信息观引领下的高中生物学教学实践

谭晓晴

摘要 以“植物生长素”一节的核心问题为例，基于不同生命系统层次下的信息观进行问题串教学，让学生在深度学习的过程中逐渐形成“生命活动离不开信息调控”的生命观念，同时也培养了学生获取信息，分析信息与应用信息的素养与能力。

关键词 信息观 生命观念 生物学教学

中图分类号G633. 91

文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017版）》明确提出生物学学科核心素养包含生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。其中，信息观是生命观念中的基本要素之一。

广义的生命信息观可以理解为生命的物质运动，由遗传信息、生理信息和神经感知信息构成生命的信息系统，可以根据生命自身的规律有机地组织物质运动，实现生命的自组织、自复制和自适应。狭义的生命信息观是指信息分子从产生部位经传输路径到达作用部位，通过生命系统的接受、识别和处理后，引起受体的生理变化，进而产生对应的生物学效应的过程。从分子与细胞水平上看，细胞膜控制物质进出、各种细胞器协作完成光合作用、呼吸作用等相关生理功能都是在信息调控下实现的。从个体水平上看，植物体可以根据光照等物理信息调控自身的生长发育，动物也可以根据各种物理信息、化学信息和行为信息等保证机体的稳态与平衡。从生态系统水平上看，生态系统的反馈调节机制也依赖于信息传递，从而实现生态系统的稳定性。

生命觀念维度下的信息观是物质观与功能观的有力支撑，揭示了生命系统的本质为物质、能量和信息的统一体，各个层次下的生命系统的正常运转都离不开信息传递和信息调节。生命的信息观强调信息传递在生物的生长、繁殖和进化中的作用，在信息调控下，生命系统不断适应变化的环境所造就的生物多样性，为进化与适应观提供事实依据。此外，很多信息分子（如信号肽、激素等）本身也是生命活动的过程的产物，这也体现了生命系统的整体性、层次性。培养与发展学生的信息观，不仅有助于学生从更广泛的意义上理解生命，更锻炼了学生的科学思维，增强了学生获取、处理和应用信息的能力。

1 问题的提出

人教版高中生物学《选择性必修1.稳态与调节》第五章第一节“植物生长素”，以植物向光弯曲生长引入，通过科学家的探究实践介绍了植物生长素的发现历程，进而引出生长素作为植物激素对植物的生长发育有显著的影响。在高三的一轮复习中，学生已经基本认同植物激素作为信息分子，对植物的生长具有调控作用，能够理解植物向光性的产生是生长素在尖端下部分布不均匀的结果。但对于“单侧光作为物理信息，如何引起生长素的横向运输”“生长素是如何引起植物弯曲生长”以及“为什么高浓度下的生长素可以抑制植物生长”等问题，学生思考的深度不足，并未能够从信息调控的角度理解信息分子对生命系统的调控过程，也未能从遗传信息的角度深入分析，认识到植物激素的分泌和调控本质上是植物基因选择性表达的结果。

因此，笔者尝试以“植物生长素”一节的复习课为例，以植物向光性现象为切入点，剖析单侧光、植物激素等信息分子对植物体生命活动的影响，深入挖掘信息观的核心内涵——基因是最根本的遗传信息，调控代谢过程、维持生命系统的稳态。同时，本节内容通过启发学生分析生长素作用效果的图像，训练学生获取信息和分析整合信息的能力，结合实际生产进行信息应用，有效进行信息观内涵与外延的渗透，并帮助学生构建“获取信息——分析信息——应用信息”的能力体系。

2 教学过程

2.1 进入情境，奠定信息观基础

教师播放黑暗条件下单侧弱光照射绿豆幼苗的延时拍摄视频，引发学生思考植物向光生长的原因，引出单侧光作为一种物理信息影响植物的生长进程。教师提问：什么是信息？外界环境中的信息如何影响生命活动？

