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例析指向生命观念建立的生物学教学

2018-01-19王吉文

中学生物学 2018年1期
关键词:观念能量物质

王吉文

1关于生命观念的理解

什么是生命观念?生命观念是新一轮课程改革中提出的生物学核心素养之一,是指对大量生命现象及其内在关系进行阐明之后的抽象,是已经被反复证明为正确的观点、思想或方法,包括结构与功能观、物质与能量观、进化和适应观以及稳态与平衡观。

如何理解生命观念呢?对“结构与功能观”的理解应该包括“生物体特定的结构具备特定的功能,生物体表现出的功能依赖一定的结构”。对“进化和适应观”的理解应该综合孟德尔遗传定律、自然选择学说和哈迪一温伯格定律,即“可遗传的变异是随机的并在传代过程中不被稀释,生物体的适应总是针对特定环境而言的,特定环境的改变会导致种群基因频率发生改变,结果表现在种群中的个体在形态结构和生理功能上对特定环境适应的一系列特征的改变即进化,不能发生这种改变的物种可能被淘汰”。对“稳态和平衡观”的理解应该以坎农提出的“稳态”为核心,分别向细胞水平和种群、群落以及生态系统两方向拓展,即“内环境能够在神经、体液和免疫调节的方式下,通过反馈调节机制,使各种成分和理化性质达到一种动态平衡,这种平衡保持的规律可以迁移解释细胞和生态系统各层次稳定维持的相关生命现象,并且所有的稳态是有限的”。对“物质与能量观”的理解应统领生命系统各层次上的物质代谢和能量转化,即“物质循环和能量流动同时进行,相互依存,不可分割。物质循环和能量流动使生态系统的各种成分成为统一整体。物质是能量的载体,使能量沿食物网流动。能量是物质循环的动力,使物质在无机环境和生物群落间循环往返。”

学生建立生命观念的价值能体现在哪些地方呢?通过以上分析,笔者认为建立生命观念价值在于:生命观念能作为联系多个概念的“暗线”,能够帮助学生学习新知识、建立知识网络的组织架构,是学生理解更深层次问题和形成科学的世界观的基础。其次,生命观念还是学生探究和解决实际问题的重要工具。生命观念和其他的学科(如物理学、工程学)之间也有着非常密切的联系,甚至是相通的,可以帮助学生有效地展开跨学科的学习。

例如,学生可在“结构和功能观”指导下,解释、推测线粒体内膜向内折叠的原因、叶绿体类囊体垛叠形成基粒的意义等;可根据DNA的分子结构特征,说明DNA分子多样性和特异性的原因,并可预测DNA复制的机制等;再如,学生可在“进化和适应观”的启发下,去解释生态位的形成原因、不同环境下群落的特征、不同环境下物种形态结构的差异等。

2指向生命观念建立的教学组织

在生物学教学过程中,教师如何帮助学生建立生命观念呢?根据生命观念的特点,建立生命观念的出发点需要学生对所学概念有深刻的理解:必要途径是帮助学生充分建立概念之间的意义联系;落脚点是学生能利用生命观念指导探究规律的活动以及解决实际问题。在教学过程中,这三者之间密切联系、相互促进,是一个有机整体。

2.1以理解为目的的概念教学引发生命观念的萌芽

生命观念形成的前提条件是需要学生对概念的深入理解。因为只有对概念真正理解了,學生才有可能准确形成概念之间的意义联系并运用概念。那么,怎样才是真正的理解呢?理解就是能够围绕某个主题展开一系列思维活动(如解释、寻找证据和实例、综合、应用、类推、以自己的方式复述等)。因此,在基于理解的概念教学过程中,教师需要能针对某一主题,创设新的情境,引导学生在探究性问题的指引下,通过多种途径如动手实践、观察实验现象、得出实验结论、分析文本资料、汇报展示、教会同伴及其在此基础上的一系列思维活动理解概念。

例如,在“观察植物细胞质壁分离和复原”教学中,教师为了帮助学生对“生物膜是选择性透过性膜”的理解,让学生观察添加了硝酸钾溶液情况下发生的质壁分离和自动复原现象,并尝试解释其原因。在引导学生准确说出原因后,教师提供素材:在很多植物细胞液泡中,即使K+和NO3-浓度高于周围环境中的浓度,细胞仍然可以不断吸收KNO3;洋葱表皮细胞对蔗糖几乎不吸收;大豆中的某些细胞则能吸收蔗糖。然后,教师提问:在物质透过方面,生物膜和半透膜的不同点是什么?你能总结出生物膜功能上有什么特点吗?

