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当期目录

    生物科学综述
    线粒体遗传系统与线粒体疾病概述
    范艳艳, 吴姣榕, 肖义军
    2018, 43(1):  2-3. 
    摘要 ( 195 )  
    相关文章 | 多维度评价
    线粒体是真核细胞内的重要细胞器,不仅可为细胞提供能量,也与胞内许多重要生命活动密切相关,其功能异常会导致多种疾病。本文概述线粒体遗传系统以及线粒体疾病的发生机制、常见种类和治疗策略。 
    正文:
    线粒体是真核细胞的重要细胞器,它不仅为细胞提供能量,也与细胞凋亡、细胞衰老、信号转导、细胞氧化还原电位的调节、细胞电解质平衡等生命活动密切相关。因此,一旦线粒体出现功能性障碍,就可能导致机体发生疾病。医学上把线粒体功能障碍引起的疾病称为线粒体疾病,线粒体疾病大多由线粒体DNA突变引起[1]。 
    1 线粒体的遗传系统 
    线粒体是一种半自主细胞器,具有自身的遗传物质线粒体DNA(mtDNA)和蛋白质合成系统,它既受到自身DNA调控,也受核DNA的调控。细胞中mtDNA来源于卵子,遗传方式严格遵循母系遗传。受精时当精子与卵子融合,卵子能通过泛素水解酶降解精子线粒体,若遗留未被降解的精子线粒体,胚胎在胚泡期即死亡。 
    与核基因组不同,mtDNA以多拷贝形式存在于线粒体和细胞中。mtDNA的突变可发生在大量不同的mtDNA分子上,突变体突变含量可在0%~100%之间,其突变在细胞中随机分配,不遵循孟德尔定律[2]。一个卵母细胞中约有15万个mtDNA分子,卵子发生过程中只有部分mtDNA进入初级卵母细胞中,受精卵经过卵裂和胚胎发育,最终仅有几个拷贝的mtDNA分子进入新生儿的组织细胞中。因此,同一母系家族成员间的疾病表型,或者同一患者组织间的突变负荷(发生突变的mtDNA与全体mtDNA的比值)常常会大不相同。体细胞每经历一次有丝分裂,mtDNA又会随着线粒体一起被随机分配到子代细胞中,因此组织中mtDNA的突变负荷会随组织细胞分裂而变化。也就是说,同一患者的疾病表型也能随时间推移而表现出变异[3]。 
    2 线粒体疾病的发生机制、常见种类和治疗策略 
    2.1 线粒体疾病的发生机制 目前已确定的在线粒体中发挥功能的蛋白质有近900种。据推测,线粒体的生命活动需要的蛋白质多达1000~2000种,人类线粒体自身基因组只编码其中13种蛋白质,约相当于线粒体生命活动总蛋白质的1%不到。线粒体中很多功能蛋白是由线粒体基因组和核基因组编码的亚基共同组成的,如果编码这些蛋白质的基因发生突变,蛋白质的功能就有可能受到影响甚至丧失,导致线粒体功能障碍[1]。目前已知的线粒体疾病绝大多数来源于线粒体基因编码蛋白质的缺失或缺陷,可见mtDNA发生突变的频率远高于细胞核DNA。其原因是线粒体呼吸链产生的氧自由基积累会导致mtDNA的损伤和突变: 机体95%以上的氧自由基来自于线粒体,正常情况下氧自由基被线粒体中的超氧化物歧化酶清除,当机体衰老或出现退行性病变时超氧化物歧化酶活性降低,导致线粒体中氧自由基积累,同时由于缺乏组蛋白保护并且没有完整的突变修复功能,使得mtDNA的突变率非常高[1]。mtDNA突变与表型之间的关系复杂,同一mtDNA突变可以引发不同的疾病表型,同一疾病表型也可以由不同的突变引起。 
    一个细胞中有多个线粒体,每个线粒体的突变位点都有可能不同,因此线粒体中的DNA存在异质性。组织器官发生异常病变往往是突变负荷超过一定阈值后,野生型mtDNA的数量难以维持呼吸链的功能造成的。突变负荷的高低决定了大多数线粒体疾病的发生与临床表型[3],由于人体不同组织器官对能量供应的需求不同,故不同组织器官发病的突变负荷也不同。细胞代谢水平的旺盛程度与细胞内线粒体含量成正比例关系。能量需求越高的部位对mtDNA的突变越敏感,如心脏、骨骼肌、大脑等器官,较低的突变负荷便能够引起临床症状。 
    2.2 线粒体疾病的常见种类 目前已发现,线粒体功能异常与100多种人类疾病密切相关。线粒体疾病的好发部位有神经系统、胃肠道系统、呼吸系统、心脏、内分泌腺、眼睛、肾脏及肝脏等。由于mtDNA突变致病的分子机制还没有被完全阐明,突变与疾病表型之间的确切关系至今仍有很多不明确的地方。以下列举一些常见的线粒体疾病。 
    2.2.1 Leber氏遗传性视神经病变 Leber氏遗传性视神经病变(Leber′s hereditary opticneuropathy, LHON)是第一个被鉴定出与mtDNA点突变有关的母系遗传疾病,该病患者以视力衰退为主要临床特征,青少年失明多与LHON相关。世界各地已发现60多个mtDNA突变与LHON发病密切相关,且绝大多数LHON患者只携带该病3个mtDNA原发突变中的1个[4]。 
    2.2.2 肿瘤 癌细胞产生ATP的途径并非有氧呼吸而是糖酵解。癌细胞代谢方式的不同导致了线粒体代谢方式的改变,从而帮助癌细胞逃脱凋亡[5]。大量研究表明,多种恶性肿瘤细胞出现了线粒体突变,即线粒体的结构功能、代谢水平、mtDNA序列与正常细胞相比都呈现差异。Ohta[6]将含有突变型mtDNA的转线粒体杂交瘤细胞植入小鼠体内,发现突变型mtDNA使肿瘤迅速生长。结肠癌是首次发现与mtDNA点突变相关的疾病,随后研究发现肺癌、膀胱癌等也与mtDNA的突变有关。 
    2.2.3 阿兹海默病 阿兹海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种神经退行性疾病,65周岁以上的老人是该疾病的高发人群。在AD发病初期,线粒体功能发生紊乱,线粒体的分裂与融合均有所改变。同时溶酶体的功能也有所减弱,导致线粒体自噬水平降低。患者线粒体中多种酶活性降低,活性氧增多,造成氧化应激(氧化还原反应失调)和代谢损伤。β-淀粉样蛋白与线粒体相互作用导致线粒体损伤被认为是发病的可能机制: 该蛋白损害葡萄糖等营养物质的传送,使突触末端线粒体功能失常,是患者认知能力下降的直接原因[5];此外mtDNA的缺失还导致神经细胞中钙离子稳态被破坏,线粒体摄取多余的钙离子,最终诱导线粒体凋亡。因此,调节钙离子浓度是治疗阿兹海默病的策略之一。 
    2.2.4 癫痫 线粒体疾病患者中,癫痫的发生极为普遍。线粒体脑病中,癫痫是当前或晚发症状之一。线粒体疾病典型症状之一是血液中堆积乳酸导致酸中毒。乳酸中毒伴卒中样发作(MELAS综合征)是癫痫中的一种,与MELAS综合征相关的mtDNA点突变超过了20种。此外,已经发现肌阵挛性癫痫与破损性红肌纤维病(MERRF)的发病个体为mtDNA异质性,发病程度与mtDNA突变量相关联[3]。 
    2.2.5 心力衰竭 心力衰竭是心脏搏出的血液不能够供给静脉回流及身体组织代谢需要而导致的疾病,其发病率及死亡率很高。线粒体功能异常是心力衰竭的病因之一,无论是线粒体DNA突变还是常染色体遗传导致的线粒体疾病,几乎都会伴随心肌病的发生,而大片段的mtDNA发生突变或缺失则会导致心脏传导功能的异常[7]。 
    2.3 线粒体疾病的治疗策略 对于线粒体疾病,目前临床上一般采用药物或支持性疗法来缓解症状,如补充维生素、抗氧化剂,改善营养,治疗癫痫发作,调节血乳酸水平等。这些治标的方法在一定程度上可以缓解患者痛苦。 
    不过,线粒体疾病治疗的目的在于恢复线粒体的正常功能,因此基因疗法可能是最根本的解决方法,即利用基因工程技术,将正常mtDNA基因移植到病人细胞内来取代或者矫正病人的突变基因,达到根治mtDNA疾病的目的。主要的策略有: ①降低突变异质性程度。例如,Srivastava等[8]通过向人线粒体输入专一性限制性内切酶来选择性降解突变mtDNA分子。②替换突变型mtDNA。例如,利用原核转移技术,将携带mtDNA突变的受精卵体外除去胞质,然后将细胞核转移到一个含有野生型mtDNA的无核卵细胞,并将其植入母体子宫。 
    此外低氧治疗可能对线粒体疾病有所帮助,致死性线粒体疾病可在低氧环境下得到缓解。在患有线粒体疾病的模型小鼠实验中,低氧条件下的小鼠生存时间比正常条件下的小鼠多6个月以上[9]。原因可能是缺氧环境在抑制ATP产生的同时,减弱了自由基的产生,是线粒体疾病治疗的另一个新方向。 
    目前对于线粒体疾病的研究日益增多,以线粒体为靶点的药物分子设计是研究热点之一。此外,通过促进线粒体自噬来清除受损线粒体,维持正常线粒体数量,保证线粒体功能的稳定也是线粒体疾病治疗研究的重要方向。 
    (基金项目:教育部人文社会科学研究规划基金项目基于“能力要求”的新课程高考理综卷命题研究,No.12YJA880152;*通信作者) 
    主要参考文献 
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    [3] 陈刚,杜卫东,曹慧敏. 2007. 线粒体DNA 突变与相关人类疾病. 遗传,29( 11) : 1299 ~ 1308 
    [4] 卓越,周玲娜,滕丽莎,等. 2016. 线粒体单体型与线粒体相关的人类疾病. 生物化学与生物物理进展,43 ( 11) : 1070 ~1075 
    [5] 潘凌立,潘达,雷克林. 2016. 线粒体与线粒体疾病. 生物医学工程与临床,20( 3) : 328 ~ 333 
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    蟾酥的有效成分及药理作用概述
    林植云, 蓝天, 沈子悦, 丁国骅
    2018, 43(1):  4-5. 
    摘要 ( 1164 )  
    相关文章 | 多维度评价

    蟾酥作为中国传统动物源中药材,化学成分复杂,且具有强心、升压、镇痛及抗肿瘤等多种药理活性。本文概述了蟾酥的有效成分及药理作用。

    正文:

    蟾酥(bufonis venenum)是两栖纲无尾目蟾蜍科动物体表腺体的分泌物经干燥处理后的固体成品。传统中医将其用于治疗小儿疳疾、脑疳、背部疔疮及肿毒。据中国药典2015版记载,蟾酥性辛、温,有毒,归心经,是传统中医及现代医学一种重要的动物源中药材[1]。其药源动物主要有黑眶蟾蜍和中华蟾蜍两种。蟾酥化学成分复杂,现代药理和临床应用表明它具有强心、升压、镇痛及抗肿瘤等多种药理活性[2~3]。本文概述蟾酥有效成分及其药理作用。

    1 有效成分

    蟾酥是一种动物毒素,所含化学成分复杂。根据近代医学分析,蟾酥的主要成分为多肽,包括神经肽和激素,有毒,具有麻醉、对抗微生物等活性。根据蟾酥中化合物的溶解性,可将蟾酥的有效成分划分为脂溶性、水溶性与其他成分。

    1.1 脂溶性成分 主要为蟾毒配基类化合物,占蟾酥有效物质20%左右,包括脂蟾毒配基类、华蟾毒配基类以及蟾毒灵类等,其中以蟾毒灵和华蟾蜍毒配基为代表的蟾毒配基类化合物被认为是蟾酥抗肿瘤作用的主要活性物质[4]。

    1.2 水溶性成分 主要为蟾毒色胺类化合物,属于生物碱类化合物[5]。其中五羟色胺、N-甲基五羟色胺、N,N-二甲基五羟色胺、N,N,N-三甲基五羟色胺以及蟾蜍噻咛五种吲哚生物碱为主要有效成分。

    1.3 其他成分 包括吗啡、肾上腺素、甾醇、二烯内酯、胆甾醇等[5]。其中蟾蜍二烯内酯为强心苷类化合物,是目前公认的蟾酥中的主要强心活性成分。

    2 药理作用

    蟾酥药理活性强、临床应用广泛、疗效显著。蟾酥具有强心、升压、麻醉、解毒、镇痛、抗菌、增强免疫以及抗肿瘤等多种药理活性,尤其在强心、麻醉止痛和抗肿瘤等方面具有极佳的疗效[6]。同时,蟾酥也具较大的毒性,其中毒的表现主要为上消化道炎症、抽搐和呼吸停止先于心跳等[7]。蟾酥被用于多种临床用中药成方制剂中,用于治疗心肌缺血引起的胸闷、心绞痛及心肌梗死等疾病[8]。

    2.1 强心作用 蟾酥的强心作用表现为促进心肌的收缩和舒张峰的同时增大,在一定阈值内低浓度蟾酥使心肌收缩力加大,并使心肌细胞内Na+浓度增高,从而使Ca2+通过Na+—Ca2+交换通道进入心肌细胞,继而使血压上升,这是蟾酥药用以强心的基础[9]。蟾酥强心成分中,华蟾毒配基作用较强,其次为蟾毒灵和华蟾毒灵[9]。

    2.2 升压和降压作用 不同剂量的蟾酥对血压具有双向作用。小剂量蟾酥可增强离体蟾蜍心脏的收缩力,大剂量则使麻醉猫、犬、兔、蛙心跳变慢。蟾酥中具有蟾毒配基等升高血压作用的物质,同时其水溶性成分又具有降血压作用[10]。

    2.3 对神经系统的作用 蟾酥能直接抑制神经纤维动作电位的形成和传导,产生神经阻滞的麻醉作用。其调节作用呈现先增强后抑制的趋势,在短时间内可以增强神经元兴奋性,长时间作用反而抑制神经元兴奋性[11]。

    2.4 毒性 蟾酥主要对心脏有毒性作用,中毒症状主要出现在用药后30~60min。董文波等[12]的研究结果表明,蟾酥制剂对体外培养的人牙髓细胞也有较大的毒性。

    2.5 麻醉作用 蟾酥内的局麻作用成分仅对组织表面的神经末梢感受器有较强的特异作用。蟾酥的有效成分华蟾毒配基能够阻滞背根节Na+通道,延缓其启动过程,并减缓电流的失活后恢复,从而起到麻醉和镇痛的作用[13]。

    2.6 抗菌作用 蟾酥的体外抗菌效果表明,醇提蟾酥成分具有一定的抗菌活性,联合其他抗生素使用可以有效降低抗生素的最小抑菌浓度[7]。马宏跃等[14]的研究表明,蟾酥具有显著抗链球菌感染活性,为阐释蟾酥的传统功效和活性物质基础提供了药理学依据。

    2.7 抗肿瘤作用 蟾酥提取物可使肿瘤细胞的核膜皱缩、断裂,线粒体出现肿胀和空泡样改变,故对肿瘤细胞有直接杀伤作用。华蟾酥毒基不但可抑制肿瘤细胞生长,还具有诱导肿瘤细胞凋亡的作用。蟾毒灵可以通过多种途径促进肿瘤细胞发生分化和凋亡。

    3 蟾酥活性成分的提取

    近年来随着对蟾酥有效成分的不断深入研究,建立起了多种蟾酥有效成分的提取方法。不同提取方法和溶剂选择对蟾酥有效成分提取存在明显影响,研究与优化蟾酥提取条件对于蟾酥鉴定与成分分析研究具有重要意义。

    3. 1 提取方法蟾酥有效成分的提取主要包括无水乙醇等有机溶剂的回流提取法及以有机溶剂为介质的超声提取法等。袁旭江等[15]通过考察回流提取法和超声波提取法对蟾酥中中华蟾酥毒基和脂蟾毒配基成分的差异,发现回流提取法得到的有效物质多于超声波提取法。

    3. 2 提取溶剂常见的提取溶剂有乙醇、乙醚、乙酸乙酯、三氯甲烷、水、吡啶、乙酸等,其中采用乙醇作为提取溶剂较为普遍。刘冬等[16]用80%乙醇、90%乙醇及无水乙醇提取蟾酥,结果显示这3 种方法分别对蟾毒灵、华蟾酥毒基及酯蟾毒配基具有较高的得率。

    4 结语

    蟾酥所具有独特药理活性,已经在现代医学中被不断开发,特别是其抗肿瘤的重要特性。蟾酥在抗肿瘤、免疫调节及其他方面的药理作用在临床应用中受到了越来越广泛的关注,深入研究蟾酥有效成分的提取和分离以及相应制剂的临床研究,将会使蟾酥这一天然动物药材资源得到充分开发利用,造福于民。

    主要参考文献

    [1] 国家药典委员会. 2010. 中华人民共和国药典( 1 部) . 北京: 中国医药科技出版社,360

    [2] 张加梅. 2008. 蟾酥抗癌作用研究进展. 齐鲁药事,27 ( 7 ) :417 ~ 418

    [3] 薛开先. 1974. 关于蟾酥的实验研究与临床应用的综述. 新医药学杂志,( 1) : 39 ~ 44

    [4] 刘俊珊,张冬梅,栗原博,等. 2009. 蟾酥及其活性成分抗肿瘤作用研究进展. 国际药学研究杂志,36( 2) : 115 ~ 120

    [5] 赵大洲,陈继永,秦勇,等. 2006. 中华大蟾蜍蟾酥与蟾皮化学成分的比较分析. 天津药学,18( 4) : 21 ~ 24

    [6] 李兴平,雷铃,胡竞一. 2012. 蟾酥的急性毒性和丹羚心舒胶囊急性毒性研究. 中药药理与临床,28( 6) : 127 ~ 129

    [7] 吴盛海,方翔,徐丽慧. 2010. 蟾酥体外抑菌活性的实验研究. 中华中医药学刊,28( 9) : 1883 ~ 1885

    [8] 翟金晓,刘伟. 2015. 蟾酥毒理学及检测方法研究进展. 中国司法鉴定,79( 2) : 80 ~ 85

    [9] 巩丽丽,李景香,张会敏. 2007. 蟾酥药理作用及制剂工艺的研究进展. 食品与药品,9( 10) : 51 ~ 53

    [10] 钱伟平. 2001. 蟾酥对实验动物循环系统毒副作用的研究. 浙江医药大学学报,25( 12) : 46 ~ 47

    [11] 秦姿凡,王保和. 2014. 中药蟾酥的研究进展概况. 中国药物评价,31( 5) : 306 ~ 309

    [12] 董文波,吴补领. 2004. 蟾酥制剂对人牙髓细胞的细胞毒性研究. 牙体牙髓牙周病学杂志,14( 9) : 503 ~ 504

    [13] 巩丽丽,李景香,张会敏. 2007. 蟾酥药理作用及制剂工艺的研究进展. 食品与药品,9( 10) : 51 ~ 53

    [14] 马宏跃,寇俊萍,余伯阳. 2009. 蟾酥抗链球菌感染的活性物质基础研究. 中药药理与临床. 25( 4) : 47 ~ 50

    [15] 袁旭江,沈嘉茵,朱盛山. 2008. 不同提取方法对蟾酥有效成分的影响. 上海中医药大学学报,22( 5) : 66 ~ 67

    [16] 刘冬,杜守颖,何秀峰,等. 2011. 蟾酥中3 种脂溶性有效成分提取工艺及含量测定方法. 中国实验方剂学杂志,17 ( 3) :69 ~ 72?

    (基金项目:丽水市高层次人才项目,No. 2015RC26; 第一作者现在浙江省缙云县仙都中学工作; * 通信作者)




    现代教育论坛
    高考改革背景下的浙江省高中生物学教学现状调查
    周初霞
    2018, 43(1):  5-8. 
    摘要 ( 175 )  
    相关文章 | 多维度评价
    本文对浙江省“7选3”高考改革背景下,学生选考生物学情况、学校生物学课程设置情况和生物学教师工作量等现状进行抽样调查和分析,就生物学教师配备、课程设置与方案建设,以及学科组建设等提出建议。
    正文:
    实施本轮高考改革之前,浙江省普通高中生物学在高二开始开设,理综300分中生物为80分,主要考查3个必修模块的生物学内容。2014年进入“7选3”高考改革后,高中生物学教学内容与物理和化学一样都为5个模块。根据《浙江省普通高校招生选考科目考试实施办法》,生物学被列为浙江省考生“7选3”选考科目之一,以“必考题70分+加试题30分”卷面得分为依据,按最接近的累计比例划定等级赋分,考试一年安排两次,分别在4月和10月进行。考生可参加2次考试,并自主选用考试成绩。新课改将课程设置权还给了学校,浙江省不再有统一课表,学校可根据本校学生实际安排课程,突出个性发展的“一生一课表”成为可能。
    为了全面了解浙江省各地、市普通高中学生选课情况、学校课程设置情况以及教师工作量等教学的现状,对全省各地市普通高中学校进行抽样问卷调查。期望通过调查研究高中生物学教学的现状,为普通高中生物学科课程的设置、生物学科组的建设和教师教学素养的提升提供建议。
    与优化蟾酥提取条件对于蟾酥鉴定与成分分析研究具有重要意义。
    3.1 提取方法 蟾酥有效成分的提取主要包括无水乙醇等有机溶剂的回流提取法及以有机溶剂为介质的超声提取法等。袁旭江等[15]通过考察回流提取法和超声波提取法对蟾酥中中华蟾酥毒基和脂蟾毒配基成分的差异,发现回流提取法得到的有效物质多于超声波提取法。
    3.2 提取溶剂 常见的提取溶剂有乙醇、乙醚、乙酸乙酯、三氯甲烷、水、吡啶、乙酸等,其中采用乙醇作为提取溶剂较为普遍。刘冬等[16]用80%乙醇、90%乙醇及无水乙醇提取蟾酥,结果显示这3种方法分别对蟾毒灵、华蟾酥毒基及酯蟾毒配基具有较高的得率。
    1 调查概况
    本次调研采用抽样问卷调查法进行,通过各地市生物学科教研员落实,每个地市至少选择10所不同地域(城、镇)、不同层次(第一、第二批特色学校和非特色学校)的普通高中进行取样调查。共回收了11个地市140所学校的问卷,其中108所学校的问卷有效。有效问卷的学校数在各地市分布见表1。本文基于对样本学校的有效问卷进行统计,详实分析了我省高中生物学教学的实际情况。
    表1 有效问卷的学校数在各地市分布情况

    2 调查内容及分析
    本次调查主要围绕学生选考理、化、生科目情况,学校生物学课程设置情况和生物学教师工作量情况来设计问卷,展开调查。
    2.1 学生选考生物学科情况 样本学校中被调查的2017届学生总数为67691人,2018届学生总数为68685人,选考物、化、生三科的人数百分比统计见表2。

    表2 2017届和2018届学生选考物理、化学和生物的人数统计

    (备注: 浙江省考试院公布的2017届考生实际选考统计为生物50.1%、化学50%、物理35.8%)
    从表2可知,全省2017届学生选考生物(50.14%)和化学(50.06%)的人数基本相当,而物理(36.63%)相对要少得多。2018届与2017届比较,选考物理的学生下降4.8%,化学和生物略为下降,由此推测,选考政、史、地和技术的学生有增加的趋势。
    各地、市之间比较,选考不同科目的学生人数存在比较大的差异。就生物学科而言,2017届学生,金华、台州和温州市远远高于全省平均值,而嘉兴市只有37.15%,远远低于全省平均值。但嘉兴市2018级学生与2017级比较,选考生物学的人数却增加了10.04%。分析其原因主要是嘉兴市被调查的样本学校在2017级高一没有开设生物学科,学生初中学习的是科学,对生物学没有感性认识,不敢盲目选择,而2018级大多学校已从高一开始开设生物学。
    总的趋势来分析,学生选考生物学科的人数在“7选3”中处于领先地位,虽然不同届会略有波动,但随着课程改革的进一步深入,会逐渐趋向动态平衡,这对全省高中生物学教学是非常有利的。
    2.2 学校生物学课程设置情况 2018届学生各地市学校高中三年生物学科每周课时数安排见表3。

    表3 各地市高中三年每个学期生物学科平均每周课时数(节)

    生物学科全省平均每周课时数高一上学期仅为0.9节,高一下学期为1.4节,说明生物学科高一开设情况非常不理想。进一步调查各地市高一上或高一下学期开设生物学科的学校数见表4。

    表4 各地市高一上或高一下学期开设生物学科的学校数(所)

    分析表4可知,在被调查的108所样本学校中,高一上学期开设生物的学校共45所,占总数的42%;高一下学期开设生物的学校共80所,占总数的74%。这说明有26%的学校进入高二上学期才开设生物学科。高一年段生物的开设情况不理想的原因是多方面的,一是学校管理者对课程设置还是停留在原来理科综合的思维定势中,没有认识到选考生物要求考查5个模块的教学内容,与物理和化学有同等教学量;二是生物学科教师原来配置的只有高二和高三年段的,高一缺少生物学教师等。高一不开设生物学科不利于生物学教学,特别是有的学校高二集中开课,周课时达到5节或6节,学生一周的学习量过大,对所学知识会“消化”不良,影响“吸收”效率。为了赶进度,教师往往不遵循“循序渐进”的教学原则,将教学深度和难度一步到位。这种“蜻蜓点水”式的教学,容易使学生吃“夹生饭”,也造成学生过重的学习负担。有的学生选择高三的10月进行第一次选考时,普遍反映匆匆忙忙完成5个模块的新课学习内容,而没有系统复习的时间,从而影响选考成绩的正常发挥。
    2.3 生物学教师工作量情况 进入新课程改革后,学校原有生物学教师数量与生物学科教学工作量之间出现不匹配,生物学教师普通反映工作量较大,为此进行了各地市物理、化学和生物学教师每周平均工作量的问卷调查,统计结果见表5。

    表5 各地市物理、化学和生物学科教师每周平均工作量(节)

    从表5分析,物理、化学和生物学教师的全省平均工作量均没有超过浙江省教师工作量每周12节的要求。物理和化学教师的周平均工作量还低于正常要求,原因是学校原有的物理和化学教师比生物教师配备得多,而实施选课后,选择生物学科为选考科目的学生数与化学基本相当,而远远高于物理,所以生物学教师相对而言紧缺了些,反之物理教师反而偏多了。另据调查,有的学校的物理教师已改行任教技术学科。
    统计108所样本学校,共有43所学校的生物学教师每周平均工作量超过12节,即39.81%的学校生物学教师师资不足,存在工作量大的现象。其次,在周课时不超过12节的学校中,选考生物的学生与生物学教师人数之间的比例来看,即生师比往往偏高,学校常常采用扩大学生班额数的方法来解决生物学教师短缺的问题,这使得生物学教师管理的总学生数远远超过物理和化学学科,特别是批改作业和管理学生等方面的工作量加大。再次,4月或10月选考后,生物学教师马上被调整到高一任教,而物理和化学教师却可以休息调整,这使得生物学教师在心理上觉得更为辛苦。
    3 对生物学教学的反思和建议
    基于“7选3”的考试模式,目前学生选择生物为选考学科在浙江省处于领先地位,说明学生喜欢生物学,也从一定程度上反映出我省高中生物学教学的水平较高。因为学生往往会选择学校的优势学科作为自己的选考科目,这也赋予生物学教师更大的压力和责任。但是仍有部分学校生物学课程设置不合理,部分学校存在生物学教师工作量过大的情况,生物学教学没有得到应有的重视。建议从以下几个方面来进一步发展我省生物学科建设和学科教学。
    3.1 按需配比生物学教师,合理规划3年教学设置 教育行政部门和学校领导要根据学校的实际情况按需配比生物学科的师资力量,不能让生物学教师一直打“疲劳战”。学校要根据本校学生实际安排课程,全面选课走班教学,真正落实突出个性发展的“一生一课表”。根据高中生物学5个模块的教学任务,每个模块新授课时间36课时(按每节课45分钟计算),确保周课时数,合理开设好生物课。在高一上学期(10月后)开始每周开设2~3节生物课,或者高一下学期(4月后)每周开设3节生物课,高二每周开3~4节,这样比较合理。若高一不开或每周仅开设1节生物课,或者从高二每周5或6节集中开设,这从教学规律来看都不利于学生的学习,也会变相增加学生的学习负担。
    3.2 加强学科课程方案建设 学科组要围绕生物学核心素养的理念,依据浙江省普通高中生物学科选修课程框架[1]分层分类建构校本课程体系。学校课程体系建设要遵循适应性原则,根据学校的师资、办学条件、社会资源、环境资源,建构适合学校特色的课程体系[2]。有条件的学校甚至可探索必修课程的校本化研发,基于生物学核心素养的落实,根据生物学知识的内在逻辑关系,打破模块的限制,将必修和选修课程进行整合,开设适合学生学习的校本生物学课程。
    从而使学校学科特色更加鲜明,真正体现多样化,满足学生“选择性”的教育需求。
    3. 3 加强生物学科组建设由于选课走班教学,打破了原先的行政班,甚至会打破年级制,取而代之的是教学班。这样的教学环境下,学校更要加强学科组的建设。生物学科组教师要精诚团结,发挥每一个教师的特长,共同进取。学科组要有计划地、扎实地开展主题式校本教研,潜心研究生物学核心素养,提升教师自身的课程开发能力、教学研究能力和学科教学能力。思考学科思想和核心概念从而促进教师专业发展。传递学科思想和核心概念需要教师整体备课,思考学科知识的教育价值[3]。
    ( 致谢: 感谢浙江省各地市生物教研员和样本学校的生物学科教师对问卷调查给予的支持)
    主要参考文献
    [1] 周初霞. 2015. 普通高中生物学科选修课程建设案例. 杭州: 浙江省教育出版社,1 ~ 4
    [2] 杨志成. 2016. 论学校课程整合与课程体系建构的一般逻辑.课程·教材·教法,( 8) : 55 ~ 59
    [3] 安军. 2017. 围绕生物学科思想和核心概念的教学. 课程·教材·教法,( 4) : 80 ~ 86

     

    课程标准与教材
    中国近代中学生物学教科书的知识体系评介
    付雷
    2018, 43(1):  8-11. 
    摘要 ( 179 )  
    相关文章 | 多维度评价

    中国近代中学生物学教科书中知识的排列主要有系统排列法、共存体排列法、季节排列法、难易排列法等。从晚清到民国中期,中学植物学教科书打破了原来分立的形态、解剖、生理、分类体系,对于植物的应用、生态、遗传也都开始重视起来;中学动物学教科书则始终将动物类群作为主要内容,逐渐强化了对于动物与人类关系的介绍;高中生物学教科书是在壬戌学制之后出现的,其知识体系凸显了生物的一般特征。在与教科书知识体系相关的各种因素中,课程标准的影响最大。

    正文:

    1 生物学知识的排列

    对于中学生物学教科书中知识的排列,近代主要有系统排列法、共存体排列法、季节排列法、难易的排列法等多种: ①系统排列法,先介绍具体的自然物,又根据生物类群的排列顺序,分为由低等到高等的原始的排列法和由高等到低等的经验的排列法。这种排列法主要是考虑生物学的内在逻辑和生物的演化,不太注意学生的经验。②共存体排列法,将生活在同一生境的生物作为一个群体进行介绍,如春之庭园、夏之水边、秋之田野、冬之森林等。这种排列法主要是考虑生物之间的生态关系,但是却忽视了生物学的内在逻辑,而且对于中学生而言,也很难完全理解所谓的共存体之间的关系。③季节排列法,将动植物的生长繁殖与学校教学的时间相协调来安排教材内容,如春天讲授植物开花、秋天讲授植物结果。这种排列法主要是方便学生对自然界及生物现象的观察,但是会显得知识支零破碎,学生对于整个生物界难以有系统的认识。④难易排列法,将较为简单的知识放在低年级的教科书中,较难的则放在高年级。这种排列法是考虑儿童的认知水平及其变化作出的安排。

    这四种排列法中,系统排列法和共存体排列法主要是从生物之间的关系考虑的,季节排列法和难易的排列法则主要是从儿童的学习与认知水平考虑的。

    在小学的博物或自然教科书中,各种排列法的教科书都有,尤其是季节排列法。但是对于中学教科书而言,则很难只是按照一种排列法组织知识,通常是以一种为主,兼顾其他。最常见的是系统排列法,在具体介绍时,往往选取一种或几种模式生物做代表详细介绍,然后再对类群做总体概括[1]。考虑到中学生物学教科书的作者在编写教科书时,没有局限于哪一种排列法,因此本文也不硬性将其归类。

    2 近代中学植物学教科书的知识体系

    清末民初的植物学教材一般包括四个主要部分,即植物形态学、植物解剖学(有的教科书称为内部形态学)、植物生理学和植物分类学。但是在具体内容上,各教材的侧重点又有所不同。例如,杜亚泉的《共和国教科书植物学》将植物生态学和应用植物学作为单独的两章进行介绍;文明书局出版的华文祺译《中学植物学教科书》则分为四章,即形态及生态、解剖及生理、分类、分布及应用;黄明藻的《应用徙薪植物学》和马君武翻译的《实用主义植物学教科书》大部分内容都在介绍植物的主要类群,而对于形态结构与生理言之少略。还有的教科书则不受形态学、解剖学、生理学、分类学这样的框架约束,而是将其杂糅在一起。如王明怀的《中学植物新教科书》和杜就田、孙佐的《新编植物学教科书》主要是根据植物开花的先后安排各种普发,基于生物学核心素养的落实,根据生物学知识的内在逻辑关系,打破模块的限制,将必修和选修课程进行整合,开设适合学生学习的校本生物学课程。从而使学校学科特色更加鲜明,真正体现多样化,满足学生“选择性”的教育需求。

    3.3 加强生物学科组建设 由于选课走班教学,打破了原先的行政班,甚至会打破年级制,取而代之的是教学班。这样的教学环境下,学校更要加强学科组的建设。生物学科组教师要精诚团结,发挥每一个教师的特长,共同进取。学科组要有计划地、扎实地开展主题式校本教研,潜心研究生物学核心素养,提升教师自身的课程开发能力、教学研究能力和学科教学能力。思考学科思想和核心概念从而促进教师专业发展。传递学科思想和核心概念需要教师整体备课,思考学科知识的教育价值[3]。