随后，教师展示含羞草被触碰后的变化，提出问题：为什么含羞草被触碰后，叶子会收起来？在这个过程中，植物是如何感受、处理信息的？教师引导：含羞草的叶柄基部有一个特殊器官“叶枕”。叶子一旦被触动，信息就会传回叶枕，叶枕内的薄壁细胞的细胞液就会开始流向细胞间隙，膨胀能力下降，叶枕下部细胞间的压力降低.从而出现叶片闭合，植株下垂的现象。1-2 min后，细胞液又逐渐流回叶枕，于是叶片又恢复了原来的样子。学生据此从“信息产生、传输和作用”3个角度，分析外界刺激对含羞草的影响。

设计意图：教师利用真实的情境激发学生的探究兴趣，补充信息的三要素（信源、信道和信息受体），使学生奠定信息观基础。

2.2 分析资料，建立信息观模型

（1）核心问题1：为什么单侧光照射可以引起植物弯曲生长？

教师展示资料：近年的研究说明，高等植物的光受体是向光素1和向光素2，位于植物的表皮细胞、叶肉细胞和保卫细胞的细胞膜上。它们是黄素蛋白，蛋白质部分表现出丝氨酸/苏氨酸激酶活性。在单侧弱蓝光照射下，向光素磷酸化呈侧向梯度，诱发胚芽鞘尖端的IAA向背光一侧运输，进而到达伸长区，刺激细胞伸长，使背光侧生长速度快于向光侧，即向光弯曲生长。

据此，教师提出问题串：①单侧光作为物理信息，如何引起植物弯曲生长？②植物表皮细胞能接收单侧光的信息，因为其具有什么结构基础？该结构的化学本质是什么？③此过程体现了细胞膜具有什么功能？④还有哪些结构能使高等植物细胞进行信息交流？⑤从植物生长的角度分析，为什么植物会出现向光生长？并说明信息对个体的影响，

设计意图：教师引导学生从细胞水平上分析单侧光照射作为信息分子，引起植物向光弯曲生长的生物学效应。同时，教师引导学生结合信息三要素，分析植物细胞内能够接受、传递信息和发挥作用的具体路径和结构基础，基于结构与功能观的基础从细胞水平上升至个体水平，认同个体正常的生命活动离不开信息传递。

（2）核心问题2：单侧光作用下，植物体内生长素分布不均匀。为什么分布较多的一侧植物生长速度较快？

教师展示“酸生长假说”的资料：：生长素和受体结合，进一步通过信号转导，促使H+-ATP酶基因活化合成，形成mRNA，运输到细胞质合成H+-ATP酶，再运输到细胞膜。随后，质膜的H+-ATP酶把H+排到细胞壁外，引起细胞壁酸化，从而活化膨胀素蛋白，使其作用于细胞壁的纤维与半纤维素之间的截面，打断细胞壁多糖之间的H键。多糖链被破坏，细胞变得松弛柔软，膨压推动细胞伸长。

教师提问：H+-ATP酶基因通过什么方式控制性状？通过分析资料，学生在教师的引导下构建出信息调控的分子模型，即“H+-ATP酶基因控制H+-ATP酶的合成来完成H+外排（图1），细胞壁酸化细胞伸长”这一生理过程，本质上是基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，以实现基因对性状控制的间接途径。

设计意图：教师通过补充“酸生长假说”资料，引导学生从分子水平分析向光弯曲生长是植物体相关基因选择性表达的结果。据此，学生不仅能够解决生长素到底是如何促进植物生长的疑问，又能意识到基因是生物体最根本的遗传信息，进一步增强和巩固对信息观的认同。

