts, and core ideas.Washington, D.C.:National Academies Press.

  [2] 普莱斯顿·D·费德恩,罗伯特·M·沃格尔.教学方法——应用认知科学,促进学生学习[M] .王锦,曹军,徐彬,译.上海:华东师范大学出版社,2006:462.

  [3] 约翰·杜威.我们怎样思维·经验与教育[M].姜文闵,译.北京:人民教育出版社,2005:113-114.


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