    通植物,并穿插介绍植物的形态、结构和生理,最后集中介绍植物的解剖、其他生理、分布、应用等知识。这一时期的植物学教科书没有太多生态和应用的内容,更没有植物遗传与变异的内容。这些教材大都编译自日本,明显受到日本教科书的影响。

    到了民国中期(1922年以后),由于出现了综合的普通高中生物学教科书,再加上课程标准颁布的影响,植物学教科书的知识体系也发生了变化。有的教科书已经注意打破原来分开讲植物各部分构造与生理的传统。如杜就田的《新撰初级中学教科书植物学》先讲普通植物,而后讲植物的形态、构造、生理、生态和应用,在构造部分介绍了细胞、组织和构造,在生理部分重点介绍了生长作用、运动作用和生殖作用[2]。在1929年暂行课程标准颁布后,有的教科书则重视应用植物学,如北新书局吴元涤和王志清的《初级中学北新植物学》只有一章介绍植物外形生理和构造的大概,根据植物的用途用八章篇幅分别介绍食用植物、工艺植物等,另有一章为植物学与遗传的关系。1930年世界书局出版的徐克敏编《初中植物学》与此类似,这两本教科书是完全遵照课程标准编写的。彭世芳的《实用教科书植物学》将教科书分为普通植物示教、植物通说、植物之利用三大部分,既介绍了常见的植物、植物的一般知识,还突出了植物应用。

    1932年正式课程标准对植物学的教学内容做出调整后,不再单独区分植物的形态、解剖和生理,而是将其融汇在一起,即介绍某一个器官的时候,就将其形态、解剖和生理一并介绍,至于分类则仍然独立。如童致棱的《复兴初级中学教科书植物学》在“叶”一章,就介绍了叶的外形、叶脉的种类、叶的内部构造、植物的营养(含光合作用和呼吸作用)、水的蒸发、叶的变态、叶的繁殖作用、叶与人生等若干节。开明书店贾祖璋的《初中植物学教本》,正中书局王志稼和方锡琛的《初级中学植物学》、世界书局马光斗的《马氏初中植物学》等也是这样处理的。这些教科书在介绍植物分类上有一些差异,另外贾祖璋的《初中植物学教本》又单独一章介绍了变异遗传与进化,马光斗的《马氏初中植物学》单独介绍了植物的生态。

    综上,民国中期及以后的植物学教科书已经打破了原来分立的形态、解剖、生理,而是按照植物体的主要器官将其融汇在一起,另外对于植物的应用、生态、遗传也都开始重视起来。需要指出的是,无论是在清末民初,还是在民国中期,都没有将植物学实验作为单独的章节列出,大多数情况下是与其他内容融合在一起,特别是在植物生理学部分,有的时候则是在附录中。

    3 近代中学动物学教科书的知识体系

    清末民初的动物学教科书一般包括通论和分论两部分,通论讲授动物的形态结构、组织、生理、生态及应用,分论则是动物的主要类群,只是不同的教科书侧重有所不同。商务印书馆黄英译的《最新中学教科书动物学》、中华书局华文祺的《中华中学动物学教科书》侧重于分类,没有通论部分,直接讲授各类动物。商务印书馆徐善祥编写的《共和国教科书动物学》则不同,全书分为六篇,分别是分类学、形态学、组织学、生理学、生态学和应用动物学,各篇比较均衡。曾经在英国学习动物学的地质学家丁文江在《民国新教科书动物学》中尽管同样将重心放在分类学上,但是在后面几章突出介绍了动物的分布、古动物学和天演(进化与遗传)。杜就田和许家庆翻译的《动物新论》则没有突出动物的类群,对于动物的解剖、组织、生殖、发生、生长、分布、体色等都分别以独立一章论述。

    民国中期以后,在1929年暂行课程标准影响下,有的教科书突出了动物与人类的关系。如王志清的《初中动物学教本》,在该书的各论部分,将各种动物分为家养昆虫、害虫、益农动物、爱玩动物、家畜、寄生动物等。但是大部分动物学教科书并没有采取这种体系,而且1932年的正式课程标准也发生了变化,动物学教材的结构主要按照动物类群编排,只是增加了动物的遗传与进化、应用动物学、生命的一般特征、人类等内容。如周建人的《复兴初级中学教科书动物学》。陈兼善的《新撰初级中学教科书动物学》则在通论部分介绍了动物与人生、动物维持个体生命之方法、动物维持族种生命之方法及动物之进化。杜就田的《现代初中教科书动物学》在动物通论部分,不但介绍了动物的形态结构,还介绍了动物的生殖与发生、习性与形态、进化与分布、与植物的关系,并且将应用动物学作为单独一章。

    与植物学教科书类似,动物学教科书一般将实验与课文融合,或者列入附录。

    4 民国时期高中生物学教科书的知识体系

    1922年施行壬戌学制改革,初中与高中分开,普通高中生物学教科书开始出版。与分科的动植物学教材不同,高中生物学教科书不再将动植物类群作为重点,转而介绍适合于所有生物的一般知识,即生物的共同特征,包括生物的构成(细胞、组织与器官)、营养与代谢、生殖发育与生长、感应与调节、遗传变异与分类演化、生物与环境的关系、生物与人类的关系等。但在具体内容的编排上,不同教科书仍有差异,体现了教科书作者不同的教育理念。

    王志稼的《公民生物学》突出了实用主义,以培养公民为目标,因此教材的编排强调生物的生活与适应,特别是生物与人类的关系。抗战开始后的教科书补充了一些与发展生产有关的知识,如《新中国教科书高级中学生物学》增加了生物的疾病、生物体与厚生的内容。

    陈桢的《复兴高级中学教科书生物学》是在其《普通生物学》基础上改编而成的,并增加了关于衰老死亡与寿命、性别决定、X射线突变等生物学进展,同时介绍了自己的金鱼遗传学实验内容[3]。

    费鸿年为高中师范科编写的《新中华生物学》为了满足师范教育的需要,特意安排了“生物学与教育学的关系”一章,列举了进化论、生理学与教育学的关系,后天性质遗传问题;此外,还有一章讨论小学自然科的生物学教学法[4]。

    5 教科书的知识体系与课程标准的关系

    教科书的知识体系如何选择与安排,受到多方面因素的影响,包括生物学学科知识体系、教科书编写者对于生物学及中学教育的观念、国家课程标准的规定等。就生物学科知识体系而言,中学生物学教科书中知识体系的变化,反映了生物学从传统的博物学转变为现代生物学。不过,在各种影响因素中,课程标准的影响最大。课程标准的拟定者不只是教育部门的官员,更包括了相关学科的专家和中学教师,可以说课程标准是学科相关共同体对于该学科的性质、核心知识体系、教学方法的共识。课程标准是教科书编写的依据,按照近代的教科书政策,各出版商出版的教科书都要交给教育部门审定才准予发行;同时,出版社与教科书的作者也会突出强调其教科书遵循课程标准编写,以适应学校及教师的要求。不过,在具体编写过程中,教科书的作者并没有局限于课程标准,而是有所发挥。

    1913年的中学校课程标准最早对博物(包括动物、植物等)的具体内容作出要求。1922年壬戌学制后,初高中分开,但直到1929年才颁布暂行课程标准。其中初中植物学和动物学的教材大纲是以实用主义的观点编排的,尽管有一些教科书是按照这个教材大纲编写的,但是这种教科书所占比例不多。这种以习见动植物为核心的知识体系,固然能够让学生关注生物与人生的关系,且照顾到学生的认知水平,但是这样的知识体系并不能让学生获得系统的生物学知识,呈现给学生的生物学知识是零散的。此后民国教育部门也认识到这一问题,并在1932年颁布的正式课程标准中做了修订,初中植物学增加了植物根本组织及功用、各部形态构造与生活方法,而后才是分类大纲,分类部分尽管仍然沿袭实用主义的思路,但是总体上将植物分为低等植物和高等植物。初中动物学则完全按照动物演化逆序,从高等到低等[5]。到1936年再次修订课程标准时,在分类部分,明确初中植物学按照从低等到高等、动物学从高等到低等排列,不再突出实用主义了,只是要求在涉及的地方随时提及[6]。可以说,民国中期的大部分教材都是按照这样的体系编写的,只是在具体的物种上有所差异。

    在高中生物学教材方面,1929年的暂行课程标准就要求学生明了动植物与人类同为一生命现象,有基本相同处,受同一基本律支配,给出的内容标准包括生物体的构造、代谢、动植物营养、感应、生殖、生长与发生、遗传、优生、适应、天演、分类、与人类关系等十余方面[7]。尽管在1932年和1936年有过微调,但是总的课标变化不大。绝大部分高中生物学教科书也是按照这样的大纲编写的。

    由此可以看出,近代的中学生物学教科书的知识体系,在很大程度上受到了课程标准的影响,但是不同教科书的作者所受的教育及思想观念的差异,也左右了其对教科书知识体系的把握。同时也要注意到,当时社会动荡,教育主管部门对教科书的编写与发行不能施行有效控制,也在客观上弱化了课程标准对教科书知识体系的控制。

    6 对当代生物学教科书编写的启示

    中学生物学教材的知识体系是教科书编写者和中学生物学教师都非常关注的问题。从表面上看,知识体系的问题是教科书中安排了哪些知识、如何安排的问题;深层次来看,则是该学科的核心知识是什么、需要通过如何组织达成教学目标的问题。当前的中学科学教育,正在转向培养和提高学生的科学素养,而科学素养是学生核心素养中的必要组成部分。在科学技术日新月异、科技知识呈现爆炸式增长的今天,我们需要重新思考: 究竟科学知识中的哪一些是核心的,是对学生终身发展至关重要的。回答了这个问题之后,还要进一步思考,这些核心知识该如何组织,形成一个怎样的知识体系,才能实现我们的教育目标。思考并回答以上两个问题,一是从科学发展本身入手,具体到生物学而言,就是要思考生物学的核心知识有哪些,这些知识是如何构成的,相互关系如何;二是从人的发展和社会需要入手,就是思考哪些知识是人将来成为健全的人和合格的公民所必备的知识;三是从学生的心理发展入手,就是要思考知识的组织如何适应中学生的认知发展过程。在基于“标准”的课改背景下,作为教科书编写依据的课程标准的作用日益凸显,在制定和修改课程标准的时候,需要综合考虑以上因素,以培养和发展学生的核心素养为宗旨,从而为教材建构科学合理的知识体系提供制度保障。

    (基金项目:2010 年国家社科基金重大项目“中国百年教科书整理与研究”,No. 10&ZD095)

    主要参考文献

    [1] 杜亚泉. 1930. 教材的选择. 自然界,5( 5) : 456 ~ 462

    [2] 杜就田. 1926. 新撰初级中学教科书植物学. 上海: 商务印书馆

    [3] 陈桢. 1933. 复兴高级中学教科书生物学. 上海: 商务印书馆

    [4] 费鸿年. 1932. 新中华生物学. 上海: 新国民图书社

    [5] 课程教材研究所. 2001. 20 世纪中国中小学课程标准·教学大纲汇编·生物卷. 北京: 人民教育出版社,28 ~ 35

    [6] 课程教材研究所. 2001. 20 世纪中国中小学课程标准·教学大纲汇编·生物卷. 北京: 人民教育出版社,49 ~ 55

    [7] 课程教材研究所. 2001. 20 世纪中国中小学课程标准·教学大纲汇编·生物卷. 北京: 人民教育出版社,24 ~ 27


     
    教师教育
    谈生物学教学论文写作中引证参考文献应注意的问题
    张美娇 李增娇
    2018, 43(1):  11-13. 
    摘要 ( 115 )  
    相关文章 | 多维度评价

    通过实例分析了生物学教学论文写作中引证参考文献存在未进行原始文献考证、未能区分文献的重要程度、文献来源面狭窄以及文献引证书写不规范等4类问题,提出了准确引用参考文献的相应策略,以期引导作者深入考证文献,引用高质量的文献,提高论文写作水平。

    正文:

    生物学教学论文是教师在生物学教育科学研究领域的研究成果、教育教学心得或实践经验的总结,文中通常会引用一些相关文献进行论证。在引证参考文献过程中存在的不严谨、不科学或不规范问题,直接影响到论文的质量。本文着重分析中学生物学教师在论文写作中引证文献存在的问题,并提出相应的建议。

    1 准确引证参考文献的重要性

    论文应着重传递的信息是作者针对某一问题进行一定的钻研,并搜集整理相关的素材所形成的独特观点。论文引证的参考文献的功能是体现作者观点和结论的可靠性,增强论点的信服力,表明有据可依。引用参考文献的准确度能对文章水平窥见一斑,也反映出作者的知识融合广度[1]。同时合理规范引用文献,使参考的文献可以跟踪追查,能够更好促进学术交流,使论文具有更强的学术性,加速学术生态系统的良性循环[2]。

    2 参考文献引证中存在的问题

    2.1 未进行原始文献考证 主要体现在以下三个方面: ①间接引用文献,即参考文献不是原始文献,为二次或多次文献。例如,有作者围绕ARCS动机模型在教学中的应用进行论述时,针对“ARCS动机模型”概念,所参考的文献为1999年我国学者发表的文章《ARCS动机设计模式》,但该模式的原创作者是美国教授Keller,所引证的文献应当是Keller 1979年发表的文献[3]。再如,介绍“乙烯的生物合成途径”时所引的是一篇研究进展论文中的引用内容,显然不是原始文献。还有不少作者大量引用高校教材中的观点,而回避或不去探究原创作者的论文。②有“形式罗列”,无“内容考证”,所列文献与论文主题表面上相关,实质内容与所要论证的观点联系不大,甚至相左[4]。例如,有作者围绕“污泥堆肥”进行阐述,对污泥中的营养元素作描述时引用了文献,而列出的文献虽然题目包含“污泥堆肥”,但论述方向不一致,内容也未涉及营养元素,属无关文献;亦有作者围绕“中波紫外辐射的生物学效应”的主题作论证时,所呈现的波长数据来源不是所引文献中的数据,为内容错引,此类无关或有误文献的出现显然是未认真阅读原文造成的。③片面追求新文献,为了追求文献的新度,忽略了准确度。参考文献具有科学的继承性,新文献往往是在旧文献的基础上总结创新的[5],但若新文献并无创新甚至谬误,不加论证地引用将损害科学的严肃性。

    2.2 未引用重要的文献及不必要的文献引用 论文中采用了他人观点或者数据等资料,但在参考文献引证时不体现出来,这不仅是对前人所做贡献的不尊重,也是科学研究的不严谨。例如,作者阐述如何将SOLO分类理论、POE教学模式等引进课堂教学时,如果文中的SOLO分类理论与POE教学模式是论文的核心要素,也是读者想要了解的内容,应当引证文献进行阐释,以方便读者深入学习。另一方面,有些作者对于广为人知的原理、公式或中学教材中的章节,也列出了参考文献,这就没有必要了。例如,进化论、基因分离定律、中心法则等已广为人知,若无特殊阐述,再引文献则显得多余。

    2.3 文献来源面狭窄 通过对生物学教学类论文的文献来源的整理发现,多数中学生物学教师的论文中文献引用集中在国内几本中等教育类杂志或同一期刊,或大量引用教材。外文或其他文献引用较少,甚至本身是探讨引进国外教学模式的论文也不引外文文献,反映了作者文献阅读面较窄,对该领域了解不够,局限性较大。因而论文常常围绕已有观点反复论述,很难有所创新,这样的论文也难有说服力。

    2.4 文献引证书写不规范 文后标注参考文献的重要作用是便于读者追踪检索,而有些论文文献引证不规范,致使文献无法追踪。常见的引证不规范有缺项,信息不准确,缩写不正确等几类。缺项如年、卷、期、页码等一项或者多项缺失甚至有刊名、作者信息缺失的情况,有时文献原文有多位作者但只著录了一位。信息不准确常见的如错字、缺字等。例如,引证文献“杨芳宁.2012.图尔敏论证逻辑思想研究.北京: 人民出版社: 80~90”中,“图尔敏”写成了“图尔明”,“人民出版社”写成了“人民教育出版社”;引证“生长素与乙烯信号途径及其相互关系研究进展”时漏写了“相互”二字,将“中国医师杂志”著录为“中国医师”;将人名“Geoff Thompson”错误地缩写为“Geoff T.”。另外,还存在文献类型标识不正确、文献之间格式不一致等问题,这些均不利于文献追踪。

    3 如何引证

    引用文献体现的是文中观点的来源,是作者在某一领域探索思考的侧面反映,因此,在引证时应该要站在一定的高度,为读者展现客观合理的视角,也为同行做有理有据的分析、引发思考,深入研究论文内容与参考文献之间的内在联系,真正做到择优而录。

    3.1 追根究底考证引用文献 要考虑三个方面: ①尽量引证首创文献: 科学性问题的探讨,所阐述的观点应引用提出该观点的原始文献,这也是对创始人的知识产权的尊重。如阐述达尔文的物种起源理论,如果要引用文献,应引证达尔文的著作,而不应引用当代某杂志某作者关于进化论的阐述。在阅读文献的过程中,应以追根溯源的探索态度来参阅,若文献中对观点的表述还引用了相关文献,应继续顺藤摸瓜阅读文献中引的文章,进行比对之后,引用最初提出该观点的文献。②引文与论题要紧密联系: 一般来讲,作者应引用亲自阅读过的文献;当需要转引他人所引文献时,也应亲自查看原始文献的论述,以避免可能出现的疏漏或错误,引用时推敲文献阐述是否准确,如果所引证的观点在后人的文章中被加工过,那么引用后人的观点时应考察其引证文献时是否符合原始文献的原本意思。另外,在引入观点时也应透彻理解作者表达的意思,以免在引用过程中转述错误。相同时间点不同作者的文章,理论上需要全引用,如果篇幅不允许,应进行比较,引用研究工作最为深入、最具价值的文章。如果是引用不同的大学教材,应比较其中表述,采用表达深刻、到位、深入浅出的观点,避免简洁、不透彻的观点。③重视最新研究进展: 过时的文献参考价值不大,一味追求最新文献有时也存在问题,所引文献年限需根据实际情况考虑。对于发展速度快的领域,有近五年的最新动态必须要引,特别是现代科学新理论、新技术的应用,学科发展日新月异,教材通常具有一定的滞后性[6],阅读新文献,不断更新知识体系十分有必要。而对追溯历史观点的研究,需要追根究底采用最初的文献。另一方面,即使是发展速度快的领域,涉及的观点来源年限较久,但是观点仍然适用,甚至是经典,就应当采用该文献,而不是受限于“新文献”的观念采用近几年的文献。

    3.2 多渠道、多角度筛选文献 一篇好的论文需要站在一定的高度来全面阐述问题,而高度与广度需要作者打开眼界,整合不同领域、不同层次以及外文的文献,最终提炼出有价值的观点,并且能从多角度深入浅出地进行分析。这就要求作者在平时养成广泛阅读文献的习惯,可以通过网站、图书、杂志等渠道广泛收集相关领域的国内外文献,不断积累素材。在写作时应有参阅多方面文献的意识,分别从教育研究者、教师与学生等多角度进行分析,合理筛选学术文献、专利文献、期刊、学科、机构等资料,从而提高论文的深度与理论水平。

    3.3 不同性质的论文文献引用策略各异 不同性质的主题,由于可参阅的文献存在区别,引用策略有所不同。

    综述类论文,必须纵览国内外文献、关注各领域的发展动态,且一定要引用原创文献,如若首次文献不易得到,才退而求其次引用二次但可靠的文献。综述类文献数量较多,需要作者在深入理解的基础上进行整合,尽量表达作者自己的观点,不宜大篇幅照搬引文句子。

    教育教学研究类论文(如课堂设计、新教学模式引进、新技术应用、实验方法改进、课堂经验总结等)重点在于传递教学理念与教学方法对读者的指导意义,因此引证文献着力点不在于求新与引用量,而在于文献对教学理念的概况的系统阐述,对教学方法的实用性的佐证力度,使教学理念乐于被读者接受并得到推广。筛选文献过程中,要避免在低水平的文献中重复,应突破局限,引用国内外先进的教学方法;对同一主题的文献,应在对比借鉴、分析不足之处后引用质量最高且理念最具新意的文献。

    评析类论文(如试卷分析)中涉及的题型、法则可引考纲、考试规范、试题来源等,据实引用即可,但涉及相关概念时应该交代清楚来源。改编试题与原创题目在必要时需注明题型根源出处、相关素材与原始数据来源,以便读者查证数据资料。

    3. 4 注重引用文献规范首先作者应重视引用文献规范的重要性,以方便读者跟踪检索为指导思想,在投稿前先了解期刊的要求,严格按照要求著录文献格式罗列。以《生物学教学》杂志为例,要求期刊文章排列格式如下: 序号,作者,年,文献题名,刊名,卷( 期) ,起止页码[7]。符合格式之后,应仔细核查每一项信息,排查一些隐性错误,确保信息完整、准确无误。

    4 结语

    撰写生物学教学论文对于从事生物学教学和科研的教师来说,既是对教学工作经验的总结,又是对教学经验的升华[8],而提高引证文献的质量与引用内容准确性的要求,不仅能直接提高作者自身论文写作水平,也能促进中学生物学教师广泛阅读国内外各领域的高水平文献,加强对文献内容的钻研,从而反过来使论文的深度、广度、创新性得到更大进步,不断推动生物学教学论文整体水平的提升。

    (基金项目:上海2017 年高水平高校学术期刊支持计划———《生物学教学》教育资源数据库的建设,No. 221 16029; * 通信作者)

    主要参考文献

    [1] 赵蓉英,魏绪秋. 2017. 引文视角下的作者知识融合能力研究.情报理论与实践,40( 1) : 53 ~ 58

    [2] 林涛. 2014. 关于参考文献不当引用的表现及控制探析. 今传媒,( 8) : 131 ~ 132

    [3] KELLER JM. 1979. Motivation and instructional design: A theoreticalperspective. Journal of Instructional Development,( 2) : 26

    [4] 张强. 2005. 如何在论文写作中恰当引用他人文献. 教育科学论坛,( 2) : 36 ~ 37

    [5] 孙峰,温茂森. 2005. 科技论文参考文献的作用及引用中存在的问题. 燕山大学学报( 哲学社会科学版) ,6( 3) : 92 ~ 94

    [6] 姜晓东. 2016. Nature 和Science 论文在水生生物学课程教学中的初步应用分析. 高校生物学教学研究,6( 2) : 21 ~ 26

    [7]《生物学教学》编辑部. 2018.《生物学教学》杂志2018 年征稿简则. 生物学教学,43( 1) : 80

    [8] 樊正忠. 2000. 如何撰写生物学论文. 高等函授学报,13 ( 2) :44 ~ 48


    教育教学研究
    概念教学在高三复习课中的应用#br# ——以“基因突变”一节为例
    许 芸
    2018, 43(1):  13-14. 
    摘要 ( 129 )  
    相关文章 | 多维度评价

    通过采用创设情境、问题引导、典型例题、构建概念图等多种教学手段,使“基因突变”这节教学内容深入浅出,有利于加深学生对核心概念的理解,促进知识网络的形成。

    正文:

    掌握基本的生物学概念是生物学课程中的基本任务之一。高三复习课中围绕重要概念进行教学活动,对帮助学生回顾并建构起学科知识框架、加深理解生物学的重要观点、提高学生分析解决生物学问题能力都有非常重要的意义。本文以“基因突变”复习课为例,简述在教学过程中如何围绕重要概念进行有效教学。

    1 创设情境,凸显教学脉络

    高三的概念复习不应是原有知识的简单重复记忆,复习课更需要激发学生的学习兴趣,将学习情境贯穿教学始终,有助于加深对概念的理解,厘清各层级概念间的逻辑关系。“神州十一号与天宫二号”的载人飞行是社会热点,其中“天宫二号的空间实验室”内开展的育种实验与本节课要复习的基因突变密切相关,是很好的学习情境资料。用新闻资讯进入本节课,围绕诱变育种,复习基因突变的时期、类型及特点,说明基因突变的概念,深入剖析基因突变的实质、检测及意义。

    2 构建框架,完善知识体系

    通过学案的方式呈现概念图,随着教学过程的推进,在学生回顾复习、讨论分析的基础上,使本节的概念图逐步完善(图1)。

    3 问题引导,培养探究思维

    本节课的重点在于加强学生对基因突变实质的理解,尤其是联系基因表达、基因检测及治疗、遗传育种等相关内容,提高学生的综合运用能力。为此,本节课主要设置三个探究问题: ①基因突变是否意味着生物性状的改变?通过学生自主讨论,结合已有的知识,如基因选择性表达、基因型与环境共同影响表现型、一种氨基酸可以对应多种密码子、真核生物基因表达过程等,在复习的基础上深入理解基因与性状的关系。②如何确定变异是由基因突变引起的?首先回顾几种变异类型间的区别,设计杂交实验明确基因突变是显性突变还是隐性突变,最后引导学生对基因结构的具体变化情况进行检测,由现象到本质,层层深入,在分析的过程中使学生对基因突变的实质有更深刻的理解。③有利变异如何保留,有害变异如何纠正?在复习基因突变的特点和意义的基础上,联系组织培养、单倍体育种、基因治疗等相关内容,使学生在掌握基因突变概念的基础上适度拓展延伸,提升学生的知识迁移运用能力。

    图1 基因突变概念图

    4 例题分析,提升运用能力

    在高三复习课中,通过习题的讲练,有助于学生理解概念的内涵、辨别易混淆概念,提升思维能力和迁移运用能力。

    例1: 自然界中,一种生物某一基因及其三种突变基因决定的蛋白质的部分氨基酸序列如下:

    正常基因 精氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 苏氨酸 脯氨酸

    突变基因1 精氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 苏氨酸 脯氨酸

    突变基因2 精氨酸 亮氨酸 亮氨酸 苏氨酸 脯氨酸

    突变基因3 精氨酸 苯丙氨酸 苏氨酸 酪氨酸 丙氨酸

    根据上述氨基酸序列确定这三种突变基因DNA分子的改变是

    A. 突变基因1和2为一个碱基的替换,突变基因3为一个碱基的增添

    B. 突变基因2和3为一个碱基的替换,突变基因1为一个碱基的增添

    C. 突变基因1为一个碱基的替换,突变基因2和3为一个碱基的增添

    D. 突变基因2为一个碱基的替换,突变基因1和3为一个碱基的增添

    通过例题1,能及时了解学生对基因突变这一概念的掌握情况,在学生自主分析的过程中,加深对基因表达过程、基因与性状关系的理解,提升学生的思维能力和迁移运用能力,从而初步构建知识间的联系。

    例2: 单基因遗传病可以通过核酸分子杂交技术进行早期诊断。镰刀型细胞贫血症是一种在地中海地区发病率较高的常染色体隐性遗传病。有一对夫妇被检测出均为该致病基因的携带者,为了能生下健康的孩子,每次妊娠早期都进行产前诊断。图2为其产前核酸分子杂交诊断结果示意图。

    图2 产前核酸分子杂交诊断结果示意图

    (1) 由图2A可知,该基因突变是由于 引起的。利用核酸分子杂交原理,根据图中突变基因的核苷酸序列(--ACGTGTT--),写出作为探针的核糖核苷酸序列 。

    (2) 研究人员采集了6位家系成员(系谱图中有编号的个体)的血样,提取了这些成员的DNA,采用 技术对该病相关基因片段进行大量扩增,然后用特定的限制性核酸内切酶对其切割,并进行琼脂糖凝胶电泳分析,电泳图谱如图2B所示。

    (3) 凝胶电泳分离酶切片段,与探针杂交后可显示出不同的带谱,正常基因显示 条,突变基因显示 条。

    (4) 根据凝胶电泳带谱分析可以确定胎儿是否患有镰刀型细胞贫血症。这对夫妇4次妊娠有胎儿Ⅱ1~Ⅱ4中基因型BB个体是 ,Bb的个体是 ,bb的个体是 。

    本题的原型是07年江苏高考的28题,以人类遗传病为背景考查了遗传系谱图、基因的检测和鉴定,特别是核酸分子杂交技术、PCR、电泳等学生在正常教学中没有亲身体验的实验方法,一直是学习中的难点。因此,精选此例题并根据学生的情况适当加以改编,能帮助学生在题目情境中深化对相关技术原理的理解,帮助学生突破难点,同时提高学生的综合运用能力。



       
    援引科学史探究DNA复制方式的POE教学策略分析#br#
    孟凡龙
    2018, 43(1):  15-16. 
    摘要 ( 247 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本文尝试引用有关科学史来引导学生通过预测→观察→解释探索DNA的复制方式,进而实现科学概念的转变,在此过程中引导学生构建科学探究的基本范式。

    正文:

    POE教学策略是由探查学生理解科学的研究方法演化而来的,建立在“观察渗透理论”的哲学观念和建构主义理论基础之上的新型演示策略。POE教学策略共包括3个教学环节: 预测(predict)→观察(observe)→解释(explain)。这些环节就是科学知识的发现过程,是经典的科学研究范式,旨在探查和转变学生的前科学概念,并形成科学概念。

    DNA复制方式是苏教版高中生物学必修2第4章第2节“DNA的复制(replication)”中的核心内容,一直是遗传学教学中的重点和难点。该部分内容的学习有助于学生进一步理解和巩固有丝分裂、减数分裂、遗传规律等知识,是学习生物变异内容的基础。笔者尝试依托有关科学史实验,通过预测→观察→解释的环节,帮助学生深入理解DNA复制方式的本质。

    1 第1环节:预测

    预测环节是POE教学策略的起始环节。该环节要求学生根据教师提供的背景材料,结合教师提出的问题,对事件、情境或实验等作出预测,并说明理由,使学生暴露出前科学概念,促使学生自我反思。教师通常展示一个演示实验,让学生预测一段时间后的实验结果,但对于无法在课堂上演示的实验(如一些科学史方面的实验),教师可以展示科学家的实验背景和实验处理,然后让学生预测其结果。

    学生在学习了DNA双螺旋结构的基础上,进一步研究DNA的遗传特性如何传递给后代。首先教师在黑板上画出一段含有10对碱基的DNA片段,将其类比成教师手上的一份试卷,教师设置层层递进的问题串: ①如何操作才能使同学们的手上都有一份同样的试卷呢?学生们很容易就可以想到复印,亲代生物体也正是通过DNA复制的方式将遗传信息准确地传递给后代。②那么复印需要哪些条件?引导学生通过类比的方法得出DNA复制的条件: 教师试卷——模板、A4纸——原料、电源——能量、复印机——有关酶。③为了避免出现缺页、模糊、倒置等现象,要怎样复印才能得到同样清晰准确的试卷呢?以黑板上的一段含有10对碱基的DNA片段为例展开分析。

    教师呈现背景资料1: ①每个DNA上具有特定的遗传信息,一个亲代DNA分子复制产生的两个子代DNA的遗传信息必须完全相同。②碱基互补配对原则是DNA分子的结构基础,这个原则在DNA复制过程中也起着重要的指导作用。请学生预测DNA分子可能的复制方式: 全保留复制、半保留复制、弥散复制(图1)。大部分学生由于预习了教材内容,只绘制了半保留复制过程及结果: 母链DNA分开,根据碱基互补配对原则复制形成两条子链DNA,母链和子链不再分开,直接成为子代DNA分子。在此基础上教师引导学生分析全保留复制的猜想: 母链DNA分开,根据碱基互补配对原则复制形成两条子链DNA,随后两条母链重新结合恢复原状,新合成的两条子链也彼此结合,形成一条新的双链DNA分子。

    图1 DNA复制方式预测示意图

    猜想只是理论上的预测,想要得到科学的DNA复制方式,就必须要用实验来验证猜想。为了准确观察DNA分子的复制情况,科学家们采用了同位素标记法和放射自显影(autoradiograph)技术。

    教师呈现背景资料2: 1958年,美国科学家米西尔森(M.Meselson)和斯塔尔(F.Stahl)设计了很巧妙的实验: 将大肠杆菌在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基上生长12代,获得15N标记的大肠杆菌,再将其转移到普通培养基(含14N的氮源)中培养,经过一代培养后得到的子一代DNA两条链分别含有哪种N元素标记?将子一代DNA进行氯化铯密度梯度离心(由于15N-DNA的密度比普通14N-DNA的密度大,所以15N-DNA分布在氯化铯溶液的最下端,即重带;14N-15N杂合DNA分布在中间,即混合带;14N-DNA分布在最上端,即轻带),其结果如何分布?若将每个子一代DNA通过加热得到两条单链,再进行离心,其结果又会如何分布?教师引导学习小组讨论、预测不同复制方式情况下的实验结果,并描绘子一代DNA在氯化铯溶液中的位置。

    由于这类实验所研究的复制中的DNA在提取过程中已被断裂成许多片段,得到的信息只涉及DNA复制前和复制后的状态,无法观察到完整的DNA复制过程。

    教师呈现背景资料3: 1963年Cairns用放射自显影技术将3H-脱氧胸苷标记大肠杆菌DNA,然后用溶菌酶消化掉细胞壁,释放出完整DNA,铺在一张透析膜上,在暗处用感光乳胶覆盖于干燥的表面上几星期。期间3H由于放射性衰变而放出β粒子,使乳胶曝光生成银粒。显影后银粒黑点轨迹勾画出DNA分子的形状,黑点数目代表了3H在DNA分子中的密度。把显影后的片子放在显微镜下即可观察到大肠杆菌DNA的全貌。教师引导学生尝试用黑点绘制大肠杆菌DNA复制时的放射自显影示意图。

    2 第2环节:观察

    观察环节是学生暴露出前科学概念后,要对相关现象进行实际观察,并记录实际发生的情况,该环节通常由学生实验操作或教师演示实验,由学生观察和记录实验结果。观察结果与预测结果产生矛盾,即产生认知冲突,这是学生概念转变的刺激所在。

    其实早在1953年沃森(J.D.Watson)和克里克(F.Crick)提出DNA双螺旋结构模型时就推测: 在复制过程中首先碱基间氢键需破裂并使双链解旋和分开,然后每条链可作为模板在其上合成新的互补链,结果由一条链可以形成互补的两条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。每个DNA分子的一条链来自亲代DNA,另一条链则是新合成的,即DNA复制方式是半保留复制。但这只是他们的猜想,正如同学们的猜想一样,还需要实验验证。