再如,“DNA的分子结构”一节中,如何帮助学生理解“DNA分子结构特点及其多样性和特异性的原因”?教师可提出:“我们都知道可以利用DNA来确定犯罪嫌疑人,这和DNA的结构特点有什么关系呢?”教师创设新情境,然后以每3名学生为一个小组,发给学生事先准备的两个信封A和B,在A信封中装有模拟DNA骨架的两根绳子和10对用钢丝夹和标签纸制成的碱基对模型,B信封中装有四张分别写有A、T、G和C符号的标签,引导学生认识到绳子代表脱氧核糖和磷酸形成的骨架,成对的空白的标签纸代表的是尚不确定的碱基对。首先,教师让学生小组分工合作利用绳子和标签纸制成一个双链模型,再让学生通过在B信封中的10次随机抽样,确定写在标签纸上的10对碱基对,然后让学生试着将双链旋转一周模拟DNA片段中的一个螺旋。通过这一过程,学生能“看见”他们自己总结的DNA的特点。当学生制作好模型及每个组模型中碱基对的顺序都确定好以后,教师让学生比较本组和其他各组碱基对的排列顺序,引导学生发现他们之间几乎没有碱基序列一样的模型,于是学生便能深入理解DNA结构多样性和特异性的原因。

2.2以建构概念之间的意义联系促进生命观念的形成

通过以理解为目的的概念教学,学生对相关生物光能学概念的本质有较深入的把握,但是学生可能“只见树木不见森林”。只有让学生深刻认识概念之间的内在联系,才能形成生命观念。因此,随着教学的深入,教师要以生命观念为统领,以促进学生进行概念之间广泛联系的问题为指引,通过多种途径如分析和归纳实验结论、文本探究、分析示意图等,建构概念之间意义联系,再让学生利用文字、符号、图示等将这些联系形成一定的组织结构,以思维模型的形式表征出来,再通过对模型的分析,让学生逐渐抽象出生命观念。

以形成“物质和能量观”为例,其所涉及的相关概念有光合作用、细胞呼吸、生态系统的营养结构、物质循环、能量传递的规律、信息传递功能、生态系统抵抗力和恢复力的稳定性等。教师可让学生以植物叶肉细胞为例,结合光合作用和细胞呼吸的过程,以如下问题“光合作用和细胞呼吸物质上相互之间以及各自和环境之间有何联系?”“光能在植物细胞内能进行怎样的转化?”为指引,在细胞水平上建构物质转移和能量转换的过程(图1)。在此基础上,教师提出问题:“能量输入个体后,可能有哪些去向?”“种群水平上输入的能量可能有哪些去向?”“它和个体有什么区别?”“如果种群在食物链中,输入种群的能量会有哪些可能的转移和转换途径?”以引导学生尝试从逐步从个体水平迁移到种群水平,建构生态系统营养结构中能量流动过程(图2)。然后,教师以“如果以“C标记CO2,那么在生态系统中的哪些地方可能发现14C?”等问题,让学生结合图1和图2和相关素材,建构碳循环过程(图3)。

最后,教师设计如下问题帮助学生厘清模型所揭示的各种概念之间的内在联系,促进“物质和能量观”形成:生物体内部以及生物和环境之间物质的转移有什么不同点和联系?能量流动的渠道是什么?能量流动和物质转移之间有什么联系?生态系统维持稳定可以体现在哪些方面?

2.3以解决实际问题的学习活动促进生命观念的内化

心理学上的研究表明,学生在解决抽象而不带具体情节的问题困難,解决具体而接近实际的问题容易;解决不需要实际操作的“文字题”容易,解决实际操作问题困难。因此,上述过程形成的生命观念,只有被学生有意识地应用于解决实际问题,才能被真正内化而形成素养。这就要教师以教材中的实验、实践活动为基础,精心设计需要在生命观念指导下解决实际问题的学习活动,通过学生知识和技能的合理迁移,促进生命观念的内化。

以促进“物质和能量观”和“稳态和平衡观”的建立为例,教师可提供实例,让学生分析和评价某生态系统的稳定性;让学生制作生态瓶,并让其想各种办法尽量延长生态瓶维持稳定的时间;也可让学生结合其他学科如工程学和系统学的知识,尝试设计既减少污染又提高经济效益的生态农业方案等。

此外,教师提供菠菜叶片、蔗糖、清水、显微镜等必备材料、试剂或设备,并提出问题:有人认为,植物受到一些环境条件胁迫时,保卫细胞周围渗透压发生变化导致气孔关闭,如何验证这样的推论?教师可引导学生以“结构和功能观”为指导,综合“生物膜的结构模型”生物膜的功能特点”“渗透作用”“质壁分离和复原”等多个概念,并进行合理迁移,设计、实施如下实验方案:配制0.3g/mL的蔗糖溶液,取菠菜叶表皮细胞观察气孔状态,制作带有保卫细胞叶片表皮细胞临时装片并观察气孔状态的变化,用蔗糖溶液替代临时装片中的清水并观察气孔状态的变化,再用清水替代蔗糖溶液并观察气孔状态的变化,最后得出结论。上述解决实际问题的过程会有力地促进学生生命观念的内化。

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