高中生物“细胞的分子组成与结构”教学研究

专题讲座高中生物“细胞的分子组成与结构”教学研究张怡（北京市西城区教育研修学院，高级教师）各位老师大家好！今天我们讲座的主题是《高中生物“细胞的分子组成与结构”的教学研究》。第一部分“细胞的分子组成与结构”的知识结构及内容分析高中生物课程是根据《基础教育课程改革纲要（试行》和《普通高中课程改革方案》的精神和要求设计的。高中生物课程分为必修和选修两个部分。必修一模块是《分子与细胞》，此模块是学生学习必修二《遗传与进化》、必修三《稳态与环境》以及选修模块的基础。一、”细胞的分子组成与结构”的知识结构框架图“细胞的分子组成与结构”属于必修一《分子与细胞》中的内容，因此可以说这部分内容既是基础知识又是非常重要的内容。说明：本专题“细胞的分子组成与结构”的主要内容，一是了解组成细胞的有机物，即蛋白质、核酸、糖类、脂质的组成和功能，无机物包括水、无机盐等的作用，以及这些物质对于细胞生命的重要意义。二是要了解作为最基本生命系统的细胞，它的结构和功能，从而为研究细胞的生命活动奠定基础。二、”细胞的分子组成与结构”内容在学科知识体系中的地位及相互关系普通高中《生物课程标准》中对《分子与细胞》模块在高中生物课程中的价值是这样表述的：本模块有助于学生较深入地认识生命的物质基础和结构基础，理解生命活动中物质的变化、能量的转换和信息的传递；领悟观察、实验、比较、分析和综合等科学方法及其在科学研究过程中的应用；科学地理解生命的本质，形成辩证唯物主义自然观。邹承鲁院士在谈到研究生物大分子意义时说到：“阐明生命现象的规律，必须建立在阐明生物大分子结构的基础上”，翟中和院士对细胞结构的认识是：“我确信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”。因此可以说要研究细胞生命活动的规律，就必须了解生物大分子的结构和功能；而任何生物科学问题的解决都要在细胞层面去寻求解答。这也表明了“细胞的分子组成与结构”是整个高中生物学课程的学习的基础。三、对”细胞的分子组成与结构”内容学科知识的深入理解本主题的核心知识包括“组成细胞的分子”及“细胞的结构”两大部分，而这两部分又是不能分割的。要求我们教师在帮助学生构建高中生物学知识基础时，要把组成细胞的分子与细胞的结构联系起来。分析《生物课程标准》中对细胞的分子组成的要求，我们要让学生认识到组成细胞的化学元素，在无机自然界都能找到，没有一种元素为细胞所特有，例如细胞中含有的碳氢氧氮等元素在自然界无机环境中都存在；同时，细胞与非生物相比，各种元素的相对含量又大不相同，进而了解组成细胞的元素和化合物有哪些，例如地壳中含有碳0.087%，而在细胞中含有18%；构成细胞的化合物包括无机化合物和有机化合物两大类。无机化合物包括水和无机盐，有机化合物主要是糖类、脂质、蛋白质和脂质。构成细胞的主要有机化合物都有哪些呢，这是可以通过“检测生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质”的实验来了解的，在这个实验中应该让学生认识到同种生物组织中有机物含量的差异和不同种生物组织间有机物含量的差异。组成各种生物体的细胞不同，同一生物体内细胞又有多种类型，其成分也不尽相同。例如，构成植物体的细胞与构成动物体的细胞就有很大差别，而构成植物体的细胞又有多种，其中构成根的细胞与构成果实的细胞所含有的化合物又有很大差别。而分析蛋白质、核酸及糖类的结构，学生会发现生物大分子都是由基本单位构成的，在分子基本组成元素中碳是重要成分，由于碳原子的特点，使得它能够与其他原子以化学键的形式连接，承担起生物大分子的骨架作用，也使它成为重要的生命元素。《生物课程标准》中对细胞的结构的要求，是从分析细胞学说的建立开始让学生认识细胞的。既然细胞是最基本的生命系统，学习时就应从系统的边界——细胞膜系统的结构及功能入手，联系组成细胞的分子，分析细胞膜的分子组成及结构特点，认识到细胞膜具有“将细胞与外界环境分隔开，保障细胞内部环境稳定，控制物质进出细胞（选择透性），进行细胞之间的信息交流、识别等”功能。