    教师播放视频: 该视频比较简单、通俗,观看后,学生很容易用自己的语言简洁地归纳出DNA复制的基本步骤,以及DNA复制所需的条件。由学生自己构建新知,增加学生的学习自信心。

    1958年美国科学家米西尔森和斯塔尔的实验结果是将15N标记的大肠杆菌转移到14N普通培养基中培养,得到的所有子一代DNA的两条链一半含15N,另一半含14N,即14N-15N杂合DNA,将其进行密度梯度离心后均分布在中间的混合带。若将每个子一代DNA通过加热得到两条单链,再进行离心,其放射性一半分布在轻带(14N-DNA),另一半分布在重带(15N-DNA)。这也证明了在DNA复制时原来的DNA分子可被分成两个亚单位,分别构成子代分子的一半,这些亚单位经过许多代复制仍然保持着完整性。

    1963年Cairns用放射自显影技术观察到大肠杆菌DNA的全貌,并绘制大肠杆菌DNA复制时的放射自显影示意图(图2),阐明了大肠杆菌DNA是一个环状分子,并以半保留方式进行复制。3H胸苷渗入大肠杆菌DNA复制两代,非复制部分(C)银粒密度较低,由一股放射性链和一股非放射性链组成;双链(B)中仅一股链是标记的;双链(A)的两股链都是标记的。

    图2 复制中的大肠杆菌DNA放射自显影示意图

    3 第3环节:解释

    解释环节是学生对比预测结果和观察结果,判断自己的看法,适当调整前科学概念,形成观察后的解释。教师可以组织学生对这种解释进行小组分析和讨论,在此过程中教师通过问题的方式给予恰当的引导。最后,师生共同形成讨论后的科学解释,最终整合到学生的认知结构中[1]。

    针对1958年米西尔森和斯塔尔的实验,师生共同讨论后绘制15N-DNA在14N的氮源中复制一代的过程图和离心后在氯化铯溶液中的分布图,并解释子一代DNA加热后离心分布位置的原因,同时教师引导学生继续深入思考复制两代、多代后的DNA标记情况,形成有关标记通式,进而得出离心后在氯化铯溶液中的分布图和后代DNA加热后离心的分布图。同时利用DNA半保留复制机制分析1963年Cairns的实验结果: 没有标记的大肠杆菌DNA在3H脱氧胸苷中复制两代,其后代DNA中有一半的DNA的两条链都有放射性标记,另一半DNA的两条链中各有一条链有放射性标记。

    教师适当拓展: 半保留复制是双链DNA普遍的复制机制,即使是单链DNA在复制时通常也要先形成双链形式。半保留复制机制说明了DNA代谢的相对稳定性,但实际过程很复杂,需要多种细胞组分参与,受到细胞中多种条件控制,同时DNA复制还需要保持高度忠实性来保持遗传的稳定性。

    (基金项目:2016年江苏省“十三五”教育科学规划课题“苏派教育在培养中学生核心素养中的探究与实践”,No.D/2016/02/41)

    主要参考文献

    王 健.2015.基于概念转变理论的POE教学设计.生物学通报,50(4): 23~27


    巧用错误资源  活化课堂教学
    张建尚
    2018, 43(1):  17-18. 
    摘要 ( 73 )  
    相关文章 | 多维度评价

    在生物学教学过程中,教师和学生都可能出现错误,将这些错误变成教学资源,加以合理利用,可以融洽师生关系、激活学生思维、引发课堂探究,使课堂因错而精彩。

    正文:

    在生物学教学过程中,由于种种原因会产生很多始料未及的错误,对于这些错误,如果教师能随机应变,巧妙利用,在错误上面做些文章,就可将错误变成宝贵的教学资源,并利用错误这一资源为教学服务,使课堂因错而精彩。

    1 利用错误,融洽关系,共同进步

    人非圣贤,孰能无过。在课堂教学中,由于教师考虑不周而产生的失误也会偶有发生,如写错了板书,口误说错了话等。对于来自学生的错误,教师常常能从容应对,但对于自己的失误,有时却有点不知所措,常采用掩饰或回避的方式对待,甚至反过来训斥学生。这种做法显然是不可取的,教师应当实事求是、心胸坦诚,承认自己的错误,并机智地抓住失误这一契机,把本不该出现的错误转化成一种积极的教学资源,在识错、悟错和纠错过程中实现共同进步。

    例如,在学习“生态系统的自我调节能力”时,教师列举了草原上旅鼠与狐的数量变动关系:“旅鼠多了狐就多,狐多了旅鼠就少,旅鼠少了狐也少了。”教师边说边画两者的数量变化曲线图。此时学生看出了两者的数量变化规律,也顺着教师说下去:“狐少了旅鼠就多,旅鼠多了狐就多,狐多了旅鼠就少。”课堂气氛异常活跃。当教师把数量变化曲线图(图1)画完时,有个学生马上说:“老师,画错了,旅鼠再少也不能比狐的数量少。”有些学生附和道:“狐再多也不能多过旅鼠。”教师没有对偶然出现的问题进行草率处理,而是及时地引导学生进行探讨,找出所以然来。最后根据能量流动逐级递减的特点,把狐与旅鼠的数量关系画成图2的形式。

    教师这种知错能改的精神,师生一起探求真理的过程,一定会给学生留下深刻的印象,使师生关系更加融洽,而这样的识错、纠错过程,也有利于师生在学习中一起进步。

    2 巧用错误,激活思维,引发探究

    一节真实的课堂教学不可能不出现错误,就是因为有了这样或那样的错误,才使课堂教学更加精彩,更能体现真实性。在教学过程中,对于学生的错误,如果教师只告诉正确的做法,难以触及问题的实质,更容易抑制学生主动性和创造性的发展。如对这些错误巧妙地加以利用,因势利导,不仅能提高学生学习的积极性,激活学生的思维,而且还可以引发学生的探究兴趣。

    图1 错误的旅鼠与狐的数量变化曲线图

    图2 经过修正的旅鼠与狐数量变化曲线图

    例如,在减数分裂的学习中,教师提出了这样一个问题:“基因型为AaBb(两对基因独立遗传)的一个卵原细胞能产生几种卵细胞?”学生不假思索地说:“4种”,教师引导:“一个卵原细胞能产生几个卵细胞?”学生恍然大悟。教师又问:“基因型为AaBb(两对基因独立遗传)的一个精原细胞能产生几种精子?”学生又异口同声地说:“4种”,这时教师不给予肯定或否定的回答,而让学生独立思考或动手操作进行探究,寻找答案。结果有的看书,有的画图分析,有的用橡皮、钢笔等比划。通过多种形式的探究活动,最终找到了答案,得出结论。

    学生的错误来源于自己的学习活动,学生的感受最深切;在分析错误时、纠正错误时,又是在学生的学习活动中进行的,学生的印象最深刻。当学生出现错误时,教师必须认真分析,正确引导,利用错误激活学生的思维,唤起学生的求知欲望,激发学生的探究兴趣。

    3 展错议错,引发碰撞,深化拓展

    当学生出现错误时,教师不是回避或者遮盖,更不是轻描淡写一带而过,而是展示错误,给他们一些议错的时间和空间,让学生在议错中分析、反驳,引发思维碰撞,在争论中深化拓展,内化知识。

    4 评赏错误,放松思维,体验成功

    学生是伴随着错误一起成长的,频繁的考试和高强度的解题训练,造成了较多学生遇到错误有“失败者”的心态。因此,教师应更多地关注学生的情感体验,从课堂教学出发,正确引导对错误的分析评价,从错误中领略成功,实现学生由“失败者”向“成功者”的转变。教师要有“容错”的气度,尊重、理解、宽容出错的学生,不斥责、挖苦。不要急于用自己的思想去“同化”学生的错误观点、认识,更不要立即给予否定,而应首先肯定学生的积极参与,用鼓励性的语言去评价甚至欣赏这些错误,使学生用一种愉快的心情去想问题。同时要给足学生思考的时间和空间,要让学生自己去发现错误,纠正错误,教师当好课堂教学的组织者、引导者。这样,学生在课堂上才会没有精神压力,没有心理负担而心情舒畅,情绪饱满。在这种情况下,学生的思维最放松,实践能力最强。

    例如,在学习“物质跨膜运输的方式”时,有学生提出:“水分子不溶于脂质,不能自由通过磷脂双分子层,所以它的运输方式不是自由扩散”。对此教师没有马上作出解释,而是用鼓励性的语言去评价这名学生提出的问题。“这位同学能够认真思考,注意前后知识的联系,有自己独特的见解,我们应向他学习。但为什么教材上说它是自由扩散呢? 谁能说出其中的原因?”教师作简单说明后,告诉学生阅读“授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”,从中可以找到答案。

    没有尊重和宽容,没有鼓励和赞赏,学生的创新思维就不可能得到充分的发展。教师要创设宽松和谐的环境氛围,让学生在纠错改错、评错赏错的过程中感受到学习的成功和快乐。


    摭谈生物学科学生“理性思维”的训练策略#br# ——以孟德尔遗传定律单元复习课为例#br#
    陈卫东
    2018, 43(1):  18-21. 
    摘要 ( 94 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本文以孟德尔遗传定律单元复习课为例,提出“归纳与概括”“演绎与推理”“模型与建模”“迁移与拓展”等多项理性思维训练策略。旨在训练和发展学生理性思维能力,提升理性思维核心素养。

    正文:

    “理性思维”是人类思维的高级形式,是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式。《普通高中生物学课程标准(征求意见稿)》凝练与界定了四项生物学科核心素养,“理性思维”就是其中之一。借鉴“在游泳中学游泳”的思路,教师可在课堂教学中发掘思维素材进行训练,发展学生的理性思维能力,提升学生的理性思维核心素养。笔者以孟德尔遗传定律单元复习课为例,阐述理性思维训练的基本策略。

    1“孟德尔遗传定律单元复习课”课例方案

    1.1 设计意图 本课例为单元复习课,意在对孟德尔经典实验有个全面的梳理,在此基础上深化与巩固核心概念与主干知识,训练理性思维。课例设计以“基础性、递进性、拓展性”为基本指导思想,结合教学内容进行不同层次的理性思维训练。“活动一”强调基础性,围绕“梳理实验数据、归纳实验设计科学思想”来训练理性思维;“活动二”关注递进性,紧扣两个定律的异同点展开,在提炼“拆分组合法”及应用“拆分组合法”中训练理性的时间和空间,让学生在议错中分析、反驳,引发思维碰撞,在争论中深化拓展,内化知识。

    例如,在学习“食物链和食物网”时,教师让学生写出“螳螂捕蝉,黄雀在后”和“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃‘泥巴’”的食物链。在巡视过程中根据观察到的出错情况,找了两名学生到黑板上写出他们的结果: 一个是“蝉→螳螂→黄雀”,另一个是“泥巴→虾米→小鱼→大鱼”。然后让大家评议两位同学的写法: 有无错误?错在何处?产生错误的原因是什么?通过评议,总结出书写食物链要注意的一个问题,就是第一营养级必须是生产者,并且认识到“泥巴”应该是藻类,属于生产者。在此基础上,趁热打铁深化拓展,又展示了另一类错误“大树←蝉←螳螂←黄雀”让学生评议。有些学生认为该写法是正确,因为它表示了“大树被蝉所食,蝉又被螳螂所食,螳螂又被黄雀所食”的过程。更多学生认为是错误的,但说不出所以然来。这时教师可进行引导启发: 箭头仅仅是表示谁吃谁的问题吗?没有别的含义吗?黄雀捕食螳螂,能量能流入到螳螂的体内吗?在教师的启发下学生恍然大悟,又总结出书写食物链要注意的另一个问题: 就是箭头应该由被捕食者指向捕食者。

    思维;“活动三”重视拓展性,提供“陌生性”的问题情景,引导学生架设“陌生情景”与“已知方法”的桥梁,迁移解决实际问题,在较高层次上进行理性思维训练。

    1.2 学习目标 回顾孟德尔经典实验,梳理实验中的典型数据;体验孟德尔的实验设计思路及科学思想;理解两个定律的内在联系;采用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等理性思维方法解决遗传学问题。

    1.3 师生活动 编制活动单,以活动单为统揽,推进复习流程。课前发放给学生,基础内容由学生课前完成,拓展内容由师生在课堂上交互完成,计划安排2课时。

    1.3.1 活动一: 梳理孟德尔豌豆杂交实验 回顾孟德尔经典实验过程,请学生写出实验过程简图,写出解释实验现象的遗传图解,并依据遗传图解,完成表1填空。填表后,请学生体验孟德尔实验设计的思想方法: 总结孟德尔取得成功的原因,并分析孟德尔实验设计思路及其中蕴含的科学思想。


    表1 一对相对性状杂交实验与两对相对性状杂交实验的异同

    1.3.2 活动二: 对照分析孟德尔分离定律与自由组合定律 比较孟德尔两个定律的主要区别联系。请学生完成表2,并思考: 在解决“多对等位基因”控制的“多对相对性状”的遗传问题时,可以 拆分开来观察,再 回答问题(“拆分组合法”)。

    教师继续追问: 多对等位基因的遗传问题,都可以这样来解决吗?

    随后请学生运用“拆分组合法”,用简图写出孟德尔两对相对性状经典实验中“F2的基因型”,并求证孟德尔两对相对性状经典实验中,F2中基因型为“YYRr”个体占比为2/16;归纳求解后代基因型(表现型)比例的几种常见方法。


    表2 孟德尔两个定律的异同

    例1:豌豆四个杂交组合的实验统计数据如下表,请据表回答:

    (1) 从 组别中,可以推知株高性状中,显性性状为 ;从 组别中,可以推知花色性状中,显性性状为 。

    (2) 把各杂交组合亲本的基因型写在表格中。(株高用A、a表示;花色用B、b表示。)

    (3) 从甲~丁组中选择一组简要说明推导过程。

    1.3.3 活动三: 拓展分析非典型性遗传问题 教师选择3道非典型性遗传问题,拓展学生的理性思维

    例2: 已知A与a、B与b、C与c 3对等位基因独立遗传,基因型分别为AaBbCc、AabbCc的两个体进行杂交。下列关于杂交后代的推测,正确的是( )

    A. 表现型8种,AaBbCc个体比例为1/16

    B. 表现型4种,aaBbcc个体的比例1/16

    C. 表现型8种,Aabbcc个体比例为1/8

    D. 表现型8种,aaBbCc个体比例为1/16

    例3: 某水稻的A基因控制一种优良性状的表达,对不良性状a为显性。用该水稻杂合子(Aa)自交,子一代中淘汰aa个体,然后再自交,再淘汰aa个体……的方法育种,问子三代(此代已淘汰aa)中杂合子的概率和显性纯合子的概率为多少?

    A. 1/8、1/16 B. 1/8、7/8

    C. 2/9、7/9 D. 1/8、7/16

    例4: 老鼠皮毛颜色受两对独立遗传的等位基因B、b和D、d控制,B为黑色皮毛基因,b为棕色皮毛基因,当基因d纯合时抑制毛色基因的表达,小鼠皮毛颜色表现为白色。现有棕色鼠与白色鼠杂交,F1均为黑色鼠,F1雌雄个体自由交配得F2,F2表现型及比例为黑色 ∶棕色 ∶白色=9 ∶3 ∶4。请回答:

    (1) 亲本棕色鼠和白色鼠的基因型分别为 、 。

    (2) F2黑色鼠中,杂合子所占的比例为 ,F2白色鼠中,纯合子所占的比例为 。

    (3) 若F2中的棕色鼠雌雄个体间随机交配,后代表现型及比例为 。

    2 学生“理性思维”的训练策略

    2.1 在“归纳与概括”中训练学生的理性思维 “归纳”的基本释义是归拢并使有条理;由一系列具体的事实概括出一般原理。“概括”是形成概念的一种思维过程和方法,即从思想中把某些具有一些相同属性的事物中抽取出来的本质属性,推广到具有这些属性的一切事物,从而形成关于这类事物的普遍概念。

    在本节复习课中,教师预设一些“归纳点”“概括点”,让学生进行梳理,使主干知识条理化、系统化。例如,课例“活动一”中,“写出实验过程简图、写出遗传图解”是对实验步骤的一个“归拢”;“依据遗传图解,完成相关填空”是对实验数据的一个“归类”;“总结孟德尔获得成功的原因”是对实验设计的一个“归纳”;“分析孟德尔实验设计思路及其中蕴含的科学思想”是对思想方法的一种“概括”。归类数据看似一种简单的思维,但后续的“再思考”,则训练了理性思维。其实关于孟德尔经典实验的梳理,重点应落在“假说演绎法”的概括上。教师要引导学生从实验的操作方法入手,概括出科学研究的一般思想方法。即总揽系列实验的过程: 豌豆杂交实验—解释实验现象—设计测交实验—得出实验结论。由此抽象出“假说演绎法”的本质: 根据观察到的生物学现象或事实—提出假说,演绎推理—设计实验进行验证—证实或证伪假说。

    2.2 在“演绎与推理”中训练学生的理性思维 “推理”是由一个或几个已知的判断(前提)推出新判断(结论)的过程。“演绎”是从一般性的前提出发,通过推导得出具体陈述或个别结论的过程。演绎推理的逻辑形式对于理性思维的重要意义在于,它对思维保持严密性、一贯性有着不可替代的校正作用。

    本课例“活动二”中,从F2表现型比为“9 ∶3 ∶3 ∶1”入手,进行推理。若只观察种子的颜色一对相对性状,“黄色籽粒 ∶绿色籽粒”=(9+3) ∶(3+1)=3 ∶1,符合分离定律;另一对粒形相对性状同理可得。通过演绎推理,可以找到两个定律的内在联系: 两对(独立)相对性状的遗传符合自由组合定律,若单独观察其中的“每一对”相对性状的遗传仍然符合分离定律。随后引导学生进行类比推理: 既然两对相对性状的遗传问题,可以拆成两个“一对”来观察,那么,解答“多对等位基因”控制“多对相对性状”的遗传问题时,同样可以把多对等位基因拆分开来观察,再组合起来回答问题,这就提炼出了“拆分组合法”解题思路。

    2.3 在“模型与建模”中训练学生的理性思维 人教版生物学教材给“模型”下了这样的定义: 人们为了某种特定的目的而对认识对象所做的一种简化的、概括性的描述,是认识和阐明生命活动规律、原理的重要方法之一,其形式主要包括物理模型、概念模型和数学模型。“建模”就是建立模型,是为了理解事物而对事物做出的一种抽象,是对事物的一种无歧义的书面描述。

    本课例主要是建立一些解决问题的模式、范式,提高解题熟练程度,同时在“建模”的过程中训练理性思维。本课例中包括四组模式、范式: ①数据模型。主要是指F2基因型、表现型种类及比例、F2中不同类型个体占比等。②自交、测交模式。③经典实验中F2基因型的推导范式。④求解亲本基因型的步骤范式。第①组模型可以归为数学模型,第②③④组模式、范式可以归为概念模型。例如,第④组范式的建立可与“活动二”例1的解答结合起来,先解题再归纳步骤。针对“已知子代表现型及其比例,求解亲本基因型”的问题,形成“四部曲”步骤范式: 第一步是判别显隐性关系。从乙组和丙组可以分别推知高茎和红花为显性性状;第二步是给出基因型通式。比如甲组“高茎红花×矮茎红花”,依据显隐性关系给出亲本基因型通式“A_B_×aaB_”;第三步是补全通式中的基因。甲组子代中,高茎 ∶矮茎=1 ∶1,符合测交模式,红花 ∶白花=3 ∶1,符合自交模式,补全甲组亲本基因型为“AaBb×aaBb”;第四步是对照题意进行验证。依据推导得出的基因型,写出子代的基因型、表现型,看是否与子代数据相吻合。

    2. 4 在“迁移与拓展”中训练学生的理性思维“迁移”指的是一种学习对另一种学习的影响,指在一种情境中获得的技能、知识或态度对另一种情境中技能、知识的获得或态度的形成的影响。“拓展学习”是指教育教学过程中,学生学习内容、学习形式、学习方法的扩容增加和优化发展。

    本课例“活动三”将两对以上等位基因的遗传问题、将非典型实验步骤的遗传问题、将非典型比例的遗传问题编制进入练习题,是对学生学习内容的扩容增加,意在迁移前述学习活动中总结的规则规律及方式方法,训练学生的逻辑推理能力。练习题的设计难度为中等,但对于对初学者来说,问题情境是陌生的,思维训练的跨度较大、强度较高。例2 意在迁移应用“拆分组合法”,只要学生掌握要领,不难得出正确答案为“D”。例3给出的是一个杂交育种的问题情境,杂合子多代自交,提高纯合比例。但这一题有它的“不寻常性”,即每一代都要淘汰具有不良性状的个体aa,再来计算概率。例4 是一种“9 ∶ 3 ∶ 3 ∶ 1”典型比例的变式问题,解题的突破口在如何判定不同体色鼠的基因型。


    高中生物学教学中理性思维的缺失及其对策#br#
    秦亚平
    2018, 43(1):  21-22. 
    摘要 ( 131 )  
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    本文通过分析高中生物学教学中理性思维的缺失表现,提出将思维教学落实到具体教学目标中,增强学生的思维意识,强化思维的目的性、逻辑性,培养思维的深刻性、批判性,加强思维训练,突出思维评价地位等对策。

    正文:

    理性思维是指对事物进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括的思维方式,是建立在证据和逻辑推理基础上的、严格遵守逻辑规律的思维方式。目的明确、有理有据、推理严谨是理性思维的重要特征。理性思维是学生终身发展必备的核心素养之一,也是生物学科核心素养之一。作为理科的生物学课程,理当视理性思维培养为己任,但纵观现行高中生物学教学,占主流地位的仍然是传统记忆型的教学文化,庞杂的内容材料和片面强调识记常常使人很少注意实际的思维过程,严重阻碍了学生对知识的深层理解和科学素养的培养。高中生物学教学中理性思维的缺失成为教学中亟待解决的问题之一。

    1 思维意识薄弱,需落实思维教学目标

    高中生物学知识较初中生物学知识更加抽象、概括与提炼,具有知识点面广、量大的特点。许多学生忽视知识的来龙去脉,轻视知识本质的分析,割裂了知识内在思维联系和知识之间的思维联系,重复和记忆自然便成了学习的主要策略。

    例如,多倍体生物的特点在教材上是这样表述的:“与二倍体植株相比,多倍体的植物常常是茎秆粗壮,叶片、果实和种子都比较大,糖类和蛋白质等营养物质含量有所增加”(人教版,2007第2版)。许多学生采取了强记的学习方式。事实上,多倍体与二倍体相比,多倍体的体细胞中含有三个或三个以上染色体组,而染色体上含有控制蛋白质等合成的遗传物质,故糖类和蛋白质等营养物质含量增加也成了必然,因此,多倍体生物的特点均在情理之中了,实在无需记忆。同理,也理解和记住了单倍体“一般长得弱小”的特点。

    反思教学过程,学生思维意识薄弱的主要原因还在于教师没有重视学生思维能力的培养,更没有将思维教学纳入教学目标体系中。因此,在设定教学目标时,需要转变观念,不仅关注知识是什么,更要关注知识背后的东西、知识形成的内在思维,强化思维的培养,把思维教学纳入具体的教学目标之中,养成良好的思维习惯,才有可能扭转学生思维意识薄弱的现状。

    2 思维目的不清,需强化思维的目的性

    思维的根本特点是目的性,总是从问题开始,指向解决某个任务。然而,许多情况下,学生面对问题,不知所云,不知道问题解决的目标何在,思维混乱,找不到思维的方向,往往事倍而功半。

    例如,许多学生都记得发黄的菠菜、大白菜等不适合做“叶绿体中色素的提取与分离”实验的材料,但具体为什么却说不清楚。实验材料只是实现实验目的的载体,实验的目的决定了实验材料必须具备的基本条件。发黄的菠菜、大白菜等正是因为色素种类不全或量不正常,不具有叶绿体色素的代表性而达不成实验目的,而无法胜任该实验的材料。

    思维目的的模糊必然导致理性思维的缺失。在教学实践中,要引导学生明确解决的问题是什么,以解决问题为思维目的,再寻找条件与目标之间的联系,引导学生把握思维的方向,把一切思维的努力指向解决的问题,以减少思维的盲目性。同时,以结果反思、分析过程,让学生意识到过程中的每一步都是为了实现解决问题这一目标而进行的,强化思维的目的性。

    3 证据意识淡漠,需强化思维的逻辑性

    当今社会中,对海量信息的盲从,迷信、邪教等等不和谐、不理性的社会现象泛滥,无不与证据意识缺失直接关联。在教学中则表现为学生迷信教师和书本,把权威当做金口玉言,或没有经过论证就武断、草率地下定论,美其名曰“直觉”,实质是缺乏证据意识。

    例题(2016江苏高考22): 为在酵母中高效表达丝状真菌编码的植酸酶,通过基因改造,将原来的精氨酸密码子CGG改变为酵母偏爱的密码子ACA,由此发生的变化有(BC)

    A. 植酸酶氨基酸序列改变

    B. 植酸酶mRNA序列改变

    C. 编码植酸酶的DNA热稳定性降低

    D. 配对的反密码子为UCU

    部分学生漏选C选项的重要原因就在于没有明确判定DNA热稳定性大小的依据——G-C碱基对中氢键数量多于A-T碱基对。因此,DNA中G-C碱基对比例越高,DNA的热稳定性也就越高。由于精氨酸密码子CGG改变为ACA,导致基因中G-C碱基对比例下降,热稳定性降低。证据是推理依据的事实或理论,寻找证据支持是理性思维的重要表现。推理、论证有效的根本保证之一就在于证据的真实、可靠。理性思维就是要培养学生尊重事实和证据,崇尚严谨和务实的态度,运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。教学中要强化训练学生的证据意识,引导学生能够基于生物学事实和证据,依据一定的原理,符合思维逻辑规律地运用推理、建模、批判性思维等方式,探讨、阐释生命现象及规律,审视或论证生物学社会议题。

    4 思维浮于表面,需提升思维的深刻性

    在记忆型的教学文化中,记忆行为替代理解,是因为即使单纯的记忆也能获得不差的考试成绩,短期的“丰富”效益极易诱发思维的表面化,造成对知识理解的浅薄,思维深刻性的培养也将成为奢望,在增加学习负担的同时,遗忘率却很高,陷入恶性循环之中。

    例如,在通常的样方法中,样方一般选择一定大小的正方形。因此,许多学生也就记住了要选用正方形的样方,判定其他形状的样方是不可以选用、是错误的。为什么会有这样的状况,问题就在于没有深刻理解选用正方形样方的目的和优势,缺乏对正方形样方与其他样方的对比分析。实践表明,学生最初选择的样方形状是五花八门的,如长方形、正方形、圆形,乃至不规则形状等等。各种形状样方的差异在于现场操作的便利性,也在于同等样方面积下的周长不同,其中长方形的周长>正方形的周长>圆形的周长。周长越大,与周围的接触面就越大,造成可能的误差会越大。因此,出于减少实验误差的目的,一般选用正方形的样方而不选用长方形、多边形等样方。

    在实际教学中,要鼓励学生养成打破沙锅问到底的习惯,引导学生深刻理解知识的内涵,挖掘知识之间及知识内部的思维联系,深层次地理解知识的来龙去脉,进而抓住其本质规律,做到知其然,更知其所以然,锤炼思维的深刻性。

    5 思维缺乏反思,需培养思维的批判性

    许多学生不善于或不会对思维过程进行反思和自我调整,即使在问题没得到解决的情况下,也不会检视、反思自己思维过程中可能存在的问题,对成功解决的问题更没有习惯总结思维成功的经验,养成了以被动接受为主的学习方式。

    例如,高中教材对于“生物膜的流动镶嵌模型”要点表述为:“蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面,有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中,有的横跨整个磷脂双分子层。”在实际教学中,许多学生对教材的推理过程与事实以及模型的表述确信无疑,事实果真如此吗?根据蛋白质的分子组成特点,蛋白质的每一个亚基均至少有一个游离氨基和羧基,而游离的氨基和羧基都是极性的,加上成百上千的R基中必然存在的一些极性基团,蛋白质分子的极性是必然的。根据相似相容的原理,极性的蛋白质分子完全埋在非极性脂双层内部的状态是不可能稳定的,在自然状态下也是不可能长时间存在的。教师在教学实践中,要引导学生进行批判性分析,在吸取别人优点、精华时,也要摒弃别人不足和糟粕;更要引导学生关注自己是如何思考的,了解自己的思维方式,分析思维障碍发生的原因,进而提升思维品质和理性。

    6 教学评价方式滞后,需突出思维评价地位

    评价是教学的指挥棒,现行的考试评价、学校对教师的评价基本以成绩为唯一标准,不利于学生思维品质的培养,不利于学生的可持续发展与科学素养的提升。课堂教学评价应该突出思维评价的地位,把具体的理性思维纳入教学目标中,实施教学的过程性评价,关注对思维目的性与方向性、逻辑性与严密性的引导;关注学生学习中思维形成、过程与反思,用发展的眼光评价学生的思维品质和能力;改革考试测评形式和内容,减少对事实性知识的简单重复再现和对常规问题的考查,加重对知识的理解、运用、分析和评价;从考查学生记忆和掌握知识的能力转变到,考查学生的推理、分析、想象、批判和创新的思维能力。

    (基金项目:江苏省中小学教学研究室基础教育课程教学改革重大项目“生物学习室·学具开发及其教学研究”,No.2015 jssjys-15;“高中生物教学中培养学生理性思维的实践研究”研究成果)



    例析高中生物学备课应遵循的原则
    邹家位
    2018, 43(1):  23-24. 
    摘要 ( 88 )  
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    备课是决定课堂教学成败的关键之一。本文以“生态系统结构”一节课为例,结合教学实践,阐述了在高中生物学备课中应该遵循的原则。

    正文:

    教学活动的重要环节是备课。如何在课堂上实施优质有效的教学活动,需要教师从教材复制者真正转变为学习者和研究者,使整个备课过程变成一个学习、设计、研究,不断创新和完善的过程[1]。备课的科学原则其实就是教与学的理论和方法,笔者结合教学实践,以“生态系统结构”一节课为例,谈谈在高中生物学备课中应明确和切实把握的基本原则。

    1 教学目标决定性原则

    教学是有计划、有目的的活动。教学目标是教学活动的出发点和归宿,对教学活动起着定向、调控和评估的作用。根据确定的教学目标,决定教什么、教到什么层次以及采取什么教学方法。例如,“生态系统结构”一节的教学目标是: 识记生态系统的组成成分及营养结构;理解生态系统的整体性;理解营养结构与功能的关系。通过理解生态系统各组分的相互关系,明确“人是生态系统中一员”,应自觉保护生态环境。通过对教学目标的认识,就决定了课堂教学的深度、知识面的广度,要重点讲解和延伸生态系统的概念,食物链(网)各营养级的关系;上课采取的课堂教学方法是讨论法和讲授法相结合,课堂教学模式选择合作探究教学模式,更能达到教学目标。

    2 教材内容的规定性原则

    教师所教的内容要以课程标准规定的内容为中心。在实际教学中,虽然允许对教材规定的内容做适当的调整和充实,吸收最新信息,但是一切调整和充实都要与课程标准规定的范围相适应,不能让社会流传的各类参考资料喧宾夺主,舍本逐末。

    例如,从模块角度来分析,“生态系统结构”一节是学生在学习了个体、种群、群落这几个生命系统结构层次的稳态调节后进行学习的内容,是对生命系统结构层次中更高层次的稳态调节的学习,本节是围绕着生态系统概念的实质展开的,是本章的统领,并为后面各节内容的学习奠定基础,因此本节的教学要为学生后面的学习作好铺垫,章节决定了其在教材内容安排中的地位。在本节备课时,要时刻记住其内容的规定性,紧紧围绕这个规定性,来组织教学过程。

    3 教学对象的可接受性原则

    在备课中还必须充分地了解自己的教学对象,考虑学生的心理特点和认知水平,化繁为简、化难为易,便于学生接受。在教学实践中虽然有些教师知识雄厚、学识渊博,却没有充分了解自己学生的特点和接受能力,教学效果不理想。

    例如,本节课的备课时要分析学生学情: 学生在初中已学过生态系统的有关知识,高二的学生对生态系统的基本内涵有了初步的了解,但对于生态系统的组成和生态系统的判别依据还不太清晰,所以在备课时,要充分考虑到是在学生已有的知识基础上讲授这节知识,备课中就可以通过知识的横向迁移,延伸、拓展,这样处理学生就比较容易接受。

    4 教学方法的适应性原则

    教学方法是多种多样的,每种教学方法都有其适用的条件和范围。而实际的教学过程是非常复杂的,备课中拟采用的教学方法必须充分考虑教学目的、教学内容、学生情况、教学手段诸因素,并随着这些因素的发展变化而相应的发展变化,不能盲目地照搬他人的教学方法。

    例如,在本节课备课时,可采用探究式教学法。充分运用多媒体课件,比较、归纳与分析各种生态系统的共性,用系统论的观点诠释生态系统的结构,强调结构的成分和营养级(食物链、食物网)。如果选择采用讲解法,学生很容易将生态系统结构理解成由生物群落和非生物的物质和能量组成,而忽略了重点内容——营养级(食物链、食物网)。

    5 教学活动的教育性原则

    在备课过程中要明确树立“教学活动必须具有教育性”的观点,才能自觉将思想教育因素渗透到教学中去,发挥教书育人、促进学生全面发展的功能。

    例如,要考虑到本节内容的现实教育意义,结合学生的时代特点,在课堂最后,笔者和学生一起唱《地球生命力》这首歌,并且把部分歌词展示出来:“酸雨降落,是自然环境抗议的结果,街头月光混浊,人在雾霾里穿梭,飞尘掠过,又有谁希望城市成沙漠,亲爱的请听我说,人类就一个地球,它若是坠落,我们能迁往哪个星球,这家园只此一个,请好好保护地球,别到最后才懂得去挽救,亲爱的请听我说,人类就一个地球。”经过这样处理,不但让学生从知识上认识到自己是生态系统的成员,还要求大家一起去保护环境,爱护我们自己的家园———地球。