2.3 思辨结合，延伸信息观理解

核心问题3：生长素传递给植物的信息一定是促进生长的吗？

教师播放实验视频，学生根据数据绘制不同浓度下生长素类似物NAA对大蒜鳞茎生根的影响曲线图。教师安排任务，推动学生获取并分析图像信息。任务1要求学生通过曲线和图表，分析得出生长素类似物对根部既有促进生长也有抑制生长的作用，即生长素作用特点具有两重性。通过对比同一浓度生长素对不同植物器官的作用效果，得出不同植物器官对生长素的敏感性不同，一般是根>芽>茎。任务2要求学生根据已有的实验数据和图像信息，自主思考并书写探究生长素类似物促进大蒜鳞茎生根的最适浓度的实验思路。教师提问：为什么高浓度下的生长素对植物的生长起抑制作用？并提供脯氨酸积累在逆境中对植物中有保护作用的资料。研究发现，渗透压胁迫下的拟南芥体内脯氨酸含量升高，但植株中生长素内向性运输载体AUX1和生长素极性运输载体PIN1、PIN2和PIN3蛋白的表达均减弱，进而导致生长素的正常流动受阻，从而打破拟南芥根部原有生长素浓度梯度的维持，最终表现为根部生长受抑制。

设计意图：教师借助图表数据，引导学生直观感受得出生长素的作用特点，强化学生读图、书写实验思路的能力，贴合新高考下对学生书面表达能力的要求;并引入资料，帮助学生理解“逆境下植物的生命活动受多个信息分子调节，其本质也是由多个基因共同调控完成的”。

2.4 以悟促改，达成信息观应用

教师引导学生思考：结合生长素两重性的作用特点，在农业生产上有哪些实际应用呢？学生举例说明，如顶端优势本质上是侧芽生长受到了生长素的抑制，棉花打顶能促进侧芽伸长，根据不同植物对生长素的敏感程度不同，可以采用适宜浓度的生长素喷洒植物去除双子叶杂草等。

此外，信息对生命系统的影响也是多方面的，学生可课后自主探究相关课题，如光照既可以引起植物弯曲生长，也可以影响植物种子的萌发（某些植物种子经特定波长的光照下才能萌发），以及温度等其他因素也可以作为信息分子调控动植物体的代谢活动。学生只有掌握信息的作用途徑，才能理解信息的意义。使信息为人所用，才是信息观培养的意义所在。

3 总结与展望

本节复习课以信息观为引领，深入挖掘植物生长过程中的信息调控分子，从个体、细胞到分子水平层层深入，分析基因、植物激素和单侧光等信息分子在调控各个生命系统下的作用，使学生在深入学习的过程中逐渐建立生命系统离不开信息传递的信息观，进一步形成“生命是物质、能力和信息的有机统一体”的生命观念。教师引导学生分析资料，针对性地训练学生获取、分析信息的能力，不仅能落实信息观，也能培养学生科学思维和科学探究的素养，是对核心素养多维度高效渗透的体现。

各层次下的生命系统均有信息调控，生命在信息调控下不断适应进化，形成了生物多样性。生命信息可通过基因工程、重组生物学技术在不同载体间进行转移，为将来人工生命的创造提供了良好前景。为进一步培养和发展学生的生命信息观，教师可以植物的生命历程为主题进行大单元设计，结合当下人工智能与人工生命热点研究，使信息观的渗透与培养更具整体性和系统性。

参考文献：

[1]张秀红.核心素养视域下的生物学观念：内涵、价值、内容体系及教学[J].课程·教材·教法，2017，37（9）： 91-97.

[2]张然娜.课标中生命系统的信息观[J].中学生物教学，2018， （4）： 67-68.

[3]王天祥.论在高中生物学教学中渗透信息观的意义和途径[J].课程·教材·教法，2021，（41）：117-122.

[4]潘瑞炽.植物生理学[M].北京：高等教育出版社，2015.

[5]张胜，秦磊.高中生物疑点通[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2018.

[6]王翠平，陈建伟，乔改霞.脯氨酸通过影响生长素途径相关信号抑制拟南芥根的生长[J].植物生理学报，2017，53（8）： 1428-1434.