浅谈教学中生命观念的渗透——以“细胞膜——系统的边界”为例

河北 苏洪波

生物学核心素养是学生后天习得的终身受益成果，是公民基本素养的重要组成之一，是学生在解决真实情境中的生物学问题时所表现出来的必备品格和关键能力。生物学核心素养主要包括生命观念、理性思维、科学探究和社会责任等。2017年全国卷生物试题以真实、新颖的科学研究为情境，设置考题对考生进行全面考查，让考生充分调用所学的知识，展示学科核心素养。不同的题目各有侧重地体现生命观念、理性思维、科学探究和社会责任等素养。本文主要从“生命观念”的视角进行分析。

一、什么是“生命观念”

生命就是那些能够通过自然选择实现繁殖和进化的事物，是结构与功能的统一体。生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象概念、是经过实证后的想法或观点、是能够理解或解释相关事件和现象的品格和能力。它更接近于以往所说的生物学思想，是当学生对于一些具体概念忘记后仍然留在大脑里、用于认识生命世界和解释生命现象的东西，其形成是以核心概念的形成为基础的。

2017版《高中生物学课程标准》列举了4种生命观念：结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观，现分别介绍如下：

（一）结构与功能观

生命系统存在着由细胞到生物圈的多个层次，每个层次都是结构有序的系统，其结构的有序性与其功能相适应，即一定的结构必然对应一定的功能，任何功能都需要一定的结构实现。这种结构和功能相适应，是长期进化所形成的，是生物适应环境的体现。如大脑是对全身起调控作用的器官，主要由神经组织和结缔组织构成；磷脂分子的亲水基团和疏水基团（结构）与其作为生物膜的结构组成成分（功能）相适应；细胞膜的磷脂双分子层基本骨架（结构）与其将细胞与外界环境分开（功能）相适应。

（二）进化与适应观

进化与适应观贯穿在整个生物学科之中，是统一生物学的主题。生物进化是“自然选择”的过程，也是“适者生存”的过程。进化上的适应包括生存力提高和繁殖力提高两层含义，而且是针对某一特定环境的适应，当时间和空间改变后，原来的适应与不适应都会发生相应的变化，引起物种的进化或淘汰。如种内进化的本质是种群基因频率的定向改变；种间生物的协同进化等。

（三）稳态与平衡观

生命系统是开放的，内部也时刻在发生物质变化和能量转换，但多数时候又维持相对稳定的状态，这种“动态平衡”的实现是通过调节完成的。自贝尔纳和坎农创立“内稳态”这一生理学概念以来，该概念得到了很大的扩充——小到细胞、组织的稳态，大到器官、系统、整个机体的稳态，以至种群、群落、甚至生态系统的稳态。如人体内环境的理化因素、种群数量的调节等。

（四）物质与能量观

物质与能量的关系不仅是物理学的研究领域，也是生物学的基本观点，是科学教育的大概念（big idea）之一。物质的合成与分解总是伴随着能量的吸收或释放，如光合作用的本质是无机物合成有机物，将光能转变成化学能，储存于有机物之中；细胞呼吸的本质是有机物氧化分解，释放能量。

二、教学实例

如何让学生通过生物学概念建立生命观念呢？在教学过程中，教师通过创设情境、提供事实性材料，在建模、论证、探究中生成概念的策略，在概念理解的基础上，逐步形成生命观念。在对具体知识内容的教学时究竟该如何落实生命观念呢？这个问题非常有挑战性，需要不断探索。笔者以人教版“分子与细胞”模块中第3章第1节“细胞膜——系统的边界”为例，讨论相关方面的问题。

（一）学习内容

本节学习内容的《课程标准》要求是“概述细胞都由质膜包裹，质膜将细胞与外界环境分开，能控制物质进出，并参与细胞间的信息交流”。

“概述”属于知识性学习目标中的理解水平，这就要求学生收集、整理信息，利用已有知识进行解释、推断、提供证据，进而把握知识间的内在逻辑联系。

通过对“组成细胞的分子”的学习，学生对蛋白质、脂质、糖类的结构和功能等概念有了一定的理解，能够比较容易的形成“细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，还有少量的糖类”这个一般概念。然而如何从结构与功能观的视角形成“质膜将细胞与外界环境分开，能控制物质进出，并参与细胞间的信息交流”这个一般概念则是本节的重点和难点。此外本节概念是学生构建“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”“机体通过一定的调节机制保持稳态”这些核心概念的基础。在较好地理解这些概念的基础上进一步形成结构与功能观、稳态与平衡观、进化与适应观、物质与能量观等生命观念。

（二）学习目标

1.生命观念

通过分析实验现象、学习资料，能够初步解释细胞膜的组成与功能相适应，建立稳态与平衡观、结构与功能观等生命观念。

2.理性思维

通过所学学科事实、概念和证据，运用归纳、演绎等思维方法解释细胞膜的组成与功能相适应。

3.科学探究

通过观察实验现象、文本阅读，尝试提出问题并在独立思考和小组讨论中形成解释。

4.社会责任

通过对细胞膜的组成与功能相适应的理解，初步解释、评价膜在生活中的应用。

（三）学法分析

根据皮亚杰的认知发展阶段理论，高中阶段学生能够采用逻辑推理、归纳、演绎的方式来解决问题，因此学生利用生活经验、所学学科知识、教师提供的素材，采用小组合作探究的方式构建概念，形成生命观念。