    6 备课的反复性原则

    备课的反复性是指对备课的构思或教案,都要作反复的推敲,通过构思内化的操作过程,即对教学过程的各个环节,包括导入、教学方法的运用、重难点的突破、实验的演示、语言的表达以及板书、教学媒体的应用等,做深入细致的思考与安排,并对教案作必要的调整、补充和完善,从而达到深化备课、形成成熟教案的目的。坚持备课的反复性,通过不断的反思自身的教学行为,扬长避短,促进教师专业化发展,对增强教师尤其是新教师的备课能力,不断提高教学质量起到重要的作用。

    例如,在本节课备课时,经反复推敲、斟酌学生的学法,最后确定采用讨论法、合作探究的学习方法,充分发挥学生的主动性。教师积极引导组织学生探讨问题,协助学生构建生态系统的结构模型,使教材中抽象的理论内容变得形象且容易理解。在教学素材准备时,也要经过反复琢磨,总结以前教学的得失,在已准备了多媒体课件的基础上,还安排学生在课前制作生态瓶,来分析生态系统的概念和范围。通过这样反复的实践、总结、改进,备课的水平和教学效果有很大提高。

    此外还应该考虑备课的发展性,针对知识的发展、教学方法的改革和学生的发展变化实际,即使是已经成熟的教案,也应该不断修改、充实和完善,不重复使用同一教案;还应考虑备课的衔接性,既要考虑知识的应用,又要为学习新知识铺路。

    主要参考文献

    [1] 张引. 2013. 新课程观下的新型备课理念与方式. 现代教育科学( 中学教师) ,( 1) : 57?57


    论高中生物学课堂教学中思维活动与表现活动的相融相生
    薛晓红, 解凯彬
    2018, 43(1):  24-25. 
    摘要 ( 104 )  
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    思维活动与表现活动是生物学课堂中两种重要的学习状态,思维能力与实践能力的发展既互为因果又相互牵制,辨证把握好生物学课堂教学中思维活动和表现活动的关系,合理设计两者在教学中的互动,使两种活动更贴合教学的实际需要,更顺应学生学习心理的变化,就能充分发挥两者相互促进的关系,提升课堂教学效率。

    正文:

    思维能力是学生学习过程中最需要的能力和最有用的工具,也是青少年学生心智成长的重要指标,简称“思”。表现活动通常是指学生直接参与的探究、讨论、制作、交流、表演等能表现学习状态的活动。生物学课堂中的表现活动还包含课堂实验、野外实践等专项学习活动,表现活动通常简称为“做”。课堂教学中把握好思维活动和表现活动的辩证关系,合理设计思维活动与表现活动间的互动,对于高中生物学课堂而言是一个有价值的研究视角,值得思考与实践。

    1 用表现活动引领思维活动的展开

    1.1 做在思维的发散处 科学探究通常需要在多向的可能性中寻找一条正确的道路,发散思维是发现可能性的前提。“做在思维发散处”可以使发散思维变得直观、有序、丰富,能为发散思维的逐步聚焦提供更直接的素材,也能让学生更充分地体验发散思维的乐趣和意义所在。

    例如,在“细胞膜的流动镶嵌模型”的教学中,教师先指导学生了解磷脂分子的结构和极性基团,这时“磷脂分子将如何在细胞膜中排布”自然就成为思维的发散点。随后请学生动手“排出”或“画出”磷脂分子在细胞膜中各种排布的可能性,就是一个很有必要的表现活动,它可以使学生分别把思维发散的各个方向逐一呈现出来。然后,结合磷脂分子的极性部位和细胞膜两侧面临的水环境,逐一排查每种模型的可能性,这个过程使发散思维变得有序。同时,其他相关知识的适时运用,使学生的发散思维逐步聚焦到双层磷脂分子的排布方式上,为下一步探究找到了最合理的方向。

    1.2 做在思维的聚焦处 学离不开思,思维的聚焦处往往是学习的重点或难点。在思维的聚焦处设计有序的表现活动,可以引导学生的思维由表及里、由浅入深、由繁入简、由单一变综合,帮助他们逐步达成对重点、难点问题准确全面的理解。

    例如,“基因表达载体的构建”是基因工程的核心环节,也是该节知识的重点和难点。初学这部分内容时,学生常常困惑: 为什么要用同种限制酶切割目的基因和运载体?深入研究更为合理的表达载体时,学生又会产生新的困惑: 为什么用两种限制酶分别切割目的基因和运载体是构建表达载体过程中更为合理的技术环节?因此,如何构建一个更为合理的基因表达载体是学生学习过程中思维的聚焦点。这时,设计表现活动化解学生思考的难点是很有必要的。可用画有碱基对的纸条模拟目的基因和运载体作为表现活动的素材,教师先请学生用同种限制酶切割目的基因和运载体,然后模拟用DNA连接酶将4个相同的黏性末端连接起来。基于这一项表现活动,学生产出两点质疑: ①四个黏性末端完全相同,DNA片段可能自身环化;②目的基因在表达载体上的连接可能是反方向的,这会影响基因的表达吗?看来用同种限制酶切割目的基因和运载体似乎并不是最好的方法。可以用不同种的限制酶吗?针对令人纠结的问题,学生的表现活动继续成为思考探索的抓手。有学生拿着手中的纸条兴奋地比划起来……这个案例呈现的是: 当学生在思维的聚焦处百思不得其解时,表现活动是化解思维聚焦处纠结的好方法。

    1.3 做在思维的延伸处 引导学生用学过的基础知识去辨析具体问题,把思维从对基础知识的理解中延伸开去,能够帮助学生进一步巩固知识,学习举一反三。

    例如,在减数第一次分裂中,每对同源染色体两两分离导致非同源染色体自由组合,这是理解基因规律的重要的细胞学基础。记住这一知识点的表述似乎并不难,但遇到具体问题时,学生常常会暴露对这一知识点理解上的漏洞,不同的学生还会有不同的误解。单调地加重语气或重复的讲解不一定能引起学生的重视。这时生动有趣的表演活动反而能激发学生深入学习的兴趣。表演活动前,教师提出了一个值得延伸思考的问题: 对于人的精子或卵细胞中的染色体而言,它们同时来自父亲或母亲的可能性有多大?有学生快速得到答案,但大部分学生有迟疑。这时课堂表演活动能够把抽象的思考转化成快乐的表演: ①四位女生代表随卵子而来的母方染色体,四位男生代表随精子而来的父方染色体;②他们混合在一起,代表受精作用;③此处省略表演有丝分裂、细胞分化;④减数分裂第一次分裂时,原先规定好代表同源染色体的各对男女学生两两配对,表示同源染色体联会;⑤各对男女学生两两分离表示同源染色体分离;⑥由于每一对男女学生分离时移向哪一侧是随机的,当这一环节重复多次时,最终形成的两组学生的组合就非常多……这项表演活动看似简单,但它让思维的延伸变得直观: 四对同源染色体分离后形成的配子中的染色体组合尚且有这么多,那么23对染色体的两两分离最终形成的配子中染色体的组合就更多了……这项表演使学生把“非同源染色的自由组合是配子多样性的重要原因”变成了直观有趣的感受,让思维在表演中延伸能使学生在举一反三中达成对具体知识更精准的理解。

    2 思维是表现活动的导引与提升

    2.1 带着问题去实践 “带着问题去实践”是指让思维为实践引路,引导学生更细致地品味实践的过程性体验,更深刻地感悟实践的意义与价值。

    例如,在关于转基因技术的安全性讨论中,人教版教材只是提供了基本观点和有限的素材,学生对于转基因技术的态度是支持还是反对,一时间拿不出有依据的个人态度。用“对于转基因技术的应用,你支持或反对的理由是什么?”为导引,指导学生开展资料查询、合作讨论、小组论辩、小论文写作与交流等表现活动,不仅能够引导学生找到支持或反对转基因技术应用的理由,更能够引导学生体会知识的浩瀚,品味阅读的方法,体验思维的乐趣。

    2.2 让反思提升实验的价值 实验是生物学教学中最常见的课堂表现活动。实验后的反思是引导学生将感性认识转化为理性认识的重要环节。

    例如,“绿叶中色素的提取与分离”实验后,几乎每位学生都得到了一张有色素带的滤纸条。这张小小的滤纸条也给学生带来了一定的成就感,承载了学生实践的快乐。但引导学生思考“滤纸条带来的启示”,能使学生从实验的感性认识过渡到理性分析中。笔者采用了以下问题串引导实验后的反思: 四条色素带高低先后的次序说明了什么?四种颜色验证了什么?色素带的宽窄说明了什么?为什么有的同学的滤纸条上色素带很淡,甚至若有如无?

    这一反思环节一方面使学生对实验原理、现象、结果、实验操作等的认识更深刻;另一方面,也引导学生深入思考实验的科学价值,从实验中得到更多的启示。

    2.3 用创新思维激发创新实践 创新思维是一种复杂的、高级的心智活动,但并不是高深莫测、遥不可及的。生物学教学中可培养学生创新思维之处也随处可见,关键在于教师要善于激发和引导。

    例如,传感器是物理学技术应用于生物学教学的新“武器”。笔者应用传感器测试常见果蔬(苹果、香蕉、黄瓜等)中过氧化氢酶的催化效率,引起学生很大兴趣。当这些学生学到光合作用与呼吸作用的关系时,就有学生提出,用传感器代替毛细管直接测试密闭容器内氧气或二氧化碳的浓度变化是更直接便捷的方法……

    这样的案例有很多,教师用创新思维指导创新教学,就是给学生做出好的示范。学生中的创新潜力是巨大的,如有学生为了观察离心力对生长素分布的影响,把小麦胚芽鞘绑到了持续昼夜转动的大吊扇上;还有学生尝试用合适的溶剂提取花瓣、橘皮中的色素……可以说他们的创新思维与实践甚至给教师的教学以滋养和反哺。


    生物学课堂生成性教学价值观的建构
    魏正惠
    2018, 43(1):  26-27. 
    摘要 ( 110 )  
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    本文从生成性教学价值的整体认识、学科认识和课堂设计认识三个层次,建构生物学课堂生成性教学价值观,有助于教师更好地认识和实现生物学科价值。

    正文:

    当前中学生物学课堂生成性教学存在的诸多困惑和迷茫,很大程度上是缺失价值观指导造成的。正确理解生成性教学的本质,树立正确的生物学课堂生成性教学价值观,才能在课堂实践中自觉地、持久地贯彻并实现生成性教学的价值。生物学课堂生成性教学价值观的建构,可以从整体认识、生物学科认识和课堂设计认识三个层次上依次进行。

    1 生成性教学价值的整体认识

    整体认识生成性教学价值,必须从课堂教学在育人中的价值认识入手,思考教学要培养怎样的人。“教书”与“育人”不是两件事,教师实际上通过“教书”实现“育人”[1]。生成性教学通过教学的整体弹性设计、教学过程的灵动展开,促进互动生成,有利于学生真实的体验,形成自身的技能,养成良好的品德,感受成长的快乐,从而实现育人的价值[2]。

    生成性教学价值还体现在教师的自身成长上。在实现教书育人的过程中,教师的专业知识、专业技能、专业理想和自我认识等方面都能得到成长。生成性教学不只是为学生成长所做的付出,也是教师自己生命价值的体现和自身发展的组成。总之,生成性教学的价值观体现在对学生“主动健康发展”的教育价值和教师自身生命成长的实现价值。

    2 生成性教学价值的学科认识

    生物学科生成性教学的价值观是将整体的生成性教学价值观向具体课堂转化的重要衔接环节。生物学科有独特的育人价值,集中体现在生物学科的核心素养上。生物学核心素养是学生在生物学学习过程中形成的必备品格和关键能力,是学生内化的带有生物学科特性的品质,是形成科学素养的关键[3]。

    中学生物学课程在学生核心素养发展方面的基本价值是理解生命、理解生物学[4]。因此,生物学科生成性教学应引导学生形成热爱科学,追求真理、实事求是的态度,养成乐于和勇于探索生命奥秘的精神与独立思考的意识,具备参与社会事务和社会决策的生物学常识,感悟生物学思想、方法,建立对生物学的理解。

    例如,人教版高中生物学教材“现代生物进化理论的由来”一节的生成性教学,应当挖掘该节丰富而独特的生物进化观点、科学世界观等育人价值,而不仅仅局限于具体进化知识的掌握上。有了生物学科生成性价值观,这些符号化了的知识,才能被激活,成为引导学生逐步建构科学世界观的载体,发挥形成进化观点的育人价值。

    对于教师而言,同样具有生命价值实现的需要。只有教师明确生物学科生成性价值,才能在拓展了生物学科独特的育人价值的同时,为学生提供生物学科独特的视角、思维的策略和逻辑。例如,在DNA双螺旋结构、DNA的半保留复制等生成性教学中,引导学生认识其中蕴含的生命美。为学生提供唯有生物学科的学习才能获得的经历和体验,提升独特的生物学科美的发现和表达能力,从而实现自身生命价值的提升。

    3 生物学课堂生成性教学设计的价值认识

    生成性教学的价值观,只有落实到具体的实践中,才有建立的可能。在每节课的具体设计中建构生成性教学价值观,是将前两个层次理论上的认识逐步落实到实践中的最后准备,即思想上的认识如何落地的建构。生成性教学强调课程的动态生成,课堂上要有学生主动参与的时间和空间,设计中就要“留白”,要有可灵活操作的方案设计。“弹性化的教学方案设计”为教学过程的动态生成创设条件。

    例如,“现代生物进化理论的由来”一节的生成性教学弹性设计(节选)如下:

    (1) 片段一: 从拉马克的进化学说到达尔文的进化论展示拉马克、达尔文的生平材料,思考: 拉马克的进化学说、达尔文的自然选择学说的主要内容是什么?拉马克进化学说的时代进步意义表现在哪些方面?达尔文进化论的进步性表现在哪些方面?引导学生对比分析,通过追问、评价,引导对科学知识、科学理念会发生变化的认识。

    (2) 片段二: 从达尔文的进化论到现代生物进化理论精选材料展示,思考: 达尔文时期的生物科学发展水平对其进化论的限制作用具体表现在哪些方面?关于生物进化的哪些事实,达尔文的进化论不能很好地解释?组织学生讨论、交流,开展互动,运用激励性评价引导学生认识科学理念是会受到时代发展限制的,也会随时代发展而变化。结合进化理论的发展,尝试归纳,科学认识是如何随时代的进展而不断消长、更替的。

    (3) 片段三: 现代生物进化理论极大地丰富和发展了达尔文的自然选择学说展示现代生物进化理论的主要内容,提出问题:“为什么说现代生物进化理论以自然选择学说为核心?”深入思考: 如何理解生物进化知识的主体是连续和稳定的?

    以上弹性化的教学方案设计注重目标及过程设计的“弹性空间”,重在开始、推进、衔接等关键节点,可为教学过程实践留下可变的弹性空间,为学生留出主动参与、积极互动、创造生成的可能,使课堂教学回归它的生成性本质。

    这样的弹性化设计方案,就不是仅仅传授生物进化的知识,而是以生物进化知识为载体,实现学生比较、分析、表达、思维等能力的提升,实现在“教书”中“育人”的价值,促进学生主动健康地发展。在师生的积极互动中,不断擦出创造的火花,实现师生生命的发展。使生成性教学为学生的主动健康发展服务的价值观有了具体落地和实现的可能,使生物学科独有的、丰富的育人价值在生成性教学中得到了拓展和实现。

    主要参考文献

    [1] 叶澜. 2003.重建课堂教学价值观.生物学教学,28( 2) : 4 ~ 6

    [2] 叶澜. 2002. 重建课堂教学过程观———“新基础教育”课堂教学改革的理论与实践探究之二. 教育研究,273( 10) : 24 ~ 30

    [3] 吴成军. 2016. 基于生物学核心素养的高考命题研究. 中国考试,( 10) : 25 ~ 31

    [4] 谭永平. 2016. 中学生物学课程在发展学生核心素养中的教育价值. 生物学教学,41( 5) : 20 ~ 22


    浅谈高中生物学课堂“好问题”的设计
    吴久宏
    2018, 43(1):  27-28. 
    摘要 ( 82 )  
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    基于“问题和问题解决”常应用于高中生物学教学设计中,本文结合具体实例阐述了“好问题”的基本特征及设计,从而催生有内涵的课堂。

    正文:

    基于问题解决的教学设计最能调动学生的学习欲望,而问题设计则是课堂的“心脏”,好的问题能最大程度激发学生的好奇心和求知欲,能提升学生的思维品质从而形成学生受益终生的关键能力。但“好问题”有什么基本特征,又如何设计呢?

    1“好问题”要对学生的思维产生一定的“侵略性”

    在平时的观摩课中,将文本知识“填空化”的提问还屡见不鲜。例如,在“ATP是直接的能源物质”一节中,有教师提出如下“问题串”让学生进行讨论: ①ATP的中文名称是什么?②ATP中的“A”“T”代表的含义是什么?③ATP由哪些元素组成?试问: 这三个问题涉及的是事实性的知识,缺乏深度思考的价值,有没有必要花课堂时间让学生去讨论、探究?

    在这一课题的引入时,通过“创设实验情境→诱导思考→剖析实验现象→自悟实验结论”的程序,可取得较好的效果。首先,呈现实验背景: 离体的蛙腓肠肌(具生物活性),针刺后会收缩。多次刺激后使其不再收缩。提出问题: ①受刺激后的肌肉不再收缩的原因是什么?②怎样才能让肌肉恢复收缩能力?随后,提供实验方案及结果(图1),提出问题③分析该实验现象,你能得出什么结论?

    通过上述实验现象的分析,让学生直观感知到: 只有加了ATP溶液的那一组,针刺后肌肉才会收缩,这时学生自然会悟出ATP是直接的能源物质。在此基础上,简要解读一下ATP的分子组成。

    图1 蛙离体腓肠肌在三种不同溶液作用下针刺后的反应

    “好问题”的设计要能“侵略”学生已有知识和经验,进而引发认知冲突,体现“学以致用”的教学原则。当然,设计富有“侵略性”的问题,要注意难度的把控,要适合学生的“最近发展区”,如果所提问题超越了学生思维的边界,学生没有能力回答,也不是好问题。

    2“好问题”要对教学具有“聚焦性”

    教学目标是组织课堂教学活动的“灵魂”,一切教与学的活动都要在目标的指引下前行,一些“满堂问”导演的表观热闹课堂,导致教学重点模糊,难点没有得到突破,走出课堂,学生获得的是零散、杂乱的知识碎片。

    2.1 问题设计要聚焦“核心概念” “核心概念”是学科结构的主干知识,展现当代学科图景,围绕核心概念

    进行课堂教学已成为优质课堂的主要特征之一。例如,“减数分裂”是“必修2遗传与进化”非常重要的“核心概念”之一,本节课的问题设计应该主要从以下几个方面展开: 同源染色体在何时分开?着丝点在何时分裂?染色体在哪一阶段减半?为什么说减数第二次分裂是一次特殊的有丝分裂?与有丝分裂相比,减数分裂过程中染色体行为有哪些特殊之处?……以上问题,紧扣课堂重点,始终引导学生思考“减数分裂”概念中“减”的含义,这样教与学的主线脉络清晰、直观。

    又如,在必修3“种群的特征”一节中,在课堂开始时,可出示资料(图2),请学生自学教材相关内容,思考资料中划线部分的含义是什么?学生在这些问题的指引下,主动走进教材进行新知的探寻。教师课堂总结时,再次回应这段资料,整理出对应的概念(图2)。这样,学生对一些抽象的数据直观化解读,概念理解起来也容易得多,更重要的是引领学生运用所学的知识解读、解析生活中的数据,对学生的生物学科素养提升大有裨益。

    图2 第六次全国人口普查某省部分数据

    2.2 问题设计要聚焦学生认知难点 教师要精于分析并把控学情,找准学生原有认知水平与新知识之间的差距,剖析学生的认知障碍处,通过层层递进的“问题链”引领学生拾阶而上,从而易化难点,久之学生也会学到突破难点的方法。例如,在“卵子的形成”这一节,学生对分裂过程中的“细胞质两次不均等分裂”不理解,如果采用“讲授法”直面灌输效果往往不好,在这一难点上,可设计以下问题: ①哺乳动物体内最大的细胞是什么?(学生回答: 卵细胞。)②在“细胞大小与物质运输关系”实验中,我们得知: 细胞体积越小,相对表面积越大,物质运输的效率就越高。那么,卵细胞如此之大,岂不是与该结论矛盾吗?学生此时非常困惑,教师做一定的认知铺垫: 受精卵形成以后进行有丝分裂、分化形成胚胎,在分裂早期要消耗大量能量,这需要营养保障,而营养不能从外界吸收,只能靠细胞自身提供。③请学生预测,受精卵早期分裂营养主要来自精子还是卵细胞?(学生回答: 卵细胞。)④一个卵原细胞最终形成几个卵细胞,才能保证营养最大化?(学生回答: 1个。)⑤如果卵原细胞形成卵细胞分裂过程与精原细胞形成精子时一样也是细胞质均等分裂,这样行吗?如果不可行,你认为该如何解决这个问题?(学生会联系到减数第一次分裂时细胞质不均裂,减数第二次分裂时细胞质再次不均等分裂。)

    通过以上5个层层递进的问题提出与问题解决,学生会自然悟出“不均裂”的意义所在,这比直接讲解效果要好。

    3“好问题”对发展学生的质疑能力具有“启迪性”

    “好问题”的设计要引领学生善于在无疑处生疑,从看似平常中见奇,这是学生持续学习的宝贵品质。例如,在“遗传因子的发现”第1课时“基因的分离定律”新授课时,可带领学生一起“穿越”到孟德尔时代,在“一对相对性状的杂交试验”中,可设计这样几个问题:

    ①孟德尔把买来的34个不同品种的豌豆一起试种了2年,这些种子都产生了完全稳定和各自相似的后代,这能说明什么问题?这样有什么好处?试种有什么意义?通过这个问题,引出豌豆在自然状态下为纯种,进而进一步揭示出“自花传粉”“闭花受粉”的特点;通过试种,让学生体会到科学的严谨和艰辛的付出,有利于升华学生的情感体验。②孟德尔时代,人们对遗传的认识还很粗浅,基本认同“混合遗传”学说: 遗传是“黑+白=灰”,由此推理,纯种高茎和矮茎杂交的后代理论是什么?而孟德尔实际实验的F1全是高茎,如果你是孟德尔,你当时会有哪些想法?让学生和孟德尔一起产生“惊讶”进而激发学生提出假说,体验“假说—演绎”这种科学研究方法的基本程序,培养学生的科学素养。③谁能解决孟德尔的“困惑”?——孟德尔当时的杂交实验: ♀高茎×♂矮茎→F1高茎,孟德尔当时怀疑: F1全是高茎,是不是因为亲本的母本选择的是高茎?请设计实验,消除他的“困惑”。这个问题的提出,容易激发起学生的探究热情,学生很快会想到“♂高茎×♀矮茎”这样的杂交组合,在这里自然渗透了遗传学的重要实验设计思路: 正、反交实验。

    总之,课堂问题设计要在“质”上下功夫,要能聚焦课堂串起教学主线,要能提升学生的思维品质,从而提升学生的核心素养。

    (基金项目:江苏省中小学教学研究第十期课题“基于乡土资源的化学生物学科融合的校本课程的研究”,No.2013JK10—1004)


    两种知识表征方式教学效果的比较研究#br# ——以“蛋白质的结构及其多样性”为例
    郑云桓 胡桂平
    2018, 43(1):  29-30. 
    摘要 ( 134 )  
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     在实际教学过程中,知识表征的方式会影响学生对知识的理解和建构。针对“蛋白质的结构及其多样性”这一教学内容,运用多媒体表征和模型表征两种知识表征方式进行对比实验,结果表明模型表征方式更利于学生对该教学内容的掌握。

    正文:

    1 知识表征方式

    生物学教学中常用的知识表征方式有文字表征、图示表征、多媒体表征、模型表征、实验表征等多种类型。现代认知心理学的研究表明,人类知识获得的过程并不是对外部物化知识的简单复制,而是要经过内部的深度加工,才能有意义地建构自己的认知结构。实际上,教师选择的知识表征方式对学生的内部加工过程影响巨大。但是生物学教学中相关的实证研究甚少。笔者以人教版高中生物学教材必修一“生命活动的承担者——蛋白质”一节为例,采取多媒体表征和模型表征两种不同方式进行了教学实践研究。

    2 两种知识表征方式的比较研究

    2.1 教学内容分析 课程标准对本节内容的要求是: 概述(理解水平)蛋白质的结构和功能以及蛋白质多样性的原因。由于高一学生缺乏氨基酸等有机物的基础知识,而蛋白质的结构微观、复杂、抽象,因此学生对蛋白质结构和功能多样性的认知存在困难。

    2.2 两种知识表征方式 多媒体和模型是生物学教学中常用的知识表征方式。

    2.2.1 多媒体表征 多媒体是把多种媒介利用起来,形成集文字、声音、图像和动画等于一体的信息表征方式[1]。其优势在于使知识的表达从简单抽象、走向模拟仿真,给学习提供类似真实的情景,同时对多种感官进行刺激,大大弥补了文字表达形式的不足。生物学中存在许多微观、抽象及动态变化的知识内容,而借助于多媒体表征,可以将微观变宏观、化抽象为具体,形成丰富的直观认识,减轻学生的认知负荷,化解学生的认知困难。

    2.2.2 模型表征 模型的形式有多种,包括物理模型、概念模型、数学模型等。模型表征中的模型一般是指的物理模型,通过实物或图画形式直观地表达对象的特征。

    生物学中包含着大量微观抽象的知识,可以利用物理模型组织教学,变抽象为具体,化不可见为可见,有利于学生直观地认识物质的空间结构。例如,利用有色导线这一随处可见、成本低廉的道具,制作蛋白质结构模型、细胞周期各时期染色体结构模型以及晶状体曲度调节原理模型,将微观抽象的生物学知识通过一根导线所制作的实物模型呈现在学生面前,化解了学生的认知困难,操作过程又简易可行[2]。另外,也可以让学生主动参与制作生物模型,在做中学,使学生获得丰富的实践经验,动手能力和创新能力也得到了培养。

    2.3 两种知识表征方式的教学实践 选取某中学高一年级两个平行班(按中考成绩平均分班,基础相同)进行教学实践。

    2.3.1 教学实验设计 除去关于“蛋白质的结构及其多样性”这一内容的讲授方式不同,其他部分内容的讲授方式在两个平行班完全一致,使用多媒体动画方式讲授蛋白质的结构及其多样性的班级称为“多媒体表征组”,而以建构模型来理解蛋白质结构和多样性的班级称为“模型表征组”,具体教学操作过程如表1所示。

    表1 教学实验操作过程对比


    2.3.2 教学实验结果 本节课教学结束后,围绕教学内容,编制了测试卷(总分50分)进行教学效果的检测。测试结果表明,“蛋白质的结构”“蛋白质多样性的原因”“有关蛋白质的计算”三个部分模型表征组的平均均高于多媒体表征组,多媒体表征组的测试总平均分是39. 93 分,模型表征组的测试总平均分是42. 05 分。统计学分析发现,两组成绩存在显著性差异( P = 0. 039 < 0.05),模型表征组的成绩要好于多媒体表征组。

    3 结果分析

    以上结果表明模型表征组在“蛋白质多样性的原因”这一部分表现出的优势明显,更加有利于学生对于该部分内容的理解和掌握。从课堂观察角度来看,模型表征组课堂气氛较为活跃。当学生得知要建构模型即表现出极大的兴趣,认真听取建构模型的规则。在建构模型过程中,学生像在做游戏一样全身心投入其中,认真选取氨基酸依次填入至纸条上,时不时与同伴进行小声的讨论。纸条“蛋白质”建构完成后,在教师的引导下学生之间互相交换模型,并积极地进行讨论,寻找模型之间的不同之处。教师引导总结时,学生认真听讲,思维活跃,课堂氛围轻松愉悦。而多媒体表征组的课堂气氛相较于模型表征组较为平淡,且在动画演示结束之后,学生间缺乏交流和讨论。积极的学习氛围与广泛的参与,这是模型表征组在最终的测试中表现得更好的重要原因。因此教师要重视直观教学,让学生充分利用身体感知或探究生物学相关概念的教学内容[3],提高教学的有效性。

    当然多媒体表征所具有的优势也是毋庸置疑的,即多媒体善于展示动态变化的过程,如减数分裂的过程、DNA的复制的过程、基因指导蛋白质的合成的过程等。而模型表征则更适用于噬菌体模型、DNA分子模型、流动镶嵌模型等静态模型的教学。需要注意的是,建构模型需要耗费较多的时间且课堂气氛容易过于活跃,教师在实际教学过程中应该要注意对教学进程的把握和课堂秩序的管理。

    (基金项目:江西省高校教改课题,课程语义图示与碎片化学习,No.JXJG-15-2-34;*通信作者)

    主要参考文献

    [1] 赵慧臣,文洁. 2011. 信息时代知识表征的特征分析与应用策略. 中国现代教育装备,( 19) : 108 ~ 110

    [2] 徐红玲. 2012. 使用有色导线制作生物教学用模型. 生物学教学,39( 1) : 27 ~ 29

    [3] 胡桂平. 2013. 具身认知理论对生物学科教育的启示. 生物学教学,38( 6) : 9 ~ 11


    在解构错误前概念中建构生物学科学概念
    吴海燕
    2018, 43(1):  30-32. 
    摘要 ( 66 )  
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    本文例谈了生物学教学中采取“引发认知冲突、加强实践体验、注重学以致用”等策略,解构学生的错误前概念,建构科学概念。

    正文:

    学生在学习生物学之前已有一些生物学前概念。其中与科学概念一致的前概念,是学习科学概念的良好基础,是新概念形成的生长点;与科学概念相违背的,可定义为错误前概念,如果得不到及时解构,会阻碍科学概念的建构。

    《义务教育生物学课程标准(2011年版)》凸显重要概念的传递。强调在教学过程中,教师必须注意到学生头脑中已有的概念,特别是那些与科学概念相抵触的错误概念,帮助学生消除错误概念,建立科学概念[1]。本文例谈了如何在生物学教学中帮助学生解构错误前概念、建构科学概念的策略。

    1 学习借鉴概念转变理论

    概念转变是学习者由前概念向科学概念的转变过程,是学习者自主建构的过程,是“同化”和“顺应”统一的过程。概念转变理论认为一个人原来的概念要发生顺应需要满足四个条件: ①对原有概念的不满;②新概念的可理解性;③新概念的合理性;④新概念的>有效性。概念转变理论的教学策略: ①提供有挑战性的情境,学生做出个人预测;②小组讨论、班级交流预测与解释,暴露前概念;③小组为单位,设计实验来检验预测;④展开讨论,使学生初步接受科学观念;⑤在新情境中进一步巩固科学概念[2]。

    2 解构错误前概念,建构生物学科学概念的有效策略

    运用概念转变理论观点指导生物学教学,采取“引发认知冲突、加强实践体验、注重学以致用”策略,解构错误前概念,建构科学概念。

    2.1 引发认知冲突,暴露错误前概念 教师通过一定的方式,如提问、问卷调查、检测等了解学生的前概念;创设问题情境,组织学生讨论,不同经验的学生之间会产生观念的对立、交锋,引发认知冲突,充分暴露错误前概念。

    例如,在“植物的呼吸作用”的教学时,教师联系前面学习的光合作用创设问题情境: 光照条件下,绿色植物与大气间怎样进行气体交换?无光照环境下,绿色植物与大气间怎样进行气体交换?光照条件下,绿色植物是否有吸收氧气,呼出二氧化碳现象?苹果长时间放在塑料袋内,为何会出现皱缩和发热现象?干燥种子和煮熟种子都有呼吸作用吗?光照条件下,绿色植物为何能表现出光合作用,而表现不出呼吸作用?充分表达后暴露的错误前概念: ①植物只进行光合作用,不进行呼吸作用;②人和动物才进行呼吸作用;③植物白天进行光合作用,夜间进行呼吸作用;④植物只吸收二氧化碳,释放出氧气;⑤植物呼吸消耗二氧化碳,制造氧气;⑥植物呼吸时也需要光。

    再如,在“人体的呼吸运动”的教学时,引导学生思考系列问题: 当你进行呼吸时,感受到胸廓的起伏了吗?胸廓的变化与呼吸有何关系?是由于胸廓扩大导致吸气,还是因为吸气后使胸廓扩大?肺为何可以和外界进行气体交换呢?肺容积是自动地增大或减小吗?肺内的气体为何能够排出肺呢?充分表达后暴露的错误前概念: ①呼吸运动就是在呼吸;②吸气后导致胸廓扩大、呼气后导致胸廓缩小;③不需要其他构造的协助,肺就能自行缩小或扩大;④外界气体进入肺以后肺容积增大、气体出肺以后肺容积减少等。

    2.2 加强实践体验,解构错误前概念,建构科学概念 感性认识是理性认识的基础,要在实践中获得。让好奇、好问、好动的初中生在观察、验证、模拟、探究实验及模型制作等实践活动中建构科学概念,符合学生的认知规律。

    2.2.1 制订并实施探究方案,在探究活动中建构科学概念 在生物学教学中一般可以通过探究性实验来解决认知冲突,学生自己设计实验进行探究,体验探究的过程,通过实验观察得出结论,用真实的探究结果纠正原来错误认识,实现认知顺应,建构科学概念。

    例如,在“植物的呼吸作用”教学中,要证明植物的呼吸现象的存在,最好的办法就是像研究光合作用那样,从植物呼吸时吸收什么气体,释放什么气体、能量的转化三方面设计实验,提示学生根据二氧化碳具有使澄清石灰水变浑浊的特性、氧气可以助燃、热量使温度计温度升高的原理,鼓励引导学生利用萌发的种子、煮熟的种子和实验用具,探究: ①种子呼吸时是否释放二氧化碳,②探究种子呼吸时是否要吸收氧气,探究种子呼吸时是否释放能量。小组汇报分享探究学习的成果,得出结论。

    2.2.2 自制并演示模拟模型,在互助学习中建构科学概念 在生物学教学中,有时可用建模的方法来反映生命活动规律,形象直观,学生更容易接受和理解复杂的原理,发展学生思维,提高学生能力,建构科学概念。