在认识系统内的成分——各种细胞器的结构和功能时，分别介绍线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、核糖体、溶酶体等细胞器的结构和功能，但是这里指要求学生从系统内部成分的角度认识，对于主要细胞器在细胞代谢中的功能放在具体生命活动中进行介绍，如线粒体和叶绿体分别在细胞呼吸和光合作用中进行学习。在系统的控制中心——细胞核的结构和功能学习中，着重让学生认识到，细胞具有一定的结构，它能够完成复杂的生命活动，原因是有细胞核的调控作用，细胞核能够承担细胞生命活动的调控作用依赖于遗传信息。当然遗传信息的传递及表达要在必修二进行学习，但是在本主题学习中要从细胞的分子组成——核酸，细胞代谢和遗传的控制中心——细胞核角度为必修二的学习奠定基础。细胞虽然小，但是从细胞的亚显微结构可以看出它的复杂性，它能够完成复杂的生命活动，原因是它在结构上直接或间接的联系着，在功能上相互协调统一，这样为学生理解“细胞是生命活动的基本结构和功能单位”打好基础。四、本主题的知识更新和拓展由于生物化学研究的深入人类对于组成细胞的分子认识比较清楚了，也就是解决了“有什么”的问题，但是对生物大分子间关系的研究还在不断探索中。1.国际人类蛋白质组计划，是继人类基因组计划之后的又一项大规模的国际性科技工程，是我国科学家第一次领衔国际重大科研协作计划。研究内容主要有两方面，一是结构蛋白质组学，二是功能蛋白质组学。其研究前沿大致分为三个方面：①针对有关基因组或转录组数据库的生物体或组织细胞，建立其蛋白质组或亚蛋白质组及其蛋白质组连锁群，即组成性蛋白质组学。②以重要生命过程或人类重大疾病为对象，进行重要生理病理体系或过程的局部蛋白质组或比较蛋白质组学。③通过多种先进技术研究蛋白质之间的相互作用，绘制某个体系的蛋白，即相互作用蛋白质组学，又称为“细胞图谱”蛋白质组学。此外，随着蛋白质组学研究的深入，又出现了一些新的研究方向，如亚细胞蛋白质组学、定量蛋白质组学等。蛋白质组学是系统生物学的重要研究方法.2003年4月，历时13年的“国际人类基因组计划”正式完成。但仅仅测绘出基因组序列，并非这一计划的最终目的，必须对其编码产物———蛋白质组进行系统深入的研究，才能真正实现基因诊断和基因治疗。人类蛋白质组研究成为继人类基因组计划之后生物科技发展的重要课题。2003年12月15日，由青年科学家贺福初院士牵头的“人类肝脏蛋白质计划”是国际人类蛋白质组组织目前启动的两项重大国际合作行动之一，目前已有16个国家和地区的八十余个实验室报名参加。由于中国在蛋白质研究方面的雄厚实力，因而成为“人类肝脏蛋白质组计划”（HLPP）的牵头国。这是我国领导的第一项重大国际合作计划，也是第一个人类组织／器官的蛋白组计划。肝病是一种几乎肆虐了大半个地球的人类公敌。目前，全球仍以每年新增肝炎病患者约5000万人的速度递增。我国和大多数亚洲国家一样是个肝脏病多发国，有超过1亿人患肝病，是肝病多发的国家之一，每年死于肝病的人有数十万之多，乙型肝炎病毒携带者占人口的比例相当高。全国一年所花费的防治经费高达1千亿元以上，数额巨大。人类肝脏蛋白质组计划的实施，将极大的提高肝病的治疗和预防水平，降低医疗费用，同时，将使我国在肝炎、肝癌为代表的重大感病的诊断、防治与新药研制领域取得突破性进展，并不断提高我国生物医药产业的创新能力和国际竞争力。2．细胞学说及人类对细胞研究的追求。从细胞学说的建立过程可以看出细胞学说也是随着科学技术的发展在不断完善中。虽然十九世纪四十年代，苏联女学者勒柏辛斯卡娅宣布她创立了新细胞学说，并于1945年出版了《细胞起源于生活物质以及生活物质在有机体中的作用》一书，称她研究鲟鱼的卵细胞的发育过程，发现它们在发育过程中经历过无细胞核的阶段，而无核的卵细胞会发展成为有核的卵细胞。这是与细胞学说及科学研究成果相违背的，由于缺乏实验证据及不可重复性而成为伪科学。就细胞学的基本内容看没有本质的改变，细胞学成为与人类生活最为密切的生命科学，就像科学家所说的：一切生命问题都要到细胞中找答案。2010年5月20日，美国科学家宣布世界首例人造生命———完全由人造基因控制的单细胞细菌诞生，并将它命名为“人造儿”。