（四）学习过程

1.情境导入

任何系统都是存在边界的。例如，学校、相关机关这样的单位存在边界，我们人体也存在边界。那么作为最基本的生命系统——细胞，它的边界是什么？

教师通过呈现光学显微镜、电子显微镜下的细胞图像以及鸡卵。

设计意图：在一个似乎没有问题的地方引发疑问，激起了学生的深入思考，培养学生敢于质疑的批判性思维和逻辑推理能力。

2.形成概念

教师依次呈现事实性材料：（1）鸡蛋壳打开，蛋清平铺在玻璃板上（现场操作）；（2）鸡蛋孵化前后蛋清、卵黄的变化（图片）。

学生通过观察，可以描述卵黄呈球状、卵黄与外面蛋清分隔开、鸡蛋孵化后蛋清逐渐消失等现象。利用所学知识，学生能够尝试对现象进行解释，如鸡蛋中的卵黄存在边界；膜作为边界，将卵黄与蛋清相互隔离开；细胞膜作为屏障可阻止细胞成分外漏，并防止其与周围介质混合；鸡卵进行细胞呼吸，消耗掉了蛋黄；蛋清和氧气、二氧化碳可以通过细胞膜。

学生在观察、解释、讨论中逐步形成“细胞膜的功能是将细胞与外界环境分隔开、能控制物质进出细胞”这一概念。通过概念的生成，学生能体会出进化与适应观、物质与能量观等生命观念。

3.模型构建

细胞膜在学生头脑中是什么状态呢？笔者设计了一个模型构建环节。本环节不仅可以深化学生对“细胞膜的功能是将细胞与外界环境分隔开、能控制物质进出细胞”这一概念理解，而且利于培养学生建模的能力，为后续对细胞膜成分的研究、流动镶嵌模型的学习埋下伏笔，体会科学发展、知识的学习是逐步完善的过程，将情感态度价值观教学寓于日常学习之中。

教师引导：如果用封闭的线条代表细胞膜，不同形状和数量的图形表示细胞内外的物质，请尝试在纸上画出细胞内外物质的分布并进行解释，并注明图形代表的物质。

图1（后附）是一位同学呈现的结果。

学生在模型构建、班内汇报交流中将概念理解、生命观念变得可视化、形象化。有部分同学依据初中所学知识，还在细胞内用封闭的线画出了液泡、叶绿体、线粒体。通过追问，学生进一步明确了这些细胞结构仍然是具有膜结构的，这就为获取细胞膜的材料选择、细胞器的教学做好铺垫。

3.类比推理

“细胞间信息交流的功能”对于学生来说比较抽象，难于理解。笔者采用类比推理和资料探究两个环节尝试突破，取得了不错的效果。

利用上一环节中学生构建的模型，然后引导两个人一组，每位同学所画细胞类比成一个人。人与人之间交流或沟通的方式有哪些？用图和文字表示。

图2是两位学生完成的细胞间信息交流的模型：

然后采用文本阅读的方式进行理性探究，形成细胞膜的功能：“细胞间信息交流”。

材料1：有的鸡蛋是受精卵，可以孵化出小鸡。如果将鸡的卵细胞与麻雀的精子放在一起，即使条件适宜，也不能形成受精卵，这说明什么？

材料2：小鸡吃完食物（主要是淀粉）一段时间后，血糖（血液中葡萄糖）会升高，这时胰腺内胰岛B细胞分泌的胰岛素，通过血液的运输到全身。胰岛素的一个作用是使肝细胞、肌肉细胞从细胞外吸收葡萄糖，合成肝糖原和肌糖原，进而使血糖降低。

材料3：（原创）19世纪，汤森（Townsend）将南瓜细胞的细胞壁去除后，剩余部分分离成两个独立部分：A部分含有细胞核，B部分没有细胞核。2～3天后，A部分细胞膜外形成细胞壁，而B部分没有；如果将A部分与B部分通过胞间连丝相连，A、B两部分均能形成细胞壁。

学生小组讨论后，不仅能够形成概念，而且还可以体会出结构与功能观、稳态与平衡观等生命观念。

4.逻辑推断

细胞膜为什么具有如此重要的功能？请同学们从组成细胞的分子的结构和功能角度思考：细胞膜可能具有哪些组成成分？学生利用所学“组成细胞的分子”中蛋白质、脂质、糖类的结构和功能等概念的理解，利用“结构与功能观”，能够比较容易推测出细胞膜的组成成分。

设计目的：通过逻辑推理细胞膜的成分以及进一步完善细胞膜的模型等活动，为膜成分鉴定、生物膜的流动镶嵌模型等学习内容埋下伏笔。

图1

图2