    例如,在“人体的呼吸运动”教学中,“呼吸运动”比较抽象,学生又存在较多的错误前概念,课前组织兴趣小组自制模拟胸部呼吸运动的模型装置(参考苏科版生物学教材图7-8)。课堂在小组讨论基础上,让学生进行深呼吸,体验呼吸时胸廓的起伏,小组内利用模型演示胸部呼吸运动,分享学习成果: 用手向下拉橡皮膜,使膈顶部下降,代表膈肌收缩,“胸廓”的上下径变长,胸廓体积增大,肺容积被动增大,这时气球鼓起,表示的是外界气体进入肺——吸气;手松开橡皮膜,使膈顶部回升,代表膈肌舒张,胸廓体积缩小,肺容积被动缩小,气体从肺呼出——呼气。

    通过模型演示得出结论: 胸廓的变化是由呼吸肌运动引起的,呼吸肌收缩,胸廓扩大,呼吸肌舒张,胸廓减小;胸廓的变化会引起肺容积的变化,肺容积会随着被动地增大或减小;肺容积增大,使得肺内气压小于外界,外界气体通过呼吸道进入肺。反之气体被排出体外。建构呼吸运动的科学概念: 呼吸运动指胸廓有节律的扩大和缩小,它包括吸气和呼气两个过程;呼吸运动的完成主要与呼吸肌的收缩和舒张有关;呼吸运动的意义是完成了肺内气体与外界气体的交换。

    2.3 注重学以致用,在相似概念类比中理顺逻辑关系 引导学生将建构的科学观念运用到其他新情境,形成对科学概念更深刻、全面的理解;建构重要概念之间联系的重要方法是类比的应用,帮助学生正确理解概念的内涵和外延,使概念学习条理化、系统化。

    有关“呼吸”的教学内容是初中生物学教学的重点,也是教学的难点。呼吸、呼吸运动和呼吸作用三个概念名称相近,但内涵不同,大部分学生将三个概念混淆。教师提出相关问题,对相似概念类比辨析: ①人体不断从外界吸收氧气并把二氧化碳排出体外的过程是( );②人体能够不断把氧气从外界吸收到肺并不断把二氧化碳排出体外,其原因是人体不断地进行着( );③人体不断从外界吸收氧气并不断把二氧化碳排出体外,其中二氧化碳不断产生的原因是人体每时每刻都在进行着( )。

    学生回顾相关概念,并以图示的形式呈现进行类比(图略)。

    学生在概念类比的基础上理解三者联系: 呼吸运动完成了呼吸全过程的第一个环节——肺泡与外界的气体交换(肺的通气);呼吸的四个过程为活细胞的呼吸作用提供氧气;生物体通过呼吸作用将体内的有机物不断分解,生成二氧化碳和水,并释放能量,维持生物体各项生命活动。

    总之,教师应充分重视学生的前概念,在教学中使前概念和新学习的概念密切联系,通过同化来扩充自己的图式,丰富发展正确的科学概念,通过顺应来转变错误的认识,形成对概念多维的全面理解,促进生物学科学概念的建构。

    主要参考文献

    [1] 中华人民共和国教育部. 2012. 义务教育生物学课程标准( 2011 年版) . 北京: 北京师范大学出版社,33

    [2] 刘恩山. 2009. 中学生物学教学论. 北京: 高等教育出版社,48 ~ 49



       
    课堂教学
    基于论证教学的“植物生长素”一节的教学设计
    徐岳敏
    2018, 43(1):  32-33. 
    摘要 ( 214 )  
    相关文章 | 多维度评价

    通过系列科学实验论证生长素的存在和作用,培养学生科学论证的思维习惯,建构科学概念和形成批判性思维。

    正文:

    1 教材分析及设计思路

    “植物生长素”是浙科版高中生物学教材《稳态与环境》第1章“植物生命活动的调节”第1节的教学内容。教材中以达尔文父子的实验、波森·詹森的实验、温特的实验、郭葛的实验等科学实验为主线,探索生长素的产生和分布部位、运输方式、生理作用以及应用,对学生的逻辑思维要求较高。

    生长素发现过程的科学史包含了丰富的科学知识、科学思维、科学方法等教学资源,其中科学家发现问题、寻找证据和得出结论的论证思维正是开展论证式教学的极好素材,有利于学生加深对科学知识构建本质的理解,形成基于论证和逻辑推理的理性思维。

    教学中采用论证式教学,围绕某一论题利用科学的方法收集证据,运用一定的论证方式解释、评价自己及他人证据与观点之间的相关性,促进思维的共享与交锋,最终达成可接受的结论。这种教学策略是从资料分析作为论据支持得出主张,在遇到新的论据辩驳原有主张时,不断完善或认可主张[1]。教师以学生领会知识内涵为目标,重点在于论证生长素的发现和生长素的生理作用、特点,教学中努力挖掘和设计问题,引导学生像科学家一样思考,建构科学概念和形成批判性思维,培养学生科学思维和利用所学知识分析解决实际问题的能力。难点在于论证生长素的存在和科学实验设计的严谨思维及论证精神。

    2 教学目标

    2.1 知识目标 解释生长素发现过程中的相关实验,概述不同浓度的生长素对植物生长的不同作用,阐明生长素在生产实践中的应用价值。

    2.2 能力目标 形成严谨的科学探究意识和批判思维。

    2.3 情感态度与价值观目标 体会科学研究过程中严密的逻辑推理,认同科学发展是一个继承与创新的辩证过程;关注生长素类似物的应用价值及其可能带来的负面影响。

    3 教学过程

    3.1 生长素的产生和分布部位在哪里 第一步,提供资料,形成主张。达尔文在环球考查时发现草芦有向光生长的现象,引导学生提出主张: 植物有向光性。

    第二步,导入主题,引导论证。请学生思考: 会不会是偶尔现象?有没有科学实证?逐个呈现实验: 1880年,英国的达尔文父子用单侧光照射正常胚芽鞘(第一组)、去顶胚芽鞘(第二组)、顶上加不透明帽的胚芽鞘(第三组)、顶上加透明帽的胚芽鞘(第四组)、用不透明薄膜将基部包起的胚芽鞘(第五组)。观察发现分别发生弯向光源生长、不生长、直立生长、弯向光源生长、弯向光源生长(图略)。主张: 胚芽鞘确实向单侧光方向生长,表现出向光性,感光与尖端有关,有某种化学物质从胚芽鞘尖端传递到了下面。在二、三、四组呈现时,分别质疑: 会不会是去掉尖端造成的损失引起不能弯曲生长?会不会是帽本身对生长造成影响?基部是否也可以感光?辩驳: 根据实验得出的假说还是缺乏科学证据。引导学生分析: 必须确定“影响”是否真实存在?为什么造成弯曲生长?

    第三步,追加证据,捍卫主张。提供实验证据: 1913年,荷兰植物学家波森·詹森将一片明胶或云母(化学物质能透过明胶却不能透过云母)分别插在胚芽鞘尖端和其下部之间。结果发现,插有明胶的胚芽鞘发生向光弯曲现象,插有云母片的胚芽鞘则不生长不弯曲。再次主张: 确实有一种化学物质由胚芽鞘尖端向下传递。质疑: 琼脂或云母可能影响实验结果。追加实验证据: 设置对照组,在去顶胚芽鞘上放置空白琼脂块或云母片。结果胚芽鞘不生长,说明琼脂块或云母片本身未影响胚芽鞘生长。

    第四步,鼓励质疑,再次解释。辩驳: 向光弯曲由胚芽鞘尖端本身造成,而非化学物质。如果存在某种化学物质,为什么会使胚芽鞘下部生长不均匀?教师提供实验证据: 1926年,荷兰植物学家温特先将照过光的胚芽鞘尖端切下,放在琼脂块上。设置第一组空白对照,第二、三、四组分别在去掉尖端的胚芽鞘中间、右侧、左侧放一块如图1处理的琼脂块,第五、六组分别在中间和左侧放置空白琼脂块。结果第一组不生长,第二组直立生长,第三组向左侧弯曲生长,第四组向右侧弯曲生长,第五、六组不生长、不弯曲(图1)。

    修正主张: 尖端产生了一种化学物质(后来被命名为生长素),引起胚芽鞘弯曲生长。向光性(生长不均匀)是由生长素分布不均引起的。

    第五步,深入质疑,揭开真相。辩驳: 耳听为虚,眼见为实。可否提取到这种物质(生长素)?20世纪30年代,郭葛提取到生长素,其化学本质是一种小分子有机物——吲哚乙酸(IAA)。确立主张: 胚芽鞘尖端确实产生了一种化学物质——生长素。

    图1 温特的实验(深色表示含有生长素)

    3.2 生长素的运输方式是怎样的 第一步,提供实验数据,提出主张。20世纪20年代,科学家发现在单侧光照射下生长素总量基本不变,但背光侧生长素多于向光侧(图2)。

    图2 单侧光照射影响生长素分布实验

    教师提出主张: 单侧光造成了生长素在向光和背光两侧重新分配,并由向光侧向背光侧横向运输。

    第二步,发现问题,质疑主张。质疑: 生长素都是横向运输的吗?科学家把含有生长素的琼脂小块放在切去尖端的燕麦胚芽鞘的形态学上端,把另一块不含生长素的琼脂小块接在下端,过些时间,下端的琼脂块中即含有生长素。但是,假如把这一段胚芽鞘颠倒过来,做同样的实验,生长素就不向下运输(图3)。进一步的研究发现,其运输速度比物理扩散大10倍,缺氧或呼吸毒物(氰化物等)会抑制其运输[2]。完善主张: 生长素在尖端横向运输,由向光侧运向背光侧,而在尖端以下是极性运输,由形态学上端运向形态学下端。

    图3 生长素极性运输实验

    3.3 生长素有什么生理作用和应用价值 辩驳: 生长素真的都是促进生长吗?解读数据,修正主张: 生长素作用的一个特点是低浓度促进生长,高浓度则抑制生长,而且往往与发生作用的器官有密切关系,其敏感性从大到小依次为根、芽、茎(图略)。质疑: 生长素类物质有无其他激素?农业生产怎么利用生长素呢?引导学生寻找证据,确立主张: 现已证明,除了吲哚乙酸(IAA),苯乙酸(PAA)存在于番茄、烟草等植物中,4-氯-3-吲哚乙酸(4-Cl-IAA)存在于豌豆、山黧豆等未成熟种子中[2]。因生长素含量极低,农业生产中应用其类似物,具有与生长素类似的功能,如2,4-D和萘乙酸等。

    深入追问: 生长素或其类似物的作用都是积极的吗?提供图片资料: 顶端优势的应用(果树栽培、园艺、行道树);生产无籽番茄;促进扦插枝条生根;防止落花落果;除草剂(萘乙酸、2,4-D、2,4,5-T等),其中落叶剂2,4,5-T在合成时产生致癌物质二英。

    完善主张: 生长素及其类似物在农业、园艺等生产实践中有着广泛用途,产生了积极的效益,但也会产生负面影响,应加以控制和预防。

    4 教学反思

    应用论证教学,能较好地培养学生的科学思维、批判思维习惯,课堂的吸引力也更大。论证式教学非常注重论据,教学以提供理由或论据的方式互动交流,捍卫或批驳某个立场或观点,是一种充满理性的教育方式。这种教学方式不仅有利于学生批判性思维等多种思维的发展,也有利于学生对科学概念和科学本质的认识,有利于学生发展核心素养和学习潜能。

    主要参考文献

    [1]许桂芬.2014.论证式教学在“基因是有遗传效应的DNA片段”教学中的应用.生物学教学,39(6): 7~9

    [2] 潘瑞炽.2012.植物生理学.北京: 高等教育出版社,196~206


    实验教学
    基于理性思维的高中生物学实验教学进阶
    任梦然, 李秋石
    2018, 43(1):  34-36. 
    摘要 ( 110 )  
    相关文章 | 多维度评价

    高中生物学实验教学是培养学生生物学科核心素养的主要阵地,本文从实验材料、实验装置、实验变量、实验目的和任务难度5个角度说明如何在实验探究教学中实现进阶,以引导学生进行科学探究,建立理性思维,落实核心素养的培养。

    正文:

    中学生物学科核心素养中的理性思维即崇尚并形成科学思维的习惯,能够运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象及规律。理性思维强调有明确的思维方向、有充分的事实或理论依据、有推理和论证的过程。生物学是一门以实验为基础的学科,科学实验的开展可以帮助学生理解科学概念,认识科学本质,形成科学思维。可见,实验教学是培养学生理性思维的有效途径。

    真实的实验教学需要创造有价值的问题情境,结合学生已有的知识和技能,自主思考,合作探究,推理论证,真正像科学家一样研究和探索新知。然而,该过程的实现不是一蹴而就的,教师在实验教学中,需要根据学生原有的认知结构,针对某一研究主题,依次进阶,螺旋上升,使教学循序渐进,逐级深化。本文从5个角度说明在高中生物学实验教学中如何进阶。

    1 利用实验材料进阶

    实验材料是实验探究的基础,理想的实验材料不是特定的,只要符合材料易得、便于操作、效果显著、经济节省等特点即可。利用多样的实验材料进阶,不仅可以增强启发性,摆脱教材的局限,还可以激发学生的兴趣,自主深入探究,从而大大提高探究的效率。

    以“观察植物细胞的质壁分离及复原”实验为例,教材选取的实验材料为洋葱鳞片叶外表皮细胞,原因是该细胞具有紫色的大液泡,有利于实验现象的观察。此外,教师依次给学生提供红色花瓣、黑藻叶片、洋葱鳞片叶内表皮细胞,让学生探究这3种实验材料的可行性。首先,学生很容易发现红色花瓣与洋葱鳞片叶外表皮细胞的相似点,液泡都是有颜色的。其次,在探究黑藻叶片时,学生需要抛开液泡的思路,锁定黑藻叶片的叶绿体,由于叶绿体的存在,原生质层是有颜色的,同样利于观察。最后,在探究洋葱鳞片叶内表皮细胞时,因为其液泡和原生质层都是无色的,所以探究重点应转移到如何清晰地观察无色植物细胞的质壁分离及复原现象。学生积极讨论,再结合教师的指导,总结出: 调暗显微镜视野,或者改用红墨水等其他有颜色的试剂,可以清晰地观察实验现象。利用这4种实验材料进阶,加强了学生对实验的理解,拓展了学生的思维。

    2 利用实验装置进阶

    实验装置是实验探究的保障。组装实验装置的依据源于对自变量和因变量的分析,最重要的是严格控制无关变量,遵守单一变量原则。为了增强实验结果的说服力,实验装置可以从简易到严密,不断被优化。利用实验装置进阶,训练学生对实验变量的分析和处理能力,让学生认识到实验的科学性和严谨性。

    以“探究酵母菌的呼吸方式”实验为例,该实验的自变量是氧气的有无,因变量是二氧化碳的产生量和酒精的有无。据此,教师提供第一组实验用具和试剂(图1),引导学生画出相应的实验装置图(图2),并分析因变量的检测方法。学生根据实验装置图推测可以通过观察气泡的多少和是否闻到酒味来检测因变量。

    接着,教师提供第二组实验用具和试剂(图3),引导学生画出相应的实验装置图(图4),并分析因变量的检测方法。学生结合教材中的信息,得出相同时间内澄清石灰水的浑浊程度可以判断CO2的产生量。将酵母菌培养液滴入吸管(酒精的检测)。

    最后,教师提出问题: 第二组实验装置有没有不完善的地方?学生经过讨论,画出改进后的实验装置(图5),并做出解释: 增加一个含有澄清石灰水的锥形瓶,可以确保空气中的CO2被全部吸收,避免空气中的CO2对结果的影响。滴加石蜡油,可以使酵母菌培养液完全隔绝空气,创造无氧环境。利用这3组实验装置进阶,学生深刻地体会到科学严密的实验装置对实验的重要性。



    3 利用实验变量进阶

    变量分析是实验探究的关键,对于一个实验而言,自变量单一,但不唯一,随着自变量的变化而变化的量是因变量,因变量也会因材料、试剂、装置的不同而不同。利用实验变量进阶,让学生学会灵活地确定变量,进而开拓实验探究的思路。

    以“探究酶的专一性”实验为例,教师提供淀粉溶液、蔗糖溶液、淀粉酶溶液、蔗糖酶溶液、碘液、斐林试剂等,供学生自由选择,设计实验方案。学生会从熟悉的淀粉、淀粉酶、碘液入手,再加上蔗糖酶,设计方案: 在两个相同的试管中加入等量的淀粉溶液,然后分别滴加等量的淀粉酶和蔗糖酶溶液,在37℃下保温后,再向两个试管中滴加等量的碘液,观察颜色变化。在此基础上,有些学生利用蔗糖、蔗糖酶、淀粉酶、斐林试剂设计了相似的实验。此时,教师提示: 自变量只能是酶的种类吗?底物的种类也能作为自变量。于是,学生利用淀粉、蔗糖、淀粉酶(或蔗糖酶)、斐林试剂再次设计实验。在该实验中,利用自变量进阶,有助于学生厘清思路,经过充分思考,有条理地设计多种实验方案。

    4 利用实验目的进阶

    实验目的是实验探究的核心,实验变量的确定、实验步骤的设计都是围绕实验目的进行的。利用实验目的进阶,对教材基础实验进行拓展和延伸,打破教材对学生思维的禁锢,还学生创新的空间,培养学生的知识迁移能力和实际应用能力。

    以“观察植物细胞的质壁分离及复原”实验为例,该实验目的是观察植物细胞的质壁分离及复原的实验现象。若把实验目的改为“判断成熟植物细胞是否有生物活性”,如何改进实验?学生会想到,将待测的成熟植物细胞浸润在一定浓度的蔗糖溶液中,在显微镜下观察是否会发生质壁分离。若发生质壁分离,则说明有生物活性,若不发生质壁分离,则说明无生物活性。若继续把实验目的改为“测定成熟植物细胞的细胞液浓度范围”,如何改进实验?学生经过一定的分析后会想到,将待测的成熟植物细胞浸润在一系列浓度梯度的蔗糖溶液中,在显微镜下观察,细胞液浓度就介于未发生质壁分离和刚发生质壁分离的蔗糖溶液浓度之间。若再把实验目的改为“比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度”,如何改进实验?学生类比刚才的实验思路,把不同的成熟植物细胞浸润在同一浓度的蔗糖溶液,在显微镜下观察。发生质壁分离所需的时间越短,细胞液浓度越小;反之,则细胞液浓度越大。利用这4种不同的实验目的进阶,由易到难,由浅入深,引导学生挖掘实验的内涵,剖析实验的原理,培养学生的创造性思维。

    5 利用任务难度进阶

    实验教学的最终目标是实现高阶理性思维。设计实验任务难度进阶,为学生的独立思考、讨论探究搭建平台,给学生更多的机会对实验问题进行分析、归纳、推理、判断、质疑以及创新等,逐步发展学生的高阶思维。

    以酶的相关实验为例,教师先布置简单的任务: 写出“探究唾液淀粉酶的最适pH”的实验思路。学生小组讨论,尝试写出实验思路,教师点评和修改后,呈现完整的实验思路: 在一定范围内,设置一系列梯度pH,其他条件相同且适宜,分别测定酶活性,若测得数据出现峰值,则其对应的pH即为最适pH。在教师的指导下,学生总结实验思路的要点: 自变量的设置,因变量的检测和无关变量的控制。接着,教师布置稍复杂的任务: 写出“探究温度对唾液淀粉酶活性的影响”的实验步骤。师生共同探讨,逐渐完善: ①取6支大小相同的试管,分别编号A1、A2、B1、B2、C1、C2;②在A1、B1、C1试管中分别加入2mL淀粉溶液,在A2、B2、C2试管中分别加入1mL唾液淀粉酶溶液,将A组、B组、C组试管分别置于0℃、37℃、100℃水浴锅中进行保温;③一段时间后,将每组的唾液淀粉酶溶液倒入相应的淀粉溶液中,反应一段时间后,每组分别滴加等量的碘液,观察并记录每组的颜色变化。据此,师生总结实验步骤的模板: ①取材、分组、编号;②分组施加实验变量,注意控制无关变量;③一段时间后,观察并记录因变量的检测指标。当学生能熟练书写实验思路和实验步骤之后,教师加大任务难度,让学生评价实验方案: 若除酶外所有试剂均已预保温,则在测定酶活力的试验中,下列操作顺序合理的是: A.加入酶→加入底物→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量B.加入底物→加入酶→计时→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量C.加入缓冲液→加入底物→加入酶→保温并计时→一段时间后检测产物的量D.加入底物→计时→加入酶→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量。学生综合比较4个选项,选择答案C。实验评价的难度系数很高,要求学生具备一定的逻辑思维、批判性思维和分析推理能力。实验思路和实验步骤的设计训练了学生的逻辑思维、分析推理能力以及归纳概括的能力,由此进阶到批判性思维的训练,顺理成章。

    实验材料的选择、实验装置的设计、实验变量的确定、实验目的的分析以及实验思路和实验步骤的探索,都是一种严谨的思维活动。开展进阶的实验教学,学生的分析能力、推理能力、归纳与概括能力、逻辑思维、创造性思维、批判性思维都能在潜移默化中得到提高。

    (基金项目:河北省教育科学研究“十三五”规划2016年度重点资助课题,No.1602055;*通信作者)


    课堂教学
    基于发展生物学核心素养的“细胞核”的教学设计
    李军军
    2018, 43(1):  36-38. 
    摘要 ( 416 )  
    相关文章 | 多维度评价

    根据生物体结构与功能相统一的观点,将教材中独立安排的细胞核的功能与结构两部分内容重组为“细胞核是细胞生命系统的控制中心”这一主题开展教学,并改进“尝试制作真核细胞的三维结构模型”过程与方法。教学设计重在有效达成教学目标,发展学生生物学核心素养。

    正文:

    1 教材分析

    “细胞核——系统的控制中心”是人教版高中生物学教材《分子与细胞》第3章第3节的内容,主要包含细胞核的功能、结构以及模型制作等内容,其中理解“细胞核是细胞生命系统的控制中心”是本节的教学重点,也是教学难点。学好这些内容,不仅有利于学生深刻理解细胞结构与功能的关系,而且为后续学习细胞的增殖、遗传的基本规律、基因的表达以及细胞工程等内容奠定良好的基础。但细胞核体积微小、结构复杂,学生对细胞核相关的前概念储备很少。因此,教学中存在诸多难点。本教学设计经重组教材内容,旨在激发学生自主学习,引导学生动手构建模型等活动,在参与、体验中内化知识,提升能力,发展学生生物学核心素养。

    2 教学目标

    2.1 知识目标 阐明细胞核的结构和功能,简述染色体、DNA、基因、遗传信息的关系。

    2.2 能力目标 筛选并提取资料分析材料中的有用信息,总结得出结论;尝试制作真核细胞的三维结构模型。

    2.3 情感态度与价值观目标 认同细胞核是生命系统的控制中心,认同生物体结构与功能相统一的生物学观念。

    3 教学过程

    3.1 细胞核是生命系统的控制中心 课前,教师调查学情、研读教材与课程标准,设计学案。学案中与教学难点相关的内容为: ①遗传信息的载体是什么?DNA的载体是什么?该载体存在于细胞的那个部位?②细胞核中起遗传控制作用物质是什么?③细胞代谢的主要场所在哪里?④细胞核和细胞质之间有没有屏障?如果有,是什么?⑤生命最基本的特征是什么?⑥细胞核如何透过这一屏障来控制代谢?课堂上,学生研读学案,生成学习目标。

    3.1.1 分组探究,发现本质 针对问题,学生分组讨论、探究解答问题。教学实践证明: 前5个问题学生经回忆之前学习过的内容、观察教材图3-10可以自主解答。而最后一个问题“细胞核如何透过核膜来控制代谢?”学生很难系统作答,这个问题正是突破教学难点的关键所在,可尝试用探究策略突破该问题。

    (1) 针对问题、引导学生做出大胆的假设: ①细胞核DNA在需要时经核孔离开细胞核,在细胞质中发挥关键作用;②细胞核DNA下达某种指令,该指令在细胞质中发挥作用。

    (2) 教师组织学生分组讨论,搜集证据,例证假设的真伪。部分小组认定假设①不成立,理由如下: 经初中生物学的学习,基因(有遗传效应的DNA片段)控制生物的性状。如果DNA能离开细胞核在细胞质中起作用,则教材资料2[1]中无细胞核的蝾螈不会停止分裂。因为总有一部分蝾螈的DNA在受精卵被横溢为两半之前进入无核的一半,这些DNA会促使其继续分裂,但资料2中的实验没有出现上述现象。部分组也提出反对意见,蝾螈被横溢的重复实验结果如何?有没有特殊现象并不清楚。部分小组学生肯定假设②正确,因为从课外阅读资料中获得: DNA会把遗传信息转移给一种叫RNA的物质,但具体怎么控制生命活动,不能系统解释。学生各抒己见,搜集资料,在批判、推理、实证中发展了理性思维、探究能力。

    (3) 教师适度拓展,建构概念(图1)。

    图1 概念图

    3.1.2 总结提升,深化理解 细胞核、染色体、DNA、基因、mRNA以及酶就把细胞核和细胞质中的代谢在空间上联系起来。生命最基本的特征是新陈代谢,而酶是代谢在生命条件下发生的基础。基因的选择性表达使各种代谢在空间和时间上有序表达,表现出有序的生命现象和生命活动规律。细胞核和细胞质互依共存,细胞只有保证结构和功能的完整性,才能完成各项生命活动。

    3.1.3 相互质疑,互助互学,深化理解 进一步让学生在自主质疑、互教中探究并解答问题。对于学生个人的疑问,先让他们自己查阅教材或资料看能否解决,不行的话可在组内交流,互教互学。仍然解决不了的可提交汇总成班级疑问。例如,哺乳动物成熟的红细胞是怎么生活的?染色体、DNA、基因以及遗传信息有什么关系?染色质和染色体之间关系如何?核膜有通透性,为什么还会有核孔?这些是笔者曾经在本节课教学中汇总的学生的疑点。针对这些问题,可通过全班学生的互教或课后查阅资料解决,也可通过教师启发、精讲,引导学生分析、判断、推理,提高学生的理性思维能力。

    教师再质疑: 核孔具有选择透过性吗?如果有选择透过性,请找出证据。进一步深化冲突。通常学生可以列举一些感性证据,但很难全面解答。教师适度讲授核孔的结构、核孔复合体的功能。可采用类比推理的方法解释该问题: 核孔本质上可以理解为核门,核孔复合体类似于门卫。在一般情况下,核孔关闭,核质之间靠小分子物质的穿膜进行物质、信息的交流,当核质之间发生大分子物质的交流和信息传递时,核孔选择性打开,利用自身核孔复合体的载体功能,有选择性地运输特定的物质[2],所以核孔具有选择透过性。

    3.2 协作交流,建构模型 “尝试制作真核细胞的三维结构模型”是课程具体内容标准的要求,是教学中必须完成的。模型建构是发展学生生命观念核心素养的好素材。

    教师提供模型构建的任务卡: 平滑肌细胞、神经元、胰岛B细胞、分生区细胞、保卫细胞、叶肉细胞、大肠杆菌。并根据“能力互补、性别搭配”的原则对学生合理分组,各组领取任务,查阅资料,并在课后完成模型构建、添加注解,准备在下一次上课时进行展示。

    展示模型时,各组成员推选代表讲解建构原因、结构特点以及功能特性,以便互教互学,共同提高。并开展为其他组“模型”写评论的活动,畅所欲言、互相点评,改进完善。教师点评反馈,书写总评。这些环节提高了学生的综合能力,完善学生对细胞的多样性、结构与功能的统一性等生物学观念。

    4 教学反思

    “细胞核——系统的控制中心”主要包括细胞核的功能和结构两部分内容。如果学生不能准确认识细胞核的结构,就不能深刻理解细胞核的功能,理解细胞核的功能又有助于学生更深刻把握其结构。鉴于此,结合教学实践,将教材中独立安排的细胞核的功能和结构两部分内容重组,在结构的教学中渗透功能的教学,有利于学生深入理解细胞是生命系统的控制中心。

    教学设计突出学生为主体,教师只是引导者、促进者以及参与者的理念,努力创造适合学生自主学习、主动学习的情景和方法。通过分组探究,师生互相质疑以及互助互学,模型构建等活动促进学生参与、体验并内化所学知识,促进理性思维的发展,建构知识框架。这样在有效达成教学目标的同时,发展学生的生物学核心素养,力争使学生的理性思维、科学探究以及生命观念有效提升。

    主要参考文献

    [1] 朱正威,赵占良. 2007. 普通高中课程标准实验教科书: 生物:必修1 分子与细胞. 北京: 人民教育出版社,52

    [2] 吴相钰,陈守良,葛明德,等. 2009. 普通生物学. 北京: 高等教育出版社,33


    信息技术
    智能终端设备在实践类校本课程中的应用
    齐登伟 庹洋洋
    2018, 43(1):  38-39. 
    摘要 ( 114 )  
    相关文章 | 多维度评价

    农作物种植校本课程以让学生了解农作物生物学特性及农作物种植管理为目的,结合网络摄像机等设备与移动互联网相链接,并通过移动智能终端设备(APP)进行远程实时管理,使校本课程得到互动立体式的开发,形成多元化兼趣味性的科技教学模式。

    正文:

    农作物种植校本课程以让学生了解农作物生物学特性及农作物种植管理为目的,借助移动互联网时代的智能手机、平板电脑等移动智能终端设备使用率较高的特点,基于智能终端设备可对实践类校本课程集文字、图片、声音和视频于一体的互动式立体开发,使得这类实践活动不再局限于校内教学。这种多元化兼具趣味性的教学模式,在注重学生自主学习能力培养的同时,也提升教师利用新技术开发校本课程的能力。

    1 农作物种植校本课程开发的设计

    1.1 设计理念 设计理念主要是: ①能灵活运用生物学知识,分析解释种植农作物实践活动中观察到的现象及解决遇到的问题,从而促使学生主动地将抽象的生物学教材知识和具体的实践操作有机结合,可有利于生物学核心素养的形成;②将校本课程资源具体化为农作物种植的形式,为生物学校本课程的教学探究提供新的模式,为探索创新人才培养的模式提供参考;③将“开心农场”等虚拟的网络游戏加入真实的现场情境,借助智能终端设备链接移动互联网,随时随地体验绿色、健康的农村生活,畅享种养之乐的“田园野趣”,还可以获得真实的种养收获。

    1.2 课程内容 结合学生兴趣和学校特点,利用学校空闲且适合的土壤种植农作物。校本课程的教学方式是以综合实践课的形式来进行[1],内容包括如下部分: ①第1~3课时,农作物的生物学性状特点;②第4~8课时,农作物生长环境调查研究;③第9~10课时,农作物园考察;④第11~16课时,生活情趣陶冶。

    2 农作物种植校本课程开发的移动互联网架构

    学生通过手机应用程序(APP)可随时随地通过视频查看到自己所种植的农作物生长发育状况,包括通过远程控制给农作物施肥、灌溉等日常维护和管理。学生对种养全过程有身临其境的感受,畅享种养之乐的“田园野趣”。

    2.1 客户端功能界面 APP是借用“小K智能”页面进行整合操作的(图略)。其中,①“温湿度监控”是远程监测农场温湿度;②“智能开关1”和“智能开关2”是远程可控制的电源的开启和关闭;③“网络摄像机”是可远程进行视频监控的无线摄像头。

    2.2 能实时远程控制 学生可通过APP与移动互联网联通的网络摄像机﹑温湿度传感器、喷水器和抽水泵等设备,远程实时控制农场的灌溉、排水和夜间补光等操作。教师与家长也可借助网络摄像机,远程实时观看到和指导学生操作的情况,实现实践类校本课程的远程实时互动控制。

    3 农作物种植校本课程开发的实施

    3.1 实施对象 可在初中一年级的学生中开展此项学习活动,可将校本课程与课堂教学相结合,提高学生的学习兴趣。

    3.2 实施过程 时间安排在下午第3节课,共进行16课时。授课形式有班级集中授课、小组合作讨论、活动过程体验和产品相互交流。理论课集中在生物学实验室进行,实践课集中或分散在一块光照适宜、水源充足、土层深厚、质地疏松和渗水力强的共约60m2面积的智能农场进行,按课程教学计划逐一完成教学内容。学生按照种植的步骤进行实践操作: 选地→整地→选种→浸种消毒→播种→覆土→浇水→养护→后期管理。

    3.3 成果展示和资料整理 利用1课时进行作物种植校本课程成果的展示与交流。教师对学生的成果先作出评价,再将前期搜集整理的各种素材上传到校本课程的网站中。学生在实践操作的基础上,借助教师的指导进行阅读、观察并撰写成科技小论文。再通过举办成果展览会,班组活动汇报,能起到总结和交流作用。

    4 农作物种植校本课程开发的总结

    经过3年的教学实践,农作物种植校本课程积累了大量的课程资源和教学经验,并取得了较好的成绩。这种实践类的校本课程,让学生动手探究和农田实践的机会更多。但是,在整个种植期间,许多现实发生的问题在之前预设和文献中都没有表现出来,需要教师和学生即时共同商量,作出调整。例如,农作物播种的距离、植物叶片发黄或出现斑点的原因和肥料或杀虫剂的选择等。特别是种植后期的管理,需要学生在长达几个月时间的持之以恒和团结互助。学生也会将整个过程以日记、拍照或视频等方式保存,这也是实践教学外的另一种精神财富。

    (基金项目:重庆市普通高中创新基地——“高中生物阶梯式实践课程创新基地”)

    主要参考文献

    [1] 李琳玲,程华,徐晶,等. 2014. 农村中学校本课程开发案例及其教学设计———以“板栗生物学特性及栽培管理”为例.黄冈师范学院学报,158( 6) : 82 ~ 84


    课堂教学
    “生物的呼吸和呼吸作用”(第一课时)教学设计
    黄建林, 朱春凤
    2018, 43(1):  39-40. 
    摘要 ( 129 )  
    相关文章 | 多维度评价

    通过教具制作和模拟实验对“生物的呼吸和呼吸作用”第一课时进行设计,化复杂为简单,化抽象为形象,突破教学难点。

    正文:

    1 教材分析

    “生物的呼吸和呼吸作用”是浙教版八年级下册科学教材第3章第5节的内容。本节课的重点是探究人体气体交换的过程以及呼级系统的组成。难点是呼吸时,肋间内、外肌、膈肌的运动情况及气体的扩散方向。此节内容有两大难题: ①内容相对比较抽象,特别是呼吸时的肋间肌和膈肌的运动情况,难以实验;②学生有部分错误的前概念,如认为呼出的气体就只有二氧化碳,没有氧气。笔者尝试通过教具的制作、传感器的利用来突破难题,提高教学的有效性。