这项具有里程碑意义的实验表明，新的生命体可以在实验室里“被创造”，而不是一定要通过“进化”来完成。科学家们首先选取一种名为丝状支原体的细菌，对其基因组进行解码并复制，产生人造的合成基因组。然后，将人造基因组移植入另一种称为山羊支原体的细菌，通过分裂和增生，细菌内部的细胞逐渐为人造基因所控制，最终成为一种全新的生命。在培养皿中，合成细菌的分裂等行为就像天然细菌一样。其实人类对“人造细胞”一直充满渴望，科学家从二十世纪中就开始了研究，即使到了二十一世纪我们仍然不能说人类能够制造细胞了，从美国科学家公布的研究成果看，只能说人类在自然存在的细胞基础上进行了“组装”，离真正的人造细胞还相差很远。同时也有科学家反对人造细胞或人造生命的研究，因为现存生物都是经过自然进化而来的，人类的过分干预会打破自然进化的秩序，产生和后果不能预计。因此说研究细胞的结构和功能，应该在尊重自然规律的基础上进行，我们教学中也要向学生传递这样的观念。第二部分“细胞的分子组成与结构”的教学策略的研究一、《课标》中的有关“细胞的分子组成与结构”的内容标准（一）组成细胞的分子具体内容标准活动建议1.概述蛋白质的结构和功能。2.简述核酸的结构和功能。3.概述糖类的种类和作用。4.举例说出脂质的种类和作用。5.说明生物大分子以碳链为骨架。6.说出水和无机盐的作用。观察DNA、RNA在细胞中的分布。检测生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质可以看出课标中对“组成细胞的分子”的要求是比较高的，对于蛋白质的结构和功能、糖类的种类和作用、生物大分子以碳链为骨架都是理解水平；核酸的结构和功能、脂质的种类和作用、水和无机盐的作用都是了解水平。具体内容标准活动建议分析细胞学说建立的过程。简述细胞膜系统的结构和功能。举例说出几种细胞器的结构和功能。阐明细胞核的结构和功能。尝试建立真核细胞的模型。有条件的学校可以参观电子显微镜实验室。观察线粒体和叶绿体。（二）细胞的结构课标中对细胞学说建立的过程、细胞核的结构和功能是理解水平；细胞膜系统的结构和功能、几种细胞器的结构和功能是了解水平。建立真核细胞的模型是技能模仿水平的要求。（三）科学探究能力的要求《普通高中生物课程标准（实验）》在课程的具体目标中，对学生发展科学探究能力提出了11条“初步学会”的要求，在本主题教学中应特别注意达成的能力目标应该包括：（1）客观地观察和描述生物现象；（2）通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题；（3）分析问题，阐明与研究该问题相关的知识；（4）确认变量；（5）作出假设和预期；（6）设计可行的实验方案；（7）实施实验方案，收集证据。这7条要求都明确、具体，是可操作，可检测的。我们应该在教学中突出生物学科实验科学的特点，创造条件让学生通过实验获得知识、提升能力。“尝试检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质，对比同种生物组织中有机物含量的差异和不同种生物组织间有机物含量的差异。制作临时装片，使用显微镜观察几种细胞，比较不同细胞间的异同。尝试建立真核细胞的模型。”等实验都是能够完成的内容。二．依据《课标》制定《细胞的分子组成与结构》的教学目标生物课程标准是教学的依据，因此教学研究中教师要把握课标对“细胞的分子组成与结构”的要求，并制定出知识、能力及情感态度价值观三维目标，使教学成为“有源之水”。学习内容知识目标能力目标情感态度与价值观目标蛋白质的结构和功能。1.说出蛋白质的元素组成及基本单位；2．概述蛋白质的结构和功能。尝试检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质，对比不同种生物组织间有蛋白质含量的差异。1.参加相关实验，观察实验现象，认同生命的物质性。2.联系生活实际，探讨组成细胞分子的重要作用。核酸的结构和功能。1.说出蛋核酸的元素组成及基本单位；2.简述核酸的结构和功能。制作人的口腔上皮细胞装片，观察DNA、RNA在细胞中的分布。糖类的种类和作用。1．列出糖类的组成