    2 教学目标

    2.1 知识目标 了解人体呼吸系统的结构和气体交换过程及呼吸道和肺的组成和功能,理解呼吸运动的原理,了解人体内气体交换的动力和过程。

    2.2 能力目标 通过对吸入和呼出气体的成分比较,培养读图、分析、归纳的能力;通过模型的分析来认识复杂事物的结构和运动规律。

    2.3 情感态度与价值观目标 通过对呼气和吸气模型的建立,培养科学探究的兴趣以及建立模型的思想。

    3 教学过程

    3.1 通过活动 初步建立肺模型 教师出示一个绑着两个气球的三通管,提问: 你有几种方法能让这两个气球鼓起来,并说明原理。通过思考和交流得出两种方案: 往三通管里面吹气或在气球外面制造低压环境。原理都是利用内外气压差。教师追问: 你有什么办法让图1中的气球鼓起来?并分析其原理。通过分组活动,得出拉下面的橡皮膜就能让气球鼓起来,原理为: 一拉使里面的气压小于外界大气压。此时,教师引导学生从自己身上找与这个结构相似的器官,学生思考得出这就是简单的肺呼吸模型。接着让学生查找模型与肺的类比情况,学生思考得出: 气球类比肺,玻璃管类比气管和支气管,外面的瓶壁类比胸腔,下面的橡皮膜类比为膈肌。

    图1 肺呼吸模型

    设计意图: 通过自制教具和“气球鼓起来”的活动,培养学生设计方案和逆向思维能力,使他们对肺呼吸有深刻的认识,解构“鼻吸气”的错误前概念。体现了科学来源于生活又应用于生活的新课程理念。

    3.2 应用模型 突破难点 肺模型建立后,让学生找模型与人体呼吸主要的不同点,通过讨论得出: 模型的瓶壁类比的胸腔不会动,而人体的胸腔会动。教师追问: 胸腔是怎么运动的?这样做的最终结果是什么?学生回答: 肋骨往上往外提,导致胸腔容积增大,气压减小,气体进入肺内;反之,气体排出。教师通过设问: 肋骨运动是由于肋间肌在起作用,肋间肌是怎么运动的呢?教师呈现一个自制教具,通过模拟肋骨和肋间肌的运动,使学生明白,肋骨向上向外移动是因为肋间内肌和外肌的共同作用的结果,再让学生通过观察模型运动,分析得出: 吸气时,膈肌收缩,肋间外肌收缩,肋间内肌舒张,肋骨向上向外移升,此时,胸腔容积增大,气压减小,人就吸气了;反之,人就呼气了。

    设计意图: 通过找寻模型跟真实情况的区别及缺点,进一步加深并巩固肺吸气和呼气时内外气压的关系,培养学生的质疑精神和批判性思维。通过模型法突破教学难点,真正做到让学生知其然而知其所以然,同时培养了学生的创新思维。

    3.3 利用实验和传感器 让结论显现 教师提问: 吸进去和呼出的气体各是什么?学生认为吸进去的是氧气或空气,呼出的是二氧化碳。接着让一学生利用排水法收集两瓶呼出的气体(其中一瓶放着待用)。继续收集一瓶空气,把两支长短大小相同的点燃的蜡烛同时放进两瓶气体中,让学生观察燃烧情况。通过观察得出: 两支蜡烛放进去时,都能燃烧,但放在空气中的燃烧时间更长。学生分析得出: 人呼出的气体除了有二氧化碳外还有少量氧气,但明显氧气比空气中的要少很多。教师此时拿出两支传感器(二氧化碳和氧气体积分数传感器),先把它们放在空气中,测得氧气为21%,二氧化碳为0.03%,并通过同屏技术把这些数据及时投影。接着把这两支传感器放入刚才的另一瓶呼出气体的瓶中,数字发生了改变,具体为: 氧气为16%,二氧化碳为4%,教师引导学生阅读教材“吸入的空气和呼出的气体成分比较图”。

    设计意图: 通过高见度实验,即蜡烛在空气中和在呼出气中的燃烧实验,形成强烈的对比,引发学生的认知冲突,纠正了学生的错误前概念,即呼出的气体为二氧化碳。又通过传感器的应用,化定性为定量,使得实验结论更可靠、更有说服力。

    3.4 利用传感器 突破扩散难点 通过上面数据,引导学生思考: 数据前后发生变化的主要原因是什么?思考得出: 气体在交换。教师提问: 交换的方向是怎么样的?在学生茫然时,教师拿出插有二氧化碳和氧气体积分数传感器的两个塑料瓶。先让学生读出传感器上的数据: 第一瓶是纯氧,氧气为95%,二氧化碳为0;第二瓶为纯二氧化碳,氧气为0,二氧化碳为94%。接着把这两瓶气体瓶口对瓶口上下叠在一起,此时学生可以很清楚地看到两瓶气体中的氧气和二氧化碳的体积分数的变化情况。通过实验,学生得出: 气体扩散方向是从高浓度向低浓度进行。此时教师通过PPT展示肺泡结构图,让学生看图思考、分析并讨论,如果要高效地进行气体交换,这肺泡应该有什么特点与其功能相适应。学生讨论后通过修正得出: 肺泡壁要薄、肺泡要多且具有弹性,它周围有很多的毛细血管等特点。最后教师在黑板上画一个肺泡和它周围的一根毛细血管,让学生根据所学知识回答: ①氧气和二氧化碳的交换方向;②经过交换后,肺泡中的气体成分的变化及毛细血管中的气体成分变化情况。

    设计意图: 借助传感器,通过二氧化碳和氧气体积分数的变化,化抽象为形象,有效突破扩散方向的难点。通过看图、思考分析,培养学生读图能力,并渗透结构与功能相适应的生物学观念。

    3.5 自主学习 整合提升 教师提问: 呼吸系统除了肺这个主要器官外,还需要哪些结构,它们的功能又是怎么样的?它们的结构与功能相适应又是怎么体现的?引导学生自主学习,学生通过自主学习得出: 呼吸系统是由呼吸道和肺组成,其中呼吸道又是由鼻、咽、喉、气管和支气管组成。各部分的结构和功能相适应的例子,如: 鼻中有鼻毛,可以阻挡灰尘和细菌等。

    设计意图: 通过自学让学生了解呼吸系统各器官的名称以及功能,符合新课程以生为本的课堂理念,在自主学习过程中,又进一步加深了结构与功能相适应的生物学观念。

    4 教学反思

    在本节课的教学设计中,通过一个低成本实验模型的制作和让气球鼓起来的活动,使学生明白肺吸气的原理是肺内外气压差而不是因为鼻吸气产生的。在自制教具的活动过程中渗透类比思想,即气球类比肺等,并通过让学生找寻模型跟呼吸真实情况的区别及缺点,使学生深入理解肺吸气和呼气与内外气压的关系,同时培养学生的质疑精神和批判性思维。通过肋骨和肋间外肌和内肌运动模型装置,有效突破人体呼吸时肋骨的运动及肋间肌的收缩与舒张的难点。通过蜡烛在空气中和在呼出气中的燃烧实验,纠正学生认为的“呼出的气体为二氧化碳”的错误前概念,又借助传感器来显示“二氧化碳和氧气体积分数的变化”,使学生明白扩散的方向是从高浓度向低浓度进行,有效突破扩散方向的难点。

    (基金项目:浙江省教学研究课题“高见度微创实验的开发和教学研究”,No.06329)


    实验教学
    洋葱表皮细胞染色方法的优化
    陈文荣 胡盈盈 沈芷琦 陈秉初
    2018, 43(1):  41-43. 
    摘要 ( 782 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本研究在系统筛选比较各无机、有机染色剂的基础上,对“洋葱等植物表皮细胞观察”实验方法进行改进,优化植物表皮细胞染色实验,丰富植物细胞染色色系,同时也为中学生物学教学提供更多的教学参考与资源。

    正文:

    洋葱鳞片叶表皮细胞实验是生物学教学的基础实验。在实验教学中,学生能观察到细胞核、细胞质、细胞壁和细胞膜等简单细胞结构。经典的染色剂为I2-KI试剂,其基本原理为I2与蛋白质发生显色,细胞质内的蛋白质浓度较细胞核内的低,细胞质显浅棕黄色,细胞核显深棕黄色。在教学实践中,碘染色所需时间过长,染色效果单一,观察效果不佳。有人尝试使用Feulgen染色法[1]、甲基绿-派洛宁染色法[2]、中性红染色[3]、孔雀绿染色、ZnO作用等较为创新的染色方法将洋葱鳞片叶表皮细胞染色,但实验步骤较为繁琐,不适合于中学实验教学。本文以洋葱鳞片叶表皮为材料,从有机试剂(如碱性品红、亚甲基蓝、固绿、苏木精等)和无机染料[如24.5%H2SO4、饱和Fe2(SO4)3溶液、饱和CuSO4溶液、0.5mol/L Li2SO4溶液等]进行单染色和交互染色,以寻求更好的染色效果,丰富植物细胞染色色系,并为中学实验教学提供更多的染色方法选择及更为丰富的染色效果。

    1 材料与方法

    1.1 实验材料 放置7d左右的洋葱。试剂: 碱性品红、固绿、亚甲基蓝、苯胺蓝、核固红、苏木精、次甲基蓝、98% H2SO4、Fe2(SO4)3、CuSO4、Li2SO4、碘液、酒精、蒸馏水。

    1.2 试剂配制 本研究相关试剂配制方法如下:

    1.3 实验步骤 ①取材: 用镊子取适量洋葱的外(内)表皮,置于载玻片上;②醇洗[4]: 将撕取的洋葱表皮置于75%酒精中浸泡1min;③水洗: 用缓慢的蒸馏流水洗涤;④染色: 滴加相应的染色剂,进行染色;⑤水洗: 用缓慢的蒸馏流水冲洗,充分洗去浮色,直至所流下的水为无色;⑥盖片观察: 盖上盖玻片,置于显微镜下观察。

    1.4 染色方法 具体步骤如下:

    (1) 有机试剂单染色 核固红、亚甲基蓝、固绿、次甲基蓝进行染色,染色时长为10min;使用苯胺蓝进行染色时,染色时长为15min;使用苏木精进行染色时,染色时长为5min;使用碱性品红染色时,染色时长为1min。

    (2) 无机试剂单染色 使用24.5% H2SO4溶液、饱和Fe2(SO4)3溶液染色、饱和CuSO4溶液染色、0.5mol/L Li2SO4溶液进行染色时,染色时长均为10min。

    (3) 交互染色 12.25% H2SO4+亚甲基蓝、24.5% H2SO4+核固红、24.5% H2SO4+亚甲基蓝、24.5% H2SO4染色+固绿及碘液+24.5% H2SO4各组别中,前后两种染色剂均染色7~10min;6.225% H2SO+碘液中,前后两种染色剂均染色5min;碘液+固绿中,前者染色5min,后者染色25min;固绿+碘液,前者染色10min,后者染色5min;苯胺蓝+核固红、核固红+苯胺蓝、苯胺蓝+固绿、核固红+固绿、固绿+亚甲基蓝和亚甲基蓝染+碘液各组别中,前后两种染色剂均染色7min;固绿与亚甲基蓝的混合液、品红与亚甲基蓝的混合液和固绿与碱性品红的混合液,均染色7~10min。

    2 研究结果

    2.1 有机染料单染色 有机染料染色效果中,次甲基蓝与碱性品红的染色效果最好,染色清晰,大部分细胞着色均一。苏木精与核固红的染色效果次之,苏木精的染色效果与碘液类似,细胞核呈棕黄色,细胞质呈黄色,但在染色时间上有所减少;核固红染色较为清晰,相对传统的碘液染色,染色色系上有所突破,但多数细胞着色深浅不一,观察发现可能是由于核固红染液中的杂质所致。苯胺蓝、亚甲基蓝、固绿的染色效果不佳,对细胞质的染色效果显著,而细胞核未见染色,观察效果不佳(染色效果图请扫文后二维码)。

    2.2 无机染料单染色 24.5% H2SO4溶液与饱和Fe2(SO4)3溶液染色效果最好,染色清晰,细胞质、细胞核区分明显,但是细胞着色不均一,部分细胞未被染色。0.5mol/L Li2SO4溶液染色效果次之,细胞核呈绿色,细胞质呈浅绿色,但细胞质呈现颗粒状,影响观察。饱和CuSO4溶液染色效果不佳,对细胞质的染色效果显著,呈黄色,且大部分细胞着色,但未对细胞核有染色效应(染色效果图请扫文后二维码)。

    2.3 染色剂交互染色 相应染色效果如下:

    2.3.1 硫酸与其他染色液交互染色 硫酸与染色剂的配合使用导致细胞发生质壁分离,从而使细胞膜与细胞壁的界线更为清晰。相较而言,12.25% H2SO4+亚甲基蓝、24.5% H2SO4+亚甲基蓝、24.5% H2SO4+核固红、24.5% H2SO4+固绿的染色效果最好,染色清晰,大部分细胞着色均一,质核区分显著,细胞核比细胞质的颜色深,细胞发生质壁分离,可以更好地区分细胞壁与细胞质。6.225% H2SO4+碘液、碘液+24.5% H2SO4的染色效果一般,大部分细胞着色,细胞质、细胞核可以区分,但是有黑色杂质影响观察(染色效果图请扫文后二维码)。

    2.3.2 有机染料交互染色 有机染料的交互染色,不仅改变染色色系,同时也能改进染色剂的着色。相较而言,品红与亚甲基蓝混合液的染色效果最好,细胞核呈深紫色,细胞质呈紫色,染色鲜艳清晰,细胞着色均一,质核区分显著,且内外表皮细胞染色效果均显著。苯胺蓝+核固红、固绿+碘液、固绿+亚甲基蓝、固绿与亚甲基蓝混合液、亚甲基蓝+固绿的染色效果次之,染色较为清晰,大部分细胞着色,细胞质、细胞核明显区分。固绿+碘液和固绿与亚甲基蓝混合液染色后的细胞的细胞质与细胞核颜色呈不同色系,效果类似于甲基绿-派洛宁染色法[2]。苯胺蓝+固绿、核固红+固绿的染色效果一般,大部分细胞着色,细胞质、细胞核可以区分,但是有杂质影响观察。核固红+固绿、苯胺蓝+固绿染色后的细胞的细胞壁呈绿色[4],有助于观察。亚甲基蓝+碘液、碱性品红与固绿混合液的染色效果最差,大部分细胞着色,前者细胞核染色效果不明显,后者细胞结构破坏(染色效果图请扫文后二维码)。

    在交互染色实验中,染色剂的书写顺序即为添加顺序。若无特殊交代染色剂的剂量比,剂量比均为1 ∶1;若无特殊交代实验材料,实验材料均为洋葱鳞片叶外表皮。

    3 讨论

    无机染色剂中配以24.5% H2SO4溶液导致细胞发生质壁分离,从而使细胞膜与细胞壁的界线更为清晰,且相较于传统的碘染色,颜色更为鲜艳(见硫酸与其他染色剂交互实验染色效果图);同时,24.5% H2SO4溶液的加入使染色时间显著缩短,其染色机理可能是洋葱表皮细胞内某种物质具有类似于酸碱指示剂的作用;也可能是由于H2SO4作为强酸,使蛋白质变性所致,但系列浓度的HCl、H3PO4等强酸、中强酸的染色实验并未观察到上述染色效果(研究结果本文未包含)。因此,H2SO4溶液的染色原理仍需进一步研究探讨。为获得更好的染色效果,本研究同时进行了H2SO4的浓度梯度染色研究,发现98%、49%的H2SO4会严重破坏细胞结构,细胞呈“解体”状;而12.25% H2SO4无染色现象(相关结果本文未包含)。

    染色时间会影响染色效果: 时间过长,原染色为橙色的细胞会变成绿色,这可能是由于显色产物结构不稳定,被空气氧化或者进一步与胞内其他物质反应所致。而无机试剂中的饱和Fe2(SO4)3溶液和饱和CuSO4溶液能使细胞着色,其染色机理可能是有色金属盐使蛋白质变性并产生有色络合物(见硫酸与其他染色剂交互实验染色效果图)。但由于金属离子进入表皮细胞不均衡,因此染色效果差于有机染料,但是在染色剂的种类上有所突破,有利于扩大细胞染色剂的选择范围。在各类常见的有机染色剂染色发现,碱性品红染色效应极强,染色速度也最快,只需染色1min即可观察;且在交互实验中,绝大部分与碱性品红组合的实验,另一种染色剂的效果会被完全地掩盖(见有机染色剂交互染色效果图)。这可能是由于在近中性范围内碱性品红与DNA有较强的结合[4]。

    染色剂组合染色往往能改进染色效果,但部分染色组合是染色剂组分独立染色结果,酸性染料使细胞质着色、碱性染料使细胞核着色[5]。而快速细胞染色剂FME也是根据酸性、碱性染料的共同作用使细胞各结构染色。同时,各染色剂的剂量比会显著影响染色效果,在甲基绿—派洛宁染色法较好的配比为3 ∶2和1 ∶1[2];而碱性品红与亚甲基蓝混合液染色效果最好的配比是1 ∶1,当配比为1 ∶4和1 ∶6会出现类似色素带问题。另外,单染色时对细胞核染色效果不明显的染色剂与24.5%H2SO4溶液共同作用时,对细胞核的染色效果明显增强(见有机染料单染色效果图和硫酸与其他染色剂交互染色效果图),这可能是由于H2SO4中的H+使细胞核膜失去选择透性,染色剂分子进入细胞核,使细胞核染色。

    4 小结

    根据研究结果,值得借鉴参考的有: ①红色色系中,碱性品红单染色和24.5% H2SO4+核固红的染色效应好;②黄色色系中,24.5% H2SO4溶液的染色见效快,且获取试剂方便;③绿色色系中,饱和Fe2(SO4)3溶液和24.5% H2SO4+固绿的染色效果佳;④蓝色色系中,次甲基蓝、12.25% H2SO4+亚甲基蓝和苯胺蓝+核固红的染色效果好。

    (*通信作者)

    主要参考文献

    [1] 李桂萍,李瑞,杜雪玲. 2012. 植物DNA 的Feulgen 染色法研究. 安徽农学通报,18( 13) : 44 ~ 46

    [2] 陈小辉,胡乐,柯志勇,等. 2015. 洋葱内表皮细胞中DNA和RNA 染色方法的改进. 山西医科大学学报,46 ( 7 ) :702 ~ 704

    [3] 阮维斌,石雪芹,王义杰,等. 2011. 利用洋葱鳞叶表皮细胞观察植物细胞结构实验的改进. 生物学通报,46( 8) : 56 ~ 57

    [4] 俞英,吴霖,谭丽贤. 2004. 碱性品红荧光法测定脱氧核糖核酸及其机理的研究. 分析化学,32( 5) : 628 ~ 632

    [5] 汪晓玲,刘成权,於琳雅. 2005. 浅淡植物细胞染色原理及其在观察细胞有丝分裂中的应用. 实验教学与仪器: 高中版,( 12) : 49 ~ 50


    用血糖仪法改进“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验
    胡桂平, 余 芳, 潘 阳
    2018, 43(1):  43-44. 
    摘要 ( 239 )  
    相关文章 | 多维度评价

    “探究酵母菌细胞呼吸的方式”是高中生物学教材中的经典实验,有许多教师对实验进行了相关改进的研究。而本文采用的血糖仪法,能对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验进行定量探究的改进,达到了实验教学的预期效果。

    正文:

    测量是一项科学研究过程的重要技能。高中生物学教材中都充分体现科学探究的思想。但从目前教材的生物学实验设置来看,大多数是以定性为主,定量探究性实验较少。基于学习进阶设计以提高学生生物科学素养的思路,本文采用血糖仪法,进行“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的改进。

    1 实验基本分析及相关改进

    “探究酵母菌细胞呼吸的方式”是高中生物学教材中经典的实验。该实验在知识方面要求达到理解水平,能力方面要能设计和实施探究酵母菌的呼吸方式实验,通过实验探讨酵母菌在有氧和无氧条件下选择不同的细胞呼吸方式以及反应产物的差异。

    人教版教材中对该实验的设计体现了典型的科学探究思路,而且实验设计环节的参考资料可操作性较强。特别是对CO2和酒精的定性检测,更体现探究的科学性。但是,在实践中也存在着一些困难: 如耗时较长,实验中有氧与无氧难以把握,实验器材多而且较大,药品用量较多等。为此,有许多教师对该实验进行了不同程度的改进: ①叶丽培[1]、方金艳[2]等通过反复实验后,进行课前活化酵母菌、澄清石灰水检验CO2和酒精鉴定实验时间设定等方面的改进;②谢明桂[3]则通过使用注射器严格控制氧气有无和对酵母菌进行提前活化,从而有效地缩短了实验时间,达到减量、简化实验,实现了实验随堂化的目的。但是,学生还是缺乏对细胞呼吸原理的深刻认识。③邓金霞等[4]运用综合理科的方法,将生物学中的细胞呼吸、化学中的原电池及物理中的电学等知识点联系起来,设计一种简单可行的检测细胞呼吸的“沉积物电池组”,进而帮助学生更深刻地理解细胞呼吸原理及其应用。但从科学探究的角度来看,缺少科学定量探究的成分。④俞如旺等[5]利用分光光度计测定OD值来分别检测有氧呼吸和无氧呼吸所产生CO2的量,实现了科学探究从定性到定量化的转变。但是,分光光度计价格较贵,操作也比较复杂。

    2 对该实验定量探究的改进

    2.1 实验改进的原理 酵母菌是一种兼性厌氧菌,可进行有氧、无氧两种细胞呼吸方式。通过测定一定时间内酵母菌分解反应物葡萄糖的量,可以分别计算出酵母菌在有氧或无氧条件下进行细胞呼吸的速率。

    血糖仪(GA-3型)的工作原理属于电化学法,葡萄糖浓度测试范围为1.1mmol/L~33.3mmol/L,测量误差在±20%之内。因此,能较精确地测量酵母菌培养液中葡萄糖的浓度值,通过检测反应物葡萄糖的浓度变化,可计算出该反应条件下有氧或无氧呼吸的速率。

    2.2 实验用品的选择 ①实验材料: 安琪高活性干酵母、无水葡萄糖;②实验用具: 血糖仪(GA-3型)、血糖仪试纸条、10mL注射器若干支、试管、试管架、软橡胶塞、水浴锅、胶头滴管、烧杯、标签纸、玻璃棒、电子天平(称量纸)。

    2.3 实验的定量探究 ①制备酵母菌液: 配制10%葡萄糖溶液100mL;将其置于35℃水浴锅中进行预热;秤取10g干酵母,加入预热的葡萄糖溶液,混匀,活化4~7min。②测定初始葡萄糖浓度: 活化液用蒸馏水稀释10倍;血糖仪测定葡萄糖浓度值。③有氧、无氧分组实验: 分别用3支注射器抽取5mL活化酵母的葡萄糖液,将针头插入橡胶塞进行密封(无氧呼吸组);同时,分别用注射器吸取等量(5mL)的活化酵母葡萄糖液注入3支编号的试管中(有氧呼吸组);将上述注射器与试管同时放置于35℃水浴锅,水浴加热,并记录时间。注意及时观察实验装置,排放注射器内产生的气体,防止活塞喷射出。有氧组需要震荡试管,使得空气与酵母菌液充分接触。还应注意安全使用注射器、提高操作速度与小组默契配合度。④葡萄糖浓度测定: 操作方法同初始葡萄糖浓度的测定,记录数据(表1)。

    表1 酵母菌不同细胞呼吸方式下的葡萄糖浓度值

    (条件: 35℃下,1g干酵母/10mL葡萄糖溶液,质量分数10%葡萄糖)

    2.4 实验结果与结论 根据实验数据求平均值得到表1数据;再分别计算有氧呼吸、无氧呼吸的反应速率,得到表2。

    表2 酵母菌不同细胞呼吸方式下分解葡萄糖的反应速率

    (条件: 35℃下,1g干酵母/10mL葡萄糖溶液,质量分数10%葡萄糖)

    其中,有氧或无氧呼吸的反应速率计算公式如下: 0~15min呼吸速率(有氧/无氧)=(初始浓度值-有氧/无氧1浓度值)/15;16~30min呼吸速率(有氧/无氧)=(有氧/无氧1浓度值-有氧/无氧2浓度值)/15。

    依据表1、表2的数据分析,可以发现: 相同时间段(等时),有氧呼吸的葡萄糖消耗速率大于无氧呼吸的葡萄糖消耗速率;无论是有氧呼吸还是无氧呼吸,16~30min时段细胞呼吸消耗的葡萄糖速率要大于0~15min时间段的速率。

    由此可以说明,在一定时间范围内,酵母菌进行有氧呼吸时消耗的葡萄糖比无氧呼吸的要多,即酵母菌细胞的有氧呼吸强度大于无氧呼吸的强度;在适宜的条件下,无论是有氧还是无氧呼吸,酵母菌细胞的初期代谢速率都会一定程度地增加,这更进一步说明酵母菌为什么要活化的原因。

    3 思考与讨论

    血糖仪测定葡萄糖含量的原理是葡萄糖与含有葡糖糖酶和氰铁化物的试纸接触后产生一个小电流,电流通过血糖仪测定,并显示相应数值。因此,血糖仪检测血糖具有快速简便、操作简单、样品用量少的优点。相关研究表明,血糖仪法与辣根过氧化物酶法、大豆种皮过氧化物酶法等方法测得的血糖值无显著差异[6]。近年来,也有专家使用血糖仪法,对不同酒质、不同米质、不同禽蛋中和不同豆类中的葡萄糖含量测定。因此,使用血糖仪法进行“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的定量探究实验改进是科学、合理的。

    但是,根据学习进阶的设计原则,教师在开展“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验教学时,应该注意学生的能力基础和探究的层次性,将课堂讨论探究与课后实践拓展有机结合[7],做到定性检测与定量探究协调统一,从而有效培养学生的生物学核心素养。

    (基金项目:江西师范大学自然科学基金项目“生物科学知识的社会表征”,No.JXSD-20140919;江西省高校教改项目“课程的语义图示与碎片化学习”,No.JXJG-15-2-34)

    主要参考文献

    叶丽培,范悦红,苏科庚.2005.“探究酵母菌细胞呼吸方式”实验的改进.生物学教学,30(5): 57

    方金艳.2010.对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的改进.生物学教学,35(3): 48

    谢明桂.2012.“探究酵母菌细胞的呼吸方式”的实验创新.生物学通报,47(3): 56~58

    邓金霞,徐清清,陈铭德,等.2010.运用综合理科方法探究“细胞呼吸”的实验活动.生物学教学,35(8): 53~54

    俞如旺,苏 烨.2013.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验改进研究.生物学教学,38(5): 45~47

    张丽芬,王昌梅,杨明洁,等.2010.大豆种皮过氧化物酶代替辣根过氧化物酶测定血糖.理化检验: 化学分册,46(5): 512~514

    李露艳.2011.探究酵母菌细胞呼吸的方式的两种实验教学方式比较.生物学教学,36(9): 24~25


    不同染色配方下脂肪染色效果的比较
    康 凌, 金 烨, 杨万年
    2018, 43(1):  45-47. 
    摘要 ( 198 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本文对脂肪染色实验操作略作优化,对几种苏丹Ⅲ或Ⅳ染色液配方染色效果进行比较。结果表明: 使用0.1g苏丹Ⅲ干粉+20mL 95%乙醇,以及0.1g苏丹Ⅲ干粉+20mL 95%乙醇+5mL甘油两种配方配制的苏丹Ⅲ染色液,脂肪染色效果最佳。

    正文:

    1 前言

    “检测生物组织中的脂肪”实验是人教版高中生物学必修1《分子与细胞》第2章第1节中的验证性实验。同时也是生物科学、生物技术专业大一年级学生植物学实验课程中的重要实验内容。在不同教材中都提供相应的苏丹Ⅲ或Ⅳ染料的配方,但在实际教学中,效果不甚理想,在显微镜下并未看到较清晰的细胞结构和明显的橘黄色脂肪颗粒。这一现象可能受到以下因素的影响: ①染料的配方和配制操作过程出现问题;②由于徒手切片技能较差,导致切片较厚;③染色时间较短。

    针对这些原因,对该实验操作进行适当简化调整;同时以花生种子为材料,选择了6组苏丹Ⅲ或Ⅳ染色液配方进行脂肪染色效果比较研究,筛选出染色效果良好且适用于课堂教学与学生操作的苏丹染料配方。

    2 实验材料与方法

    2.1 实验材料与试剂 实验材料为花生种子;主要试剂有苏丹Ⅲ粉末、苏丹Ⅳ粉末、95%乙醇、无水乙醇、甘油、丙酮、蒸馏水。

    2.2 试剂配方 挑选现今较为成熟、便于配制的6组苏丹Ⅲ染色液配方(表1)。

    表1 6组苏丹Ⅲ或Ⅳ染色液配方

    (注: 除去第6组配方,其余5组配方试剂在加入95%乙醇后,均进行过滤处理)

    2.3 实验方法 参照人教版高中生物教材中“检测生物组织中的脂肪”的实验操作步骤,略作修改。

    (1) 制片 为使学生能够获得较薄的花生种子组织切片,在切片时操作略作改动: 首先,取温水浸泡3~4h的花生种子,撕去种皮,分开两瓣子叶;其次,取刀片,用刀片在子叶内侧轻轻一刮;最后,用镊子夹住切开部位,小心撕取,可得到较薄的薄膜,置于滴有蒸馏水的载玻片上,并用镊子小心摊平。

    (2) 染色 延长染色时间,染色10min后,用50%的酒精洗去浮色。

    3 实验结果与分析

    用显微镜观察6组不同配方苏丹染料染色的花生种子临时切片,发现使用不同配方染料,染色效果存在差异(表1)。配方1、配方2染色效果较佳,花生种子切片中可观察到大面积且分布均匀的橘黄/红色颗粒;配方6虽然染色效果较好,但细胞中仍存在部分脂肪颗粒未被染色;配方3染料染色效果一般,花生种子切片中可观察明显的橘黄色颗粒,但有较多区域细胞中脂肪颗粒未被染色;配方4、配方5染料组在显微镜下可看到花生种子切片整体呈深褐色,仅在极少数细胞中找到零星几颗橘黄色脂肪颗粒,且大多分布在切片边缘细胞中,说明染料效果差。

    6组配方染料染色效果从好到差依次为: 配方1/配方2、配方6、配方3、配方4和5。


    表2 不同配方苏丹Ⅲ或Ⅳ染色液对花生种子组织脂肪染色情况

    4 结论

    基于上述实验结果,使用配方1(0.1g苏丹Ⅲ干粉+20mL 95%乙醇)与配方2(0.1g苏丹Ⅲ干粉+20mL 95%乙醇+5mL甘油)染色液对花生种子临时切片的染色效果最佳,均可观察到细胞中含有大量明显的橘黄色脂肪颗粒,且不需要添加丙酮等挥发性有毒试剂,对人体伤害较小。其中配方1不含甘油,消耗原材料较少、操作简单,更为适合用于课堂教学。

    (*通信作者)

    主要参考文献

    [1] 赵遵田,苗明升. 2004. 植物学实验教程. 北京: 科学出版社,170 ~ 171

    [2] 何凤仙. 2000. 植物学实验. 北京: 高等教育出版社,4 ~ 5

    [3] 李正理. 1978. 植物制片技术. 北京: 科学出版社,119 ~ 120



    考试与命题
    例析2017年福建省中考生物学试题中的核心素养
    吴佐建, 蔡宝惜
    2018, 43(1):  46-47. 
    摘要 ( 140 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本文例析了2017年福建省中考生物学试题对核心素养的考查,以期对今后的教学有指导意义。

    正文:

    2017年福建省统一初中毕业升学考试命题,改变了近20多年来各地市自行命题的形式。因此,2017年福建省中考生物学试题对今后福建省各地市的初中生物学教学有重要的导向价值。

    1 生命观念:基础知识是根基

    例1 (第1题)人体结构和功能的基本单位是(A)

    A. 细胞 B. 组织 C. 器官 D. 系统

    例2 (第6题)软骨动物具有(B)

    A. 外骨骼 B. 外套膜 C. 鳞片 D. 体节

    分析: 例1和例2在考查基础知识的同时,实际上还考查了生命观念中的结构与功能观。生命观念的基础是理解生物概念性知识。对初中生而言,必须掌握一定的生物学基础知识。例1和例2属于直接考查基础知识的试题。属于直接考查基础知识的试题包括选择题第1、2、3、4、6、7、8、9、11、13、14、16、17、18、20、21、22题以及填空题中的部分试题,占全卷分值的45%左右。直接考查基础知识的试题比例较高,符合义务教育阶段初中毕业考试面向全体学生的要求。

    2 理性思维:图文转换是关键

    例3 (第15题)福建淡水蟹种类丰富,图示是其中4种淡水蟹在分类上的等级关系,相同特征最多的是(C)


    A. 华安束腰蟹与永安华溪蟹

    B. 华安束腰蟹与武平南溪蟹

    C. 永安华溪蟹与平和华溪蟹

    D. 武平南溪蟹与平和华溪蟹

    例4 (第19题)图示为染色体中蛋白质、DNA、基因的关系。甲、乙、丙依次是(B)


    A. 基因、DNA、蛋白质 B. DNA、基因、蛋白质

    C. 基因、蛋白质、DNA D. DNA、蛋白质、基因

    分析: 例3从“淡水蟹在分类上的等级关系”考查学生归纳与概括的思维,图中的生物分类层级从上到下依次是目、科、属、种。永安华溪蟹与平和华溪蟹同属于华溪蟹属,因此两者相同特征最多。例4从“染色体中蛋白质、DNA、基因的关系”考查学生模型与建模的思维,将“染色体的主要成分是DNA和蛋白质”“基因位于染色体上”“基因有遗传效应的DNA片段”几个重要概念构建成数学的集合模型。对学生的理性思维进行考查的试题还有第24、25、26、30题,占全卷分值的15%左右。

    3 科学探究:结果处理是难点

    例5 (第25题)从同一植株挑选长势相同、重量相等的三片叶片,编号①、②、③。将①烘干称重得a,②放入盛有清水的烧杯中并置于适宜光照下,③放入盛有清水的烧杯中并置于黑暗处。在适宜温度下,向水中通入空气,6h后取出②和③叶片,烘干称重分别得b和c。叶片在6h内通过光合作用制造出的有机物量是(D)

    A. c-a B. a-c C. b-a D. b-c

    例6 (第34题)吸烟有害健康,戒烟难是因为吸烟者对烟焦油中的尼古丁等产生依赖。研究发现,烟焦油对涡虫神经系统的影响与人相似。某科研小组将涡虫作为实验对象,研究烟焦油浓度变化对其移动速度的影响,实验步骤如下: ①挑选体长相近的涡虫40只,平均分成甲、乙两组,分别放入浓度为0.03mg/mL,0.05mg/mL的烟焦油溶液中处理12h,使涡虫对所处浓度的烟焦油产生依赖。②将甲组涡虫随机分成A、B两组,每组10只,分别置于浓度0.03mg/mL,0.01mg/mL的烟焦油溶液中。将乙组涡虫随机分成C、D两组,每组10只,分别置于浓度0.05mg/mL、0.03mg/mL的烟焦油溶液中。③测定每组涡虫的移动速度,取平均值,结果如图所示:

    研究人员在一定浓度范围内又做了多组实验,实验现象一致。回答下列问题:

    (1) A组和B组是一组对照实验,变量是烟煤焦油溶液浓度。

    (2) 测定每组涡虫的移动速度后,取平均值的目的是减小误差。

    (3) 比较A组和B组,C组和D组,涡虫对烟焦油产生依赖的表现相似,即对一定浓度烟焦油产生依赖的涡虫,置于更低浓度的烟焦油溶液中移动速度减慢。

    (4) 由于对不同浓度烟焦油产生依赖,D组和A组涡虫在同一浓度烟焦油溶液中移动速度不同。

    (5) 青少年应当拒绝吸烟。请根据实验谈谈其中的道理吸烟者会对香烟产生依赖。

    分析: 例5以光合作用速率的测定实验为背景,考查光合作用和细胞呼吸的关系。起始干重为a,6h内呼吸作用消耗的有机物量为a-c,光照下6h内有机物的积累量为b-a。因此,叶片在6h内通过光合作用制造出的有机物量为(b-a)+(a-c)=b-c。例5考查了考生对实验数据的分析和处理,具有较高的难度。例6则以“研究烟焦油浓度变化对涡虫移动速度的影响”为背景,考查控制变量、对照实验、重复实验、分析数据等探究技能。A组和B组是一组对照实验,C组和D组也是一组对照实验,自变量是烟煤焦油溶液浓度,因变量是涡虫的移动速度。测定每组涡虫的移动速度后,取平均值的目的是减小误差。D组和A组均使用了0.03mg/mL的烟焦油溶液。但是,起初处理的浓度不同(A组为0.03mg/mL,D组为0.05mg/mL),由实验结果可知对不同浓度烟焦油产生依赖的涡虫在同一浓度烟焦油溶液中移动速度不同。与科学探究有关的试题还有第23、28、32题等,占全卷分值的25%左右。

    4 社会责任:立德树人是核心

    例7 (第12题)“携手抗艾,重在预防”。下列做法正确的是(C)

    A. 不让艾滋病患者进入公共场所

    B. 不要与艾滋病患者握手

    C. 不能与艾滋病患者共用剃须刀

    D. 不与艾滋病患者共同进餐

    例8 (第33题)《中国自然观察2016》评估了近15年间1085个濒危物种的保护状况(如图所示)。大熊猫是状况好转的物种之一,生活在大熊猫自然保护区中的小熊猫、川金丝猴、羚牛等也同时得到了保护,这种现象称为“伞护效应”。状况变差的濒危物种受到最主要的威胁,来自于生存环境的改变和丧失。回答下列问题:


    (1) 资料中提及的动物所属类群特有的生殖方式是胎生。

    (2) 图中大多数濒危物种的保护状况是变差。

    (3) 保护濒危物种应从生态系统多样性、生物种类(物种)多样性和基因(遗传)多样性三个层面采取措施。

    (4) “伞护效应”体现了保护生物多样性最有效的措施是建立自然保护区(就地保护)。

    (5) 作为中学生能为保护濒危动物做些什么?宣传保护濒危动物的重要性(请举一例)。

    分析: 例7从关注艾滋病的角度出发,引导学生对与艾滋病患者相处做出理性判断。与艾滋病患者共用剃须刀,可能会由于出血导致病毒传播。例8第(5)小题引导学生主动向他人宣传保护环境知识,第(2)小题通过问题设置让学生知道大多数濒危物种的保护状况是变差,旨在引导学生关注濒危动物的保护问题。此外,第10题以端午节赛龙舟的民俗活动为背景考查神经系统的作用、第14题以“缫丝养蚕”为背景考查家蚕的生活史、第17题以福建种茶历史为背景考查茶的繁殖方式、第27题以“桔”与“吉”为背景考查桔的生命周期。这些试题,通过创设一定情境,将传统文化融入试题当中,对考生起到潜移默化的影响。

    (基金项目:赣南师范大学研究生创新专项资金项目,No.YCX16A039)


    2017年江苏高考生物学第30题蕴藏的信息#br#
    黄建华
    2018, 43(1):  48-49. 
    摘要 ( 63 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本文对2017年江苏高考生物学第30题蕴藏的主要信息进行挖掘、分析,以便中学教师更好地理解命题的背景和立意。

    正文:


    原题(2017年江苏高考生物学第30题): 某研究小组以同一品种芹菜根尖和花粉母细胞为材料,开展芹菜染色体核型分析实验。图示为从两种材料的30个显微图像中选出的两个典型图像。请回答下列问题:

    (1) 将剪取的芹菜幼根置于2mmol/L的8-羟基喹啉溶液中处理,以提高根尖细胞中有丝分裂的 期细胞的比例,便于染色体观察、计数。

    (2) 实验中用纤维素酶和果胶酶混合液分别处理根尖、花粉母细胞,目是 。再用低浓度的KCl处理一段时间,使细胞适度膨胀,便于细胞内的 更好地分散,但处理时间不能过长,以防细胞 。

    (3) 图左是 细胞的染色体,判断的主要依据是 。

    (4) 分析根尖细胞染色体核型时,需将图像中的 进行人工配对;根据两图能确定该品种细胞中未发生的变异类型有 (填下列序号)。

    ① 基因突变 ② 单体

    ③ 基因重组 ④ 三体

    该题以真实的芹菜染色体核型分析为背景,考查细胞分裂、酶、渗透作用、生物变异等知识,要求考生具有并运用“结构与功能相适应”的观念分析情境中的生命现象,运用生物学规律、原理对结果作出预测,很好地考查了学生的生命观念和理性思维。这道题的文字不多,但蕴含的信息量很大,仔细查阅资料之后收益颇丰。

    1 去壁低渗法制片用于核型分析

    核型分析是分析细胞中全部染色体的形态、大小等特征,需要制作良好的染色体标本,通常制作染色体标本的方法是压片法和去壁低渗法,压片法的流程是: 取材→预处理→固定→解离→漂洗→染色→压片;去壁低渗法的流程是: 取材→预处理→前低渗→去壁→后低渗→固定→涂片→火焰干燥→染色。从试题的低渗处理、酶解去壁处理可知科研人员是采用去壁低渗法制作染色体标本的。去壁低渗法的操作都是围绕如何使细胞的细胞壁充分溶解而成为裸露的原生质体,如何使细胞内的染色体充分分散,如何使细胞与细胞充分分散展开。去壁低渗法中,可用酸解法或酶解法(纤维素酶和果胶酶)进行去壁,在去壁前进行前低渗处理使细胞壁膨胀变大,有利于细胞壁的溶解,芹菜核型分析制片过程的前低渗处理为0.075mol/L KCl处理20min;去壁后的低渗处理使原生质体进一步膨胀,两次低渗处理都使原生质体膨胀,都能使细胞中的染色体充分分散,芹菜核型研究制片过程的后低渗处理为0.075mol/L KCl处理8min[1];涂片比压片更能使细胞充分分散。所以去壁低渗法能提高细胞的分散度、染色体的分散度和完整性,能获得形态清晰的良好制片,更有利于精确地进行核型分析。

    2 8-羟基喹啉预处理进行芹菜核型分析


    细胞分裂中期的染色体最容易观察,但分裂中期持续的时间很短,处于细胞分裂中期的细胞少,通过预处理增加细胞分裂中期的细胞数就非常关键了,预处理常用的方法有物理法和化学法。化学法预处理常用的试剂有: 秋水仙素、8-羟基喹啉、α-溴荼、对二氯苯等,这些试剂都具有抑制纺锤体形成的作用,但对不同植物材料的作用有差异,所以应根据不同的植物材料选择不同的试剂。试题中用8-羟基喹啉进行预处理,没有用秋水仙素进行预处理,因为8-羟基喹啉处理细胞的染色体比秋水仙素处理细胞的染色体更清晰,能显示出随体和次缢痕,处理具有小染色体的细胞时,优势就更明显。芹菜核型研究制片过程中用0.002mol/L 8-羟基喹啉处理2.5h[1],效果最好。

    3 细胞核型分析需统计多个细胞

    试题中的染色体图是从两种材料的30个显微图像中选出的两个典型图像,题干呈现“30个显微图像”这一信息充分尊重科研的真实性、体现严谨的科学态度。核型分析需获得相关的参数,如染色体的数目、相对长度、着丝粒指数、臂比、不对称系数等,这些参数不是从一个细胞中获得的,需统计多个细胞综合分析才能获得,如确定染色体数,当85%以上的细胞具有相同染色体数时才能确定。不同的研究学者统计的细胞数不同,一般至少统计30个染色体分散良好的细胞。

    4 以花粉母细胞为材料对芹菜进行核型分析更准确

    核型分析常利用有丝分裂中期细胞进行分析,试题中同时利用有丝分裂中期细胞和减数分裂终变期细胞进行芹菜核型分析,哪一种好呢,这是科研的价值之一。芹菜属于伞形花科,相邻染色体的形态、长度相近,利用有丝分裂中期细胞进行核型分析时,人工进行染色体配对时容易出现差错,影响准确性[1]。减数分裂终变期的细胞中同源染色体自然配对,准确无误,可直观地获知同源染色体,避免错配。所以以花粉母细胞为材料对芹菜进行核型分析更准确。

    结合以上挖掘的信息分析试题,可深层次、全方位地理解命题的背景、立意,有机会评讲该试题时,就能够高屋建瓴,提高学生的生物学素养。

    主要参考文献

    [1]赵 冬.2009.芹菜及其他伞形花科蔬菜作物的细胞遗传学研究.南京: 南京农业大学: 7,25,46


    新加坡A水平生物学考试中遗传学试题的分析
    李 涛, 赵浩斌
    2018, 43(1):  49-51. 
    摘要 ( 57 )  
    相关文章 | 多维度评价

    新加坡的A水平考试与我国的高考相似,是新加坡学生接受高等教育及高校选拔人才的重要途径。该考试对遗传学知识点的考查具有比重大、形式多样、全面深入、与经济社会相结合等特点,这与新加坡的国情和教育制度有密切的关系。通过对新加坡A水平生物学考试中遗传学知识考查特点的分析,为我国高考评价改革提供借鉴。

    正文:

    新加坡学生在完成了两年初级学院或三年高级中学课程之后,可参加由新加坡和英国剑桥大学联办的剑桥普通教育证书高级水平(A-Level)考试进入大学。随着生命科学研究的不断深入和发展,遗传学领域的知识更新速度极快,内容日趋增加[1]。通过对新加坡A水平生物学考试中遗传学知识点的分析,了解归纳其考查的内容和特点,以期为我国高考评价改革提供借鉴。

    1 试题分析

    新加坡A水平生物学课程包括高级副修层次H1(Higher 1)和高级主修层次H2(Higher 2)。本文选取2003年~2016年的H2层次真题进行分析研究。H2层次考试分为试卷1(Paper 1)、试卷2(Paper 2)和试卷3(Paper 3)三个部分,下面将分别对三部分遗传学知识点的变化趋势及特点进行分析。

    根据美国首席教育官员委员会(CCSSO)课程调查规范(SEC)的分类标准对试卷知识点进行分类,将生物学科分为九大类。其中,遗传学大类包含孟德尔遗传学、现代遗传学、遗传疾病、生物技术、人类遗传学、转录/翻译、突变、减数分裂、DNA复制和其他10个主题。

    1.1 试卷1遗传学知识点的分析 试卷1由40道选择题组成。将试卷1的全部选择题进行归类,计算出遗传学知识点数量占所有知识点数量的比重,可知,2003年~2006年遗传学知识所占比重不足20%,且较稳定。从2007年开始,遗传学知识的比重迅速上升,甚至超过50%;之后,逐渐趋于平稳,在50%左右波动。

    在试卷1遗传学知识的具体考点中,主要集中于遗传信息的表达、孟德尔遗传定律、基因突变、遗传疾病、基因工程技术这几方面。例如,在比重最高的2011年(57.5%),考查了DNA的结构和复制,转录、翻译过程以及操纵子,真核生物和原核生物的基因组,癌症与基因突变,孟德尔遗传定律和遗传性疾病,基因工程的相关技术等。另外,新加坡A水平考试中遗传学知识考查很深入,有些知识是我国在大学才会涉及的。

    例1 (2015年试卷1第14题)关于基因调控以下说法正确的是( )

    A. 色氨酸操纵子调控基因的转录不取决于色氨酸的可利用性

    B. 乳糖阻遏蛋白直接结合在乳糖操纵子的操纵基因上

    C. 不关联色氨酸阻遏蛋白不会结合到色氨酸操纵子的基因上

    D. 乳糖阻遏蛋白能阻止RNA聚合酶开始启动转录

    1.2 试卷2遗传学知识点的分析 试卷2是主观题部分,与我国的填空式问答题型不同的是,其采用的是直接问答题的形式。利用与试卷1同样的方法将试卷2中的A部分(Section A)和B部分(Section B)的遗传学知识点进行分类整理发现,遗传学知识在主观题中占的比重较高,平均值为30.4%;在2007年最高,为44.4%,但2016年仅为18.2%。其变化趋势波动较大。

    试卷2在考查的具体内容方面,与试卷1一致。但试卷2考查得更加具体、深入,题目主要结合遗传学领域的前沿知识以及与人类健康紧密相关的问题进行设计,如遗传性疾病的发生机制、预防以及治疗措施等。另外,试卷2的每道大题都包含几个小问题,既可以对一个知识点进行详细考查,也可以将几类相关知识整合进行综合考查。

    例2 (2015年试卷2第4题)下图展示了在10年或以上时间段内,结肠中结肠癌的形成过程。APC和p53为抑癌基因,ras为原癌基因。

    (1) 陈述两种由环境因素导致的癌症。

    (2) 结合图解释为什么癌症形成是一个多阶段的过程。

    (3) 描述细胞分裂控制点的异常是如何导致癌症的。

    (4) 概述抑癌基因在癌症形成中的作用。

    这道题的素材选择了人们高度关注的癌症,首先考查了影响癌症发生的因素——环境因素;接下来通过结合图示考查了癌症形成过程的特点,以及与细胞分裂异常的关系;最后结合前面的知识,指出抑癌基因的功能。可见,试卷2设计的遗传学题目能够紧密结合社会关注的话题,将相关的知识联系起来,帮助学生形成全面的知识网络系统。

    1.3 试卷3遗传学知识点的分析 试卷3是三部分中考查遗传学知识最集中的一部分,其分数占生物学总分数的31.7%。在试卷3的遗传学知识点中,有关干细胞、基因疾病以及基因治疗的题目最多,占30%;其次为基因技术,为20%;基因文库和转基因植物各占10%;限制酶、质粒、基因指纹、蛋白质工程以及人类基因组计划所占的比重分别是8.57%、7.14%、5.71%、4.29%和4.29%。随着分子生物学的加速发展,转基因技术日渐成熟,利用分子生物学技术来治疗遗传性疾病更是已经成为生物医学的重点。

    例3 (2014年试卷3第1题)科学家们正在不断探索更好的技术来治疗各种基因疾病,其中一种方法就是将健康的干细胞移植到患病的人体中。

    (1) 说出一种能通过干细胞移植进行治疗的遗传性疾病,并解释原因。

    (2) 一些遗传性疾病不能通过干细胞来治疗,因此科学家们试图构建能将正常的基因转移到缺陷细胞中的载体,他们发现病毒类载体成功率最高。如图展示了一种逆转录酶病毒——HIV病毒,它可以结合在肺支气管细胞上。

    ①用字母R在图上标记能促使病毒结合在细胞上的特征;②结合关于逆转录酶病毒的知识,解释感染宿主细胞的HIV载体上的插入基因(转基因)是如何表达的;③HIV载体既可感染分裂细胞又可感染不分裂细胞,表明转基因可以长期稳定的表达,而且只引起轻微的免疫反应。解释为什么这种特性能允许逆转录酶病毒成为基因治疗的有效载体。

    (3) 列举3种人类基因组计划对治疗和控制基因疾病有益的方式。

    这道题首先在题干提出治疗遗传性疾病的方式——干细胞移植;接下来让学生举出实例,并结合治疗机理来考查干细胞的特征;在(2)问中,给出利用转基因技术来治疗遗传性疾病的方法,首先考查了HIV病毒载体的特点,接着让学生解释基因被转入受体细胞后的表达过程,最后根据题中的已知信息,要求学生解释逆转录病毒能够成为高效载体的依据;在(3)问中,将治疗和控制基因疾病与人类基因组计划的相关内容结合起来,不仅考查学生干细胞、转基因技术以及人类基因组计划之间的联系,注重形成整体知识框架的能力,使学生意识到人类基因组计划的重大意义所在,激发学生的社会责任感。

    2 试题的特点及与我国的比较

    2.1 与经济发展相适应 新加坡在制定课程标准以及考试大纲时,能充分结合本国实际情况,使试题的考查目标与相应的教育目标高度一致。目前,在我国人教版高中生物学教材中,遗传学知识是必修2的重要组成部分,在高考中有着举足轻重的地位。从多年高考试卷的分析来看,我国对学生在遗传学知识的综合分析能力方面有了越来越高的要求[2]。除此以外,为了促进生物产业进一步发展,我国增加了对生物科学技术的重视,选修3内容相对增加,这是我国为适应经济发展和科技进步做出的调整。

    2.2 与社会生活相结合 新加坡A水平生物学考试素材丰富多样,且其选取往往源于生活。通过对例题的分析,遗传学试题注重通过问题情境将理论知识与实际生活联系起来,使学生在平时的学习中关注遗传学领域的热点问题,在潜移默化中培养了学生的科学意识和社会责任。自从2007年我国实行新课标高考以来,试题与生活、生产实践联系比较紧密的内容越来越受到重视[3],遗传学的主观题由原来简单的填空题逐渐向具有情境性的新型填空题过渡。但是,目前我国高考的遗传学试题固定于孟德尔遗传定律,结合新近素材来进行考查的题目不多。

    2.3 考核内容全面深入 新加坡的生物学考试是单独的一科,并且分为三部分来进行测评,这就使得测试拥有足够的题量将遗传学知识尽可能详尽地呈现出来,增大知识点覆盖率。另外,通过多重设问、层层递进,一方面能增强学生建立遗传学知识之间联系以及形成全面知识体系的意识,另一方面体现出重视学生思维迁移和分析信息的能力。随着我国对高考的不断改革,以理性思维为核心、注重知识点内在联系的题目逐渐增加,对能力的考查也愈加重视[4]。相对于新加坡,我国遗传学课程内容较为简单,高考试题注重对基础知识的掌握情况进行考查。

    3 启示

    新加坡A水平生物学考试对遗传学知识的考查在形式以及内容方面都与我国高考存在明显的不同,这是教育制度不同的体现。我国在不断地深化教育制度和课程标准的改革,但不可否认,其中仍存在一些不容忽视的弊端。因此,我们依然需要在很多方面不断创新,使我国高考能向着选拔综合性、具有生物学科核心素养人才的方向前进。

    (基金项目:国家自然科学基金项目,No.31672284;*通信作者)

    主要参考文献

    [1] 罗培高. 2010. 重视经典遗传学知识体系构建和学生自学能力的培养. 遗传,32( 4) : 404 ~ 408

    [2] 程锐创. 2017. 高中遗传学知识的“读薄”和“读厚”. 生物学教学,42( 4) : 20 ~ 21

    [3] 杨帆,吴成军. 2017. 四十年来生物高考的历程、特点与展望. 课程·教材·教法,37( 1) : 82 ~ 88


    从“理解能力”到“语言表述能力”——以2017年高考理综Ⅰ卷第29题为例
    吴孝良
    2018, 43(1):  51-52. 
    摘要 ( 95 )  
    相关文章 | 多维度评价

    本文从理解能力和语言表述能力的基本概念出发,通过分析学生对2017年全国理综I卷第29题的解答,阐明生物学科中培养学生语言表述能力的必要性,并介绍了一些有效的教学方法。

    正文:

    2016年全国理综Ⅰ卷第32题和2017年全国理综Ⅰ卷第29题,都是得分率较低的题目,两道题如出一辙,分别借助分子结构和遗传规律等知识考查实验与探究能力,显然理解能力是解题的前提,而语言表述能力尤为重要,能否准确清晰表达,是得分高低的关键。

    1 理解能力和语言表述能力的概述

    《2017年普通高等学校招生全国统一考试大纲》(以下简称《考纲》)和《2017年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明》(以下简称《考试说明》)对“理解能力”的表述为: ①能理解所学知识的要点,把握知识间的内在联系,形成知识的网络结构;②能用文字、图表以及数学方式等多种表达形式准确地描述生物学方面的内容;③能运用所学知识与观点,通过比较、分析与综合等方法对某些生物学问题进行解释、推理,做出合理的判断或得出正确的结论。显然这里“理解能力”包括识记、理解和运用三个层面。识记的基础知识点是构成体系的基础,学生应该具有一定的知识储备,才能形成独立的见解,这也是为什么高考卷必须考查一定量基础知识的原因。《考纲》和《考试说明》的“理解能力”对学生的学习提出了更高的要求,也是生物学科考查的第一能力要求,可见其重要。语言表述能力是指一个人是否能够组织自身语言,清晰明确而有条理地用准确的语言进行表述。理解能力可以理解为执行力,是上传下达的关键环节;而语言表述能力是进行交流的基础,没有良好的语言表述能力,很难培养更好的创新思维,可见语言表述能力是创新能力的基础,包括理解外来信息和产生创新性思维,由此凸显语言表述能力的重要性。

    2 学生理解能力和语言表述能力分析

    原题再现: (2017年全国理综Ⅰ卷第29题)根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型,有些病毒对人类健康会造成很大危害。

    通常,一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换,请利用放射性同位素标记的方法,以体外培养的宿主细胞等为材料,设计实验以确定一种新病毒的类型,简要写出: (1)实验思路;(2)预期实验结果及结论即可。(要求: 实验包含可相互印证的甲、乙两个组)

    在高一学生刚刚学习过DNA是遗传物质和DNA复制等知识后,结合“核酸——遗传信息的携带者”等生物学知识,请学生完成此题,收上来的答案可分为以下几类:

    第一类答案: ①用蛋白酶把蛋白质外壳除去,标记甲基绿吡罗红溶液;②如果病毒呈绿色,则是DNA病毒;如果病毒呈红色,则是RNA病毒。分析: 此类答案反映学生理解能力不足,一是没有理解题目意思,不理解同位素标记法,或者不理解该实验目的、实验设计原理、过程等;不能仔细审题也是因素之一;当然语言表述逻辑上也存在问题。分值应该在0~2分。

    第二类答案: ①用32P标记病毒,使其侵入细胞中。当病毒每复制一代时,就提取一定量细胞样本离心,取上层(上)清夜,观察轻带、中带和重带在每一代复制过程中的变化。对照: 用DNA病毒侵入细胞,按上述方法操作。②若发现轻、中、重带在每一代的行为都相同,则证明是DNA病毒,若不同,则是RNA病毒。分析: 此类答案反映学生对知识点理解不到位,更谈不上运用了,语言表述上也有一定的混乱。分值应该在2~4分。这一类是大多数,知识点理解上还存在不足,关键是思路不清晰,语言表述能力较差,这些都是亟待提高的。

    第三类答案: ①分别用15N标记尿嘧啶、用32P标记胸腺嘧啶,分别培养细菌,然后用病毒浸染细菌,病毒在细菌中完成遗传物质的合成;②如果遗传物质是RNA,则在病毒颗粒中就能检测到放射信号15N;如果遗传物质是DNA,则在病毒颗粒中就能检测放射信号32P。分析: 此类答案反映学生基本理解题目意思,也能一定程度理解对照实验的设计原则,语言表述的条理也算清晰,在操作上存在一定的科学性。分值应该在4~8分,分值差别主要体现在语言表述能力。

    第四类答案: ①用同位素标记法设计实验,A组需要用含32P胸腺嘧啶脱氧核苷酸标记宿主细胞;B组含32P尿嘧啶核苷酸分别标记宿主细胞,再用该病毒侵染该细胞;一段时间后,病毒完成复制并使细胞裂解,收集病毒观察其放射性;②如果A组的病毒有放射性,B组没有放射性,则为DNA病毒;反之为RNA病毒。这一类答案是比较科学的,在9~10分。

    上述学生给出的答案可以看出学生能力培养中存在的不足,促使教师进行教学思考并改进教学策略。

    3 提升学生生物学语言表述能力的策略

    3.1 新课教学说重点 在新课教学时,告诉学生本节课重点知识,让学生把其中某个知识点讲述给其他同学听,再有针对性地提出表述中的不足。学生充当教师角色时,会积极认真准备,往往对该知识点能有更深的理解,并给教师教学以帮助。例如,基因表达中的“转录”,要求学生从动态的角度思考,说明转录的过程和转录中需要的原料、酶、能量、模板和场所等。既有系统又有重点,提高学生对新知识的理解和构建能力。

    3.2 试卷分析说难点 高中阶段考试较多,尤其到了高三,需要学生从一份试卷中找到自己的不足,教师也不可能逐题分析试卷,只能从试卷反映出来的问题,尤其是重点和难点分析,做到有的放矢。例如2016年全国理综Ⅰ卷第32题,笔者先带着学生绘制遗传分析图,然后请学生分析给其他学生听,这样通过自己的语言组织,提升理解能力和语言表述能力,当然更重要的是回答问题更全面更准确。

    3.3 语言表述有方法 除了用图表理解表达生物学信息之外,在方法上,笔者采用不断修改的方法提高语言表达能力。例如,对于什么是光合作用CO2补偿点,让学生分三次表达他所理解的内容,第一次写出来的让学生大声朗读出来,其他学生给予纠正其中错误;该生再写一遍,字数减少10个字,再朗读一遍,其他学生给予评价;第三遍再写出来,突出关键词,字数必须再一次减少。一般三遍下来,学生就更加清楚自己要表达的内容了。

    3.4 师生协作同提高 近年来,高考导向从“理解能力”到“语言表述能力”的锻炼,体现在教师和学生共同提高,尤其是青年教师。因此,对教师提出新的要求,把该学科教师从一味地做题讲题转变成学科学习指导者,把教师过度依赖教材及教辅的照本宣科者转变成善于利用教材内容整合的知识构建者。只有教师更清楚能力培养过程中的相关理论,并寻找适合自己的教学方法,学生才会很快提升综合素质,教师才能在教学改革中通过自身的教学研究获得专业发展。


    科技活动
    美国纽约州观鸟活动中环境解说的实例#br#
    董 雪
    2018, 43(1):  53-54. 
    摘要 ( 153 )  
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    本文从主题构思、计划撰写、宣传推广及活动呈现等环节,介绍美国纽约州观鸟活动环境解说全过程,以期为我国的观鸟活动中,设计环境解说时提供可借鉴的经验。通过学习借鉴美国已有的经验,合理设计环境解说活动,可提供给中小学生独特的学习体验,用创新激趣的方式培养学生对生物学的兴趣。

    正文:

    1 环境解说活动的设计过程

    最近,在纽约州中部地区的公园(Green Lakes State Park、Clark Reservation State Park)开展了名为“早起的鸟儿有虫吃”(early bird gets the worm)当地常见鸟类声音的环境解说活动。这次环境解说活动的主要对象是中小学生观鸟爱好者,主要目的是通过大学生志愿者解说员讲解和活动引导,来识别几种纽约州常见鸟类的叫声和歌声。此外,解说员还会简要说明鸟类叫声与歌声的价值以及人类活动对其的影响。观鸟爱好者不仅可欣赏纽约州中部地区常见鸟类的典型声音,而且可学习到如何通过鸟类的叫声与歌声来识别各种鸟类。

    1.1 构思主题 一开始,解说员志愿者就通过头脑风暴和广泛收集资料来拟定主题。主题是整个解说活动的核心和灵魂。美国国家解说协会(National Association for Interpretation, NAI)为专业的主题设置了三个必备的标准: ①主题必须是传递信息或观点的完整的一句话;②主题必须能吸引特定观众的注意;③主题必须能够连接有形和无形的概念或事物。例如,这次环境解说活动的主题为:“你可以轻松地辨识出鸟儿为提高自己生存机会而独具的叫声与歌声吗?”在主题设计完成之后,还请专家和教师审阅,以确保拟定的主题是独特而有趣的,且适合在纽约州中部地区的州立公园中开展。

    1.2 撰写计划 此次针对鸟类声音环境解说活动在起草活动的计划时,还用到了美国环境解说领域一致推荐的专业计划表格(individual service plan, ISP)来规范自己的活动计划。在这个ISP表格中详细列出了环境解说的名称、主题、有形的与无形的概念、目的、具体目标、观众、活动时间、所需材料和解说活动流程等一系列的组成部分。在整个环境解说活动准备过程中,解说员小组成员通过网络在线共享和实时修改计划,添加新观点和评论其他学生所收集到的文字资料和图片信息。这份ISP活动计划不仅能让解说员小组成员清楚地知道整个活动的要素和进程,以后还能给其他类似案例提供可参考的资料。

    2 环境解说活动的宣传方式

    宣传推广是任何一个环境解说活动吸引参与者的主要环节。在本次观鸟解说实践之前,解说员选择了三种不同的宣传方式。分别是: 张贴海报、在网页上创建新事项以及在公园的博客上发布消息。这三种方式都提供了重要的细节,如地点、时间、日期和简短描述。二维码是海报中的重要组成部分(图1)。通过扫描二维码,可链接到公园网站在线报名参加活动。通过网站的报名人数统计,解说员可清楚地提前得知观鸟爱好者的人数,以便准备环境解说所需的活动材料。

    图1 环境解说活动的海报

    3 环境解说活动的最终呈现

    这次环境解说活动过程包括三大阶段。

    首先,设计了一个能展现交流沟通重要性的熟悉活动。先把观鸟爱好者分为人数相同的两组,给每一组的第一个人出示一句话,然后第一个人通过唱歌的方式给第二个人传达信息。以此类推,可通过绘画、肢体语言和捏橡皮泥等方式将信息传递到最后一个人,并由此人说出他最终得到的信息。通过这种熟悉活动,参与者可以感受到人类有很多种不同的沟通方式。同样,鸟类也会有不同的沟通方式,被称为叫声和歌声。每种鸟都有其独特的叫声和歌声,但这两种声音是可以加以区别的(表1)。

    表1 鸟类叫声和歌声的区别

                                    图2 解说活动中发给观鸟爱好者的工作表

    最后,在介绍七种鸟并分别聆听它们叫声和歌声的录音之后,由解说员带领观鸟爱好者在公园中进行步道游览。在游览过程中,当听到鸟的声音时,解说员都会及时提问并帮助观鸟爱好者辨识鸟,回忆它们的名字。每到达一个空旷的地方,解说员都会邀请观鸟爱好者分享自己刚听到哪些声音并识别鸟的名称。

    活动结束后,请所有的观鸟爱好者都对这次观鸟解说活动作一评价。

    4 对我国观鸟类活动的启示

    4.1 要构思专业性的主题 一个合格的环境解说项目必须有明确标准的主题,且贯穿活动始终。如果有必要,还可以考虑将主题分割为两到三个分主题。在环境解说活动的开始、中间和结尾处,解说员都需要直接告诉观众这次解说活动的主题是什么,这样才能在解说活动结束之后给参与者留下永久难忘的印象。

    4.2 撰写标准规范的计划 标准规范的计划具有固定的框架,只要更换内容既可。由于美国有专门为解说而设立多年的国家解说协会,关于解说的基本概念内涵和形式结构都有一套完善成熟的体系。解说员为环境解说活动所设计的计划,就相当于教师为一堂课所撰写的教案,由此可看出正式标准的计划对解说活动的关键性作用。

    4.3 选择合适的宣传方式 环境解说活动离不开强有力的推广宣传。向目标参与者广而告之是环境解说活动准备阶段的重要组成部分。如何选择合适的宣传方式需要根据环境解说活动的类型来确定,但至少需要保证使用三种不同的宣传方式。并随着距离活动开始时间的推进,需在不同的时间段向目标参与者宣传提示该环境解说活动的基本信息,包括吸引人的标题、活动简介、时间、地点、时长和活动适应人群。


    通过果蝇杂交实验重现自由组合定律
    黄淑峰, 朱小碗,
    2018, 43(1):  54-56. 
    摘要 ( 173 )  
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    通过果蝇两对相对性状的杂交实验和测交实验,尝试验证自由组合定律,帮助学生理解孟德尔对两对相对性状杂交实验的解释,促使学生掌握其中的原理并能在实践中运用,突破课堂教学的重难点。

    正文:

    “孟德尔的豌豆杂交实验(二)”是人教版生物学教材必修2第一章“遗传因子的发现”第二节内容,这节内容介绍了孟德尔通过豌豆杂交实验,运用假说演绎法得到自由组合定律,内容比较抽象,难度也较大,学生难以理解和运用。如果能够将孟德尔的豌豆两对相对性状杂交实验重现,让学生自己动手操作实验、分析结果并得出结论,能将抽象的内容具体化,将更有利于学生理解和掌握自由组合定律的原理。但是,让学生做豌豆杂交实验难以实现,因周期较长。因此可选用果蝇做杂交实验。因为,果蝇是遗传学模式动物之一,它具有作为遗传学实验材料的各种优点。如生活周期较短、易于区分性状和容易饲养等。具体实验操作过程如下:

    1 果蝇材料

    黑腹果蝇包括纯种黑体长翅果蝇和纯种灰体残翅果蝇,前者黑色身体,翅膀长过尾部;后者灰色身体,几其次,观鸟爱好者通过每种鸟独特的叫声和歌声来识别鸟。组织者从纽约中部地区的鸟类清单中选取了七种最常见的鸟。然后从康奈尔大学鸟类实验室的网页上下载了这些鸟叫声和歌声的录音和拟声词,通过集体筛选和反复确认之后,创建了一张当季七种常见鸟的工作表(图2)。并在活动开始前,给每位观鸟爱好者分发一张。

    乎没有翅膀,只有少量残痕,无飞翔能力。灰体对黑体为完全显性,长翅对残翅为完全显性。

    2 实验用品

    准备的实验用品包括: ①器具: 培养瓶、麻醉瓶(玻璃牛奶瓶)、白瓷板、毛笔;②药品: 乙醚、玉米粉、琼脂、蔗糖、酵母粉、丙酸,培养基的配制根据《遗传学实验》一书[1],实验前由教师配制好。

    3 实验过程

    (1) 选纯种黑体长翅果蝇和纯种灰体残翅果蝇为亲本,雌蝇一定要选处女蝇。处女蝇的选择: 雌蝇孵出后8~12h内不会交配,所以把老果蝇除去后,几小时内所收集到的雌蝇必为处女蝇。雌、雄果蝇的区分: 肉眼看到个体较小、第一对足的跗节前端有性梳、腹部底端颜色深且圆的为雄蝇;个体较大、第一对足的跗节前端无性梳、腹部底端颜色浅且尖的为雌蝇。

    (2) 把纯种黑体长翅果蝇和纯种灰体残翅果蝇进行杂交,正交和反交各一瓶。即: 黑体长翅雌和灰体残翅雄正交;黑体长翅雄和灰体残翅雌反交。每瓶接种雌蝇(处女蝇)、雄蝇各8只,贴好标签,标签上注明正交还是反交、日期及姓名。然后杂交瓶放到23℃的恒温箱中培养。

    (3) 7d后倒去亲本果蝇。

    (4) 再过5d,F1成蝇出现,麻醉、观察并统计记录F1中黑体长翅果蝇与灰体残翅果蝇数目,连续记录5d。

    (5) 麻醉F1成蝇,各选择雌、雄蝇8只,放到另一培养瓶内。这里雌蝇无须处女蝇(因为不影响实验结果),贴好标签,标签上注明日期及姓名,在23℃的恒温箱中培养。

    (6) 7d后倒去F1亲本。

    (7) 再过5d,F2成蝇出现,开始麻醉、观察并统计记录。连续统计5d。

    (8) 同时,进行测交,取F1成蝇,选择处女蝇8只,放到另一个培养瓶内,再取8只纯种黑体残翅雄蝇放进去,再做反交一瓶,贴好标签,标签上注明正交还是反交、日期及姓名,在23℃的恒温箱中培养。

    (9) 7d后倒去测交亲本。

    (10) 再过5d,测交子代成蝇出现,开始麻醉、观察并统计记录,连续统计5d[1]。

    4 实验结果

    把实验结果填写在下列表格中(表1~3)。



    5 实验小结

    学生根据实验结果得出正、反交的F1都为灰体长翅,统计得出F2中灰体长翅、灰体残翅、黑体长翅与黑体残翅的比例接近9 ∶3 ∶3 ∶1,测交后代灰体长翅、灰体残翅、黑体长翅和黑体残翅的比例接近1 ∶1 ∶1 ∶1,与孟德尔的豌豆两对相对性状杂交实验的结果一致。学生通过自主实验探究并得出结论,体验自由组合定律的发展过程,并理解了自由组合定律的原理。掌握了孟德尔对两对遗传因子杂交实验解释的科学性,懂得了假说演绎法的逻辑性,突破了本节的教学重点和难点,实现了课程标准的教学目标,效果较好。

    主要参考文献

    [1]刘祖洞,江绍慧.1987.遗传学实验(第2版).北京: 高等教育出版社


    考试与命题
    开放性生物学实验探究题的SOLO评分再探索#br# ——以2017年全国高考理综Ⅰ卷29题为例
    王闽阳
    2018, 43(1):  56-57. 
    摘要 ( 157 )  
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    本文以2017全国高考理综Ⅰ卷29题为例,尝试基于SOLO分类理论对学生进行评价,探讨核心素养背景下开放性生物学实验探究题的评价。

    正文:

    开放性实验探究题用纸笔测试方式考查了学生的逻辑思维、语言表达、科学探究等高阶思维能力,在当前核心素养背景下的考试命题中备受青睐。然而,试题的开放性和综合性又给评价的客观和公正带来巨大挑战。作为中学生物学教师,研究和应用相关的评价方法,是适应新教学环境的需要。本文拟从SOLO评价理论的视角,以2017年全国高考理综Ⅰ卷29题为例,就高中生物学教学过程中开放性探究题的SOLO评分展开探讨。

    1 SOLO分类理论简介

    SOLO分类是彼格斯等人根据皮亚杰的认知发展理论提出的、一种以等级描述为特征的质性评价方法[1]。该评价通过观察个体在解决某个具体问题时所表现出的思维结构,间接测量被测者的思维水平,即“可观察的学习成果结构”。根据对问题理解层次的逐级排列,SOLO可分为5个递进的结构水平,各水平特征如表1所示。

    表1 SOLO层次的水平特征

    彼格斯主张在以上五种结构之间分别存在四种过渡性回答层次,如单点结构到关联结构之间存在低关联过渡层次,关联结构到抽象结构之间存在高关联结构的过渡层次。SOLO分类评价不仅凸显学生思维能力考查的可视化,而且可以及时提供有用的分析框架和反馈信息。与其他分类法相比,SOLO分类评价更加直接地立足于学习理论,利用SOLO评价探究题可以淡化学科本位,更加直观简洁地反馈学习的思维层次与必备能力[2]。

    2 SOLO分类理论在开放性生物学实验探究题评分中的应用

    2.1 原题再现 根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型,有些病毒对人类健康会造成很大危害,通常一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换,请利用放射性同位素标记的方法,以体外培养的宿主细胞等为材料,设计实验以确定一种新病毒的类型,简要写出: (1)实验思路;(2)预期实验结果及结论即可。(要求: 实验包含可相互印证的甲、乙两个组)

    参考答案: (1)思路: 甲组: 将宿主细胞培养在含放射性标记尿嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。乙组: 将宿主细胞培养在含放射性标记胸腺嘧啶的培养基中,之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。(2)结果及结论: 若甲组收集的病毒有放射性,乙组无,即为RNA病毒;反之为DNA病毒。

    2.2 SOLO分析 29题主要考查学生生物学科的逻辑思维和科学探究能力,对综合运用能力要求较高。要求学生不仅要会分析、对比、判断,还要会把所学的知识类比迁移到新问题的探究,并用逻辑性的语言归纳概括。试题的能力要求达到SOLO层级的抽象拓展结构水平。本文仅就试题第(1)问实验思路进行分析。解答该实验思路需要学生逐层深入的认知与思维,根据SOLO分类理论,分析如下:

    (1) 知道放射性同位素标记法探究的本质 理解甲乙两组要用不同的带放射性标记的化合物进行探究实验(前半部分),病毒经过培养后会带上标记,通过检测带上的是哪一种标记确认是哪一类型病毒(后半部分)。

    根据SOLO分析,达到这一思维水平学生需要理解前后两部分问题,即“标记不同化合物的问题”和“最终检测什么来鉴定病毒”的问题。把前后两部分分别看成一个有效得分点。若回答时只能找到闪现在脑中的部分线索,即说明尚处于单点结构水平。如只找到前半部分线索,即理解放射性标记法的实质是用易于检测的放射性元素给某种化合物分子打上“记号”的方法,但不知道最终要检测病毒的放射性;或者只找到最终检测的线索,而无法准确描述要用不同的、带放射性标记的化合物进行探究。若能把前后两部分联系起来完整表达整条线索,则说明至少已达多点结构水平。

    (2) 理解DNA和RNA化学组成的区别 能把该知识点与放射性标记法探究有效关联,理解利用放射性同位素标记法区分病毒种类的关键是: 甲乙两组分别用放射性同位素标记的不同原料(尿嘧啶与胸腺嘧啶或核糖与脱氧核糖或核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸)来对照培养。高考标准答案给出的是尿嘧啶、胸腺嘧啶,基于中学生物学教学实际与反馈性检测,可以认为只要学生知道标记的化合物是可以区分DNA、RNA组成的原料,即说明学生思维已经达到关联层次。

    (3) 理解病毒培养的知识 能在(1)(2)的基础上继续关联病毒培养知识并加以综合运用。首先,知道病毒营寄生生活,应先用带标记的化合物培养宿主细胞,让宿主细胞带上标记后再培养病毒,病毒在宿主细胞中增殖会利用细胞中带标记的原料,最终病毒才能带上相应的放射性标记。

    若学生在具备上述认知(1)的基础上,只能关联到上述(2)DNA和RNA化学组成而忽略了(3)病毒培养的知识,说明尚处于低关联结构;能同时关联(2)(3)知识并有机整合,即能准确表达培养与检测的顺序,即可评定为关联结构或以上的水平结构。若学生能在关联结构表现的基础上,把必修二赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验设计类比迁移到鉴定病毒类型的新情境,归纳概括出完整实验思路,则说明学生达到抽象拓展水平。评定时,教师还可根据思维的缜密性和表达的完整性,评定为关联结构到抽象拓展结构的过渡类型。

    2.3 基于分析结果设定的SOLO等级评分标准 在实际教学中,可以把立意新颖的高考题(或对高考题稍作改造)作为平常检测题或课外作业,利用SOLO评分,探寻学生解答复杂问题的思维层次。例如,根据以上分析,开发第一问(1)实验思路SOLO等级评分标准,如表2所示。基于Ⅰ卷29题考查起点较高,这里对SOLO评价适当变通。因高考小题赋分细则未对外公布,本文以(1)实验思路满分为6分进行探讨。

    表2 实验思路的SOLO等级评分标准

    3 核心素养背景下探究题SOLO评分的意义

    重视科学探究是提高生物学科素养的主要途径。如上述题例所示,在常规教学命题与考试中,可以利用SOLO评价理论对开放性探究题进行分析,基于科学素养和思维层次,抓住问题关键,对试题参考答案进行SOLO等级评分标准细化。这个细化的SOLO等级标准既可以作为教师的评定标准,也可以作为学生反思的依据。从教的角度看,SOLO评分的层次性简化减轻了教师批改工作量,提高批改的客观性,使教师通过检测直接看到学生的思维层次,有利于及时进行教学诊断与分层指导。从学的角度看,将SOLO评分应用于平常性检测和作业的批改,学生通过常态性作业,不仅可以直观地看到自己学习的质量,而且可以对照SOLO评分标准反思自己思维及表达的不足,从而自觉进行深度学习。

    (基金项目:福建省教育科学“十二五”规划2015年度科研基地专项课题“SOLO分类在高中生物教学形成性评价中的应用探索”,No.FJKYJD15-15)

    主要参考文献

    BIGGS JB, COLLIS KF著.高凌飚,张洪岩主译.2010.学习质量评价: SOLO分类理论(可观察的学习成果结构).北京: 人民教育出版社,1~279

    李宜芸,李雪峰.2017.基于SOLO分类理论的2016年高考全国Ⅰ卷生物学32题学生答题评析.生物学教学,42(2): 58~59


    科技活动
    睡眠对小白鼠记忆力影响的实验设计
    刘润娴, 何梓莹, 吴刘镜, 陈咏欣, 陈学梅
    2018, 43(1):  58-59. 
    摘要 ( 268 )  
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    为了探究睡眠剥夺(SD)对小鼠记忆力的影响,首先让小白鼠进行为期一周的走迷宫训练并记录其走迷宫的成功次数和平均用时,再用电动玩具球干预小鼠的睡眠24小时并记录其走迷宫的成功次数和平均用时。综合比较实验前后其走迷宫的成功次数和平均用时,得出结论。本实验设计可作为初、高中学生的探究活动。

    正文:

    1 活动背景

    经调查显示: 睡眠障碍是亚健康表现的首要症状,睡眠剥夺可使机体脑功能处于低下状态[1]。成年人平均每天需要8小时的睡眠,而正处于发育期的学生每天至少需要9小时的睡眠,但由于学业负担重,很多学生的睡眠时间达不到要求[2]。在紧张的一天工作和学习之后,不论是脑力或是体力,都处于高度疲劳状态之中,只有合理和科学的睡眠,才能使全身的细胞处于放松和休息状态,尤其是大脑神经细胞。睡眠不足者会表现为烦躁、激动或精神萎靡、注意力涣散和记忆力减退等,长期缺少睡眠则会导致幻觉。而睡眠充足者精力充沛、思维敏捷和办事效率高。这是由于大脑在睡眠状态下耗氧量大大减少,有利于脑细胞的能量贮存。为了让学生充分地认识到睡眠的重要性,本实验以小白鼠为探究对象,通过控制小白鼠不同的睡眠时间,来探究小白鼠的记忆力是否受到影响。

    2 实验目的

    实验目的是: ①认识到睡眠的重要性,睡眠不足会对记忆力产生影响;②掌握小白鼠的养殖方法和引导小白鼠学习的方法;③形成探究兴趣和实事求是的科学态度,加强团队合作意识。

    3 材料用具

    小白鼠活体6只(20g)、鼠粮、苦味酸、鼠笼、长夹子、手套、电动球、纸板、秒表等。

    4 活动过程

    ①制作迷宫: 用纸板制作一个迷宫(图1,B为终点,A为起点);②小白鼠编号: 用苦味酸在小白鼠不同的身体部位进行标记,给小白鼠编号。③训练小鼠: 先对小白鼠进行为期1周的训练。在迷宫的终点放置适量鼠粮,将小白鼠放置于起点,对小白鼠进行引导性学习训练,引导其通过迷宫。④实验分组: 1周的训练结束后,就连续3天每天对小白鼠进行10次走迷宫测试,记录每只小白鼠成功通过迷宫的次数及其每次用时,并计算出平均次数和平均用时(表1)。将在走迷宫测试中平均次数和平均用时最接近的两只小白鼠分为1个平行组,共3组。⑤预备实验: 从每个平行组随机抽取1只小白鼠,将这3只小白鼠作为对照组,先正常休息;另外3只小白鼠作为实验组,用电动玩具球进行24小时干扰其睡眠,达到剥夺睡眠的效果。⑥正式测试: 预备实验结束后,分别对每只小白鼠进行10次测试,记录每只小白鼠按规定路线成功通过迷宫的次数和每次用时,并计算出平均用时(表2)。⑦分析数据: 根据表2正式迷宫测试后实验数据的记录,对比分析实验组与对照组中每只小白鼠的成功通过迷宫的次数和每次用时,得出初步结论。


    5 结果分析与讨论

    小白鼠睡眠不足会使其记忆力产生消极的影响,而充足的睡眠有利于记忆力的维持。具体表现为: ①被剥夺睡眠的实验组小白鼠走迷宫的犯错次数比其对照组小白鼠多,按规定路线走迷宫的平均用时也比其对照组长;②未被剥夺睡眠的对照组小白鼠,在平行实验前后按规定路线走迷宫的平均成功次数和平均用时无没明显差异;③被剥夺睡眠的实验组小白鼠,在进行平行实验后按规定路线走迷宫的平均成功次数明显比进行平行实验前的少,平均用时也明显比进行平行实验前的长。

    6 活动建议

    建议实验活动以小组合作的形式进行,4~6位学生为一组,学生要参与小白鼠的日常喂养与训练。在小白鼠的训练期间,可适当减少喂食量,用奖励食物的方法降低引导学习的难度。在进行训练时必须佩戴手套且要有教师在场,实验中会存在一定的安全隐患:

    如在制作迷宫时需要用到刀具要注意使用安全;小白鼠的喂养与训练时注意不要被小白鼠咬伤;有任何紧急状况一定要马上报告教师。

    (*通信作者)

    主要参考文献

    [1]王秀云,李积胜,刘公望,等.2006.睡眠剥夺对亚健康形成的影响及相关机制.天津中医药,23(2): 108~111

    [2]周立春.2013.青少年睡眠不足危害大.家庭科技,(2): 31~31


    “斑马鱼早期胚胎发育”创新型观察实验的设计#br#
    吴 谦, 胡逸华, 吴承玫
    2018, 43(1):  59-60. 
    摘要 ( 429 )  
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    由于体外受精和胚胎发育的概念离日常生活较远,学生难以对这些概念产生直观、感性的认识,笔者设计了一个创新型实验“斑马鱼早期胚胎发育”。设想通过显微镜观察斑马鱼胚胎的发育过程,来完善学生对胚胎发育的认知,同时也锻炼学生的实验操作能力。

    正文:

    1 教材分析

    “胚胎工程”是浙科版高中生物学教材选修3第三章的内容,主要是围绕动物从受精卵发育至幼体胚胎的过程,介绍体外受精的基础上,进一步拓展胚胎体外培养、胚胎移植等胚胎工程方面的先进科学进展。由于体外受精和胚胎发育的概念离日常生活较远,学生难以对这些概念产生直观、感性的认识。因此,若能以观察实验的方式将早期胚胎发育过程呈现在学生面前,让他们自己通过显微镜来见证胚胎发育的全过程,将会在锻炼实验操作能力的同时,深化对教材知识的理解,同时培养对生物学的兴趣。

    2 学情分析

    2.1 实验操作方面 教材中有多个实验需要使用显微镜。因此,学生对显微镜已经有了较为丰富的使用经验。但以往用显微镜观察的样品均为切、压后的处理样品,而这次观察的样品却为立体的、发育中的圆形胚胎。因此,学生需要掌握在镜下的操作方法,即在目镜观察的同时,用毛细枪头的尖端对胚胎进行拨动和调整位置。这对学生的协调能力和使用显微镜的水平提出较高的要求,将会极大地锻炼学生的实验技能,调动他们的主观能动性,同时又增强实验的参与感。

    2.2 知识储备方面 在本次实验之前,学生已经学习了减数分裂与受精作用相关知识,了解了生殖发育的基本规律,对高等动物均由受精卵发育而来的事实有了初步的认同。但对受精卵的形态结构、发育过程只有较为模糊的印象。

    3 实验准备

    3.1 斑马鱼简介 斑马鱼(Danio rerio)是原产于印度恒河的热带淡水鱼,因体侧有蓝白色的纵纹似斑马而得名。斑马鱼体型较小,易于饲养,产卵量大,体外受精,胚胎早期发育迅速且透明,因而成为重要的模式脊椎动物。

    3.2 实验材料 雌雄斑马鱼两对,配鱼用的鱼缸、鱼捞,小型的透明培养皿(多个),塑料吸管,毛细枪头的尖端(多个),体视显微镜(两人一台)。

    3.3 准备步骤 在实验前一天的夜里,将雌雄斑马鱼放入同一鱼缸,但需用挡板将雌雄隔开。斑马鱼习惯于清晨产卵。因此,实验宜选择在早晨8~10时进行。

    4 教学过程

    4.1 从生活中见闻导入教学 设问: 大家肯定都吃过鱼,在看到家人清洗鱼肚过程中,有没有见到过成条的黄色鱼籽?(生: 有,是一颗颗粘在一起的。)这些黄色的鱼籽其实就是雌鱼的卵细胞,雌鱼被雄鱼追尾后就会将这些卵细胞排出体外,与雄鱼的精子结合形成受精卵,受精卵(胚胎)再发育成小鱼。今天大家就一起来观察一下这个过程。

    4.2 实验演示体外受精现象 鱼缸里的雌雄斑马鱼处于被挡板分隔的状态,先向学生简单介绍斑马鱼的基本知识,雌鱼的肚子比雄鱼略大,因为里面有许多待受精的卵细胞。之后将隔板取出,雄鱼便会开始追逐雌鱼,然后雌鱼会向水中排出卵细胞,这些卵细胞在水中碰到雄鱼排出的精子,形成受精卵。可让学生近距离观察追尾的过程,约5min后雌鱼开始产卵,请学生收集沉降在鱼缸底部的胚胎,并记录下这个时间点。

    4.3 小组观察受精卵发育状况 每2位学生一组,每组分发约10枚胚胎。每组学生在显微镜下观察胚胎的发育状况(图1,20×)。在观察过程中发现胚胎的最外围为一层薄的卵壳,里面的球体上半部分为透明状突起,下面很大的部分则为半透明的物质。向学生讲解上面的透明状部分为受精卵,并可在此处设问: 下面大部分体积的半透明物质是什么呢?

    图1 斑马鱼受精卵镜下图

    通过逐步提供信息引导学生得出正确答案: 雌鱼把鱼卵直接产在体外,这些胚胎靠什么营养长成小鱼呢?这种营养物质就是现在观察到下面大部分半透明的物质,它富含丰富的营养,称为卵黄。了解了这些背景知识,受精卵的观察就有了一定的目的性。学生慢慢地会发现: 所提供的10枚胚胎,有的是受精卵朝着镜头,有的却是卵黄朝着镜头。怎么让后者的受精卵朝着镜头呢?这时可用到所提供的毛细枪头。毛细枪头十分柔软,它的尖端可以用来轻轻拨动受精卵,使得受精卵旋转而变换位置。在拨动受精卵的同时,眼睛注视着目镜,观察拨动的情况,手上再做出相应的调整。这样的镜下操作需要一定时间来练习,能极大地锻炼学生的协调能力和实验操作能力,还能够让学生对下一步学习的胚胎移植技术产生认同。

    在胚胎最初发育的1~2min内,受精卵会逐渐鼓起,这一过程可直观地在显微镜下观察到。

    4.4 观察胚胎发育到2细胞期 经过约20min显微镜下操作的训练,学生已经变得熟练。此时斑马鱼胚胎的受精卵已经开始分裂,即将进入2细胞期(图2)。

    图2 斑马鱼胚胎2细胞期镜下图

    学生在镜下观察从单个受精卵分裂为2个细胞的过程,并记录下每枚胚胎进入2细胞期的时间(表1)。小组内部先比较这10枚胚胎到2细胞期所需时间的差异,然后再与其他小组比较平均时间的差异。实验结果表明,各组的胚胎具有相似的发育时间,呈现出同步性。学生经过思考得出结论: 胚胎的发育过程是受到精确调控的。

    表1 胚胎进入2细胞期时间记录表

    4.5 胚胎发育过程的后期观察 实验结束后,可将胚胎放在28℃且较为湿润的地方继续发育。并为学生提供一张斑马鱼的胚胎发育时间表(表2),让他们根据兴趣自由选择在课间、课后等各个时间节点来观察自己小组的胚胎发育状况[1]。

    表2 斑马鱼胚胎发育的时间表

    例如,24h后胚胎发育到原基第5期,此时胚胎已经具备了幼鱼的雏形,且能在镜下观察到心脏的跳动(图3)。通过这样的观察,学生能够切身地感受单个细胞的受精卵发育为完整个体的全过程,并认同这一过程的阶段性、准确性。

    主要参考文献

    张 倩,张 博.2007.遗传学实验常用模式生物的饲养方法——斑马鱼.北京: 高等教育出版社

    图3 发育至24h的斑马鱼胚胎镜下图


    植物压花的制作与欣赏
    阎 莉
    2018, 43(1):  61-61. 
    摘要 ( 852 )  
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    以自然界的植物为原材料,通过采摘其根、茎、叶、花和果实等部位,用物理干燥法压制脱水,可将植物本身具有的天然形态、自然色泽和奇妙纹理巧妙地组合起来,制成植物压花。既可作为艺术创作作品,也可作为植物教学标本使用,能演绎出特别的意境和韵味。

    正文:

    压花(pressed flower)是指将植物的根、茎(树皮)、叶、花和果实等部位,经过脱水、保色、压制和干燥处理而成平面花材的过程[1]。可以说所有的植物都能够作为压花材料,广义上统称为压花花材,狭义的压花花材只是指花卉植物材料的花朵、花瓣和叶片等。不仅成花可以用于压花;路边的野花、野草也可用于压花;花卉生产或者插花时剪下的花蕾、叶片等材料也可以用于压花;另外,树皮、落叶也是压花的好材料[2]。

    压花的制作方法如下:

    1 准备与材料

    1.1 制作工具 剪刀、镊子、刻刀,或美工刀、压板2块、吸水板2块、干燥剂2包、衬纸2张、海绵2片、绑带2条、自封袋1个、便签。

    1.2 花材采集 一般采集时间在上午9~10h;花材不连根拔起,只采需要的部分;采集花材需保留较长的花梗,避免脱水;夏季中午前后、阴雨天都不适宜。

    2 方法与步骤

    2.1 压制前处理 ①用面巾纸轻轻地清洁单瓣花、花瓣不多的薄花花瓣(整朵或整枝压制需要挤去水分);②用剪刀分解花朵花瓣(注意不要伤及材料);③用镊子将剪下的花材整理好;④如果是月季、芍药、康乃馨和非洲菊,则需要剔花、剖花、造型和砂纸打磨等分解压制。

    2.2 步骤 ①打开干燥板、铺上衬纸;②用镊子将处理好的花材排列摆放在衬纸上(图1);③在摆放好的花材上覆盖一张衬纸和一块吸水板;④打开压板,并将“第③步”的材料放上去;⑤将一块海绵放在“第④步”材料的上面,最上面放一块压板(图2)。

    3 干燥与保存

    具体步骤是: ①将压制好的以上材料用绑带绑紧,随即放入自封袋;②在便签上写好压制密封日期、花材内容;③一周后,打开密封袋,用镊子拿出已经完全干燥的花材;④将花材放入自封袋,自封袋中放入干燥剂,备用即可;⑤压板、吸水板、干燥剂、衬纸、海绵和绑带等都可反复使用。

    通过物理干燥处理的花材不但很好地保留了花材的质感、形态和色彩多种多样,而且自然天成,魅力环保。


    4 创新与意义

    物理干燥法的压花制作,能较完整地保留植物的各个特质,为压花的艺术创作提供基本材料。压花制作的过程,能让参与者近距离体验到植物的局部、叶片和花瓣的细节之美,达到插花或干花艺术所远不能达到的艺术境界。压制好的花材就像美术作品,不可简单的复制和重现,每一个枝条、每一片花瓣都是独一无二的私人订制,源于大自然,回归大自然、享受自然是压花过程的艺术魅力。

    压制好的花材是创作压花艺术的基本材料,就好像水彩和油料对水彩画和油画一样。压花艺术品是把植物科学和艺术两者相结合的产物(图3)。

    压花制作有很强的实践性和趣味性,能够寓教于乐,提高学生对自然的热爱和兴趣。作为一门技能课程,同时也是一门美学和植物入门的体验活动,可充分调动学生对花材的想象力,在花材压制和压花创作中获得美的享受和艺术的熏陶。

    (基金项目:上海市宝山区科委“科技馆活动进校园科普资助专项”,No.20170311)

    主要参考文献

    [1]计莲芳.2005.艺术压花制作技法.北京: 北京工艺美术出版社,25~31

    [2][日]杉野宣雄.2005.押花艺术与制作.北京: 中国轻工业出版社,46~78


    考试与命题
    2017年高考理综Ⅰ卷生物学试题的科学解释能力考查
    陈 婷, 俞如旺
    2018, 43(1):  62-64. 
    摘要 ( 88 )  
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    从科学解释能力的定义出发,对2017年高考理综Ⅰ卷生物学试题中有关科学解释能力检测试题以及考试答题情况进行分析,列举了考生作答科学解释试题时出现的方向性、逻辑性、完整性问题。

    正文:

    科学解释能力是指: 运用科学理论、规律进行思考,科学地说出现象产生的原因、事物之间的联系的能力,是一种重要的科学学科能力[1]。高考是选拔性考试,对考生的科学解释能力的考查尤为重视。2017年高考理综Ⅰ卷生物学试题突出考查考生的科学解释能力,要求考生能在已有的学科认知和特定的试题背景中寻找证据,通过逻辑推理对生物学问题进行科学的解释。因此,如何提高学生生物学解释能力,是中学生物学教学的重要研究内容。本文在对2017年高考理综Ⅰ卷考查学生科学解释能力的试题(以下简称: 科学解释试题)进行分析和讨论的基础上,结合科学解释试题的答题步骤和高考阅卷,例析考生在本次高考答题中出现的三大主要问题,为教学提供参考。

    1 科学解释试题的考查要素与分值分析

    科学解释能力在试题中的考查包括阐明特定现象的本质、预测可能发生的情况以及推测事件发生的原因等三个要素。依据科学解释能力的考查要素,对新课标Ⅰ卷进行分析,得出科学解释试题的要素考查情况与考生得分情况(表1)。从表1可以看出,考生无论选做37题或38题,全卷科学解释试题总分均为22分,占生物学试题总分值的24.4%,可见科学解释能力的考查在全卷中占重要地位。其中,推测事件发生原因的要素的考查最为频繁,且试题所占的总分值最高,占科学解释试题总分的78%。

                                                                                  表1 科学解释试题的要素考查与得分情况

    利用科学解释试题的要素考查情况与得分情况,将每道试题的总分与考生的平均得分按考查要素进行分类统计,得出试题得失分比较(图1)。从图1可以看出,科学解释能力的三要素中,推测事件发生原因的要素在试题考查中反馈结果最好,考生的平均分接近该要素考查总分的40%。预测可能发生情况的要素与阐明特点现象本质的要素在试题考查中反馈出的结果相似,考生的平均分接近其要素考查总分的15%。但从科学解释能力各要素的总体考查结果而言,考生的得分率均不高,因此能够反映考生科学解释能力薄弱的现状。

    2 科学解释试题答卷中出现的错误与分析

    科学解释试题的答题步骤可分为: 理解题干,获取有效信息→建立核心概念与现象间的逻辑关系→准确表达。其步骤分别决定了考生答题的方向性、推理的逻辑性和答案的完整性。下面对考生作答科学解释试题时出现的典型错误进行整理(表2),并分析其错误原因。

    图1 各要素所涉试题的得失分比例

                                                                                          表2 科学解释试题的典型错误答案

    通过表2的分析可知,科学解释试题的失分原因与其答题步骤密切相关,由答题方向错误、推理缺乏逻辑和答案不完整等三大问题造成,具体表现如下。

    2.1 未理解试题的实质,导致答题方向错误 考生答题时,首先应该阅读题干、理解题干,获取解题的有效信息,明确解题方向。但有的试题并未直接呈现明显的解题方向,往往需要考生对题干进一步理解与分析,将题干内容转化为有效的信息,为科学解释提供明确的方向。若考生不能理解试题所传递的实质内容,将导致答题方向错误,从而影响得分情况。

    例1 (第38题第1问)某同学从人的基因组文库中获得了基因A,以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A,其原因是 。

    考生错误答案:“大肠杆菌感受态细胞未完成转化,无法导入基因A,因此无法得到蛋白A”“Ca2+浓度不适宜,导致无法得到蛋白A”“大肠杆菌无高尔基体和内质网,不能加工蛋白质”,这些答案反映出考生并没有真正理解试题的实质,仅通过初步阅读试题、获取题干浅层信息:“目的基因A导入大肠杆菌”或“大肠杆菌作为受体细胞”,错误地从“目的基因导入受体细胞失败”“原核生物的细胞结构”等角度出发回答问题,导致证据、推理和推断错误,构建的解释与正确答案相距甚远。若考生通过进一步理解题干,获得试题的深层信息:“基因A是人类基因,具有内含子”“大肠杆菌是原核生物,不具有切除内含子的机制”,将深层信息进行组织、整理后,便能得到正确答案。避免答题时的方向性问题,需要考生养成仔细阅读、认真审题、深度理解题干的习惯,以获取正确的信息作为科学解释的证据,不被表层信息迷惑,从而保证答题方向的准确性。

    2.2 核心概念掌握不牢固,导致推理缺少逻辑性 扎实的知识基础是正确答题的关键,考生在进行科学解释的时候,需要建立生物学现象与核心概念、规律之间的联系。考生对核心概念掌握不牢固,导致答题思路混乱、推理缺乏逻辑从而影响得分。

    例2 (第30题第2问)若将甲种植物密闭在无O2、但其他条件适宜的小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸增加,原因是 。

    考生错误答案之一:“光照一段时间后,植物光合作用产生有机物,为有氧呼吸提供所需物质,有氧呼吸速率提高”,该答案具有完整的科学解释结构,答题方向正确。但考生对核心概念掌握不牢固,误以为有氧呼吸提高是由于光合作用产生的有机物增多导致,使得推理过程缺乏科学的逻辑关系。有考生回答:“甲植物的CO2补偿点大于乙植物,甲植物可以进行光合作用为有氧呼吸提供有机物和能量,最终提高有氧呼吸速率”,该答案首先体现考生不理解试题的实质,错误引用信息“CO2补偿点”导致答题方向错误。其次,体现出考生核心概念不扎实,误认为光合作用通过为有氧呼吸提供有机物和能量导致有氧呼吸速率提高。还有考生认为光合作用是通过影响ATP含量、[H]含量、CO2含量,最终增强植物有氧呼吸速率。解决核心概念掌握不牢固而导致的推理逻辑性问题,考生需要具备夯实的核心概念作为答题基础,才能够正确利用核心概念进行科学解释,使科学推理具有逻辑性。

    2.3 不了解科学解释的基本结构,导致回答缺乏完整性 有考生在解释生物学现象时,分明能从正确的角度切入试题,且基础知识、核心概念扎实,具备构建科学推理的能力,但最终给出的答案却残缺不全。究其根本是考生不了解科学解释的基本结构导致。完整的科学解释需要包含证据、推理、推断三个基本结构[2]。证据是指由科学数据组成的、用来支持学生推断的依据。推理是利用假说、演绎等科学方法连接证据与推断的桥梁。推断是从学科角度认识现象所得出的初步结论。

    例3 (30题第1问①空)将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中,适宜条件下照光培养,培养后发现两种植物的光合速率都降低,原因是 。

    有的考生已经从正确的答题方向——“光合作用大于呼吸作用,导致小室中CO2降低”切入,但给出答案“光合作用消耗的CO2量大于呼吸作用产生的CO2量”,未提供证据和进一步的推理,使回答缺乏完整性。有的考生回答:“密闭小室中CO2的含量下降,导致光合作用速率降低”,却没有提供证据证明密闭小室中CO2的含量为何下降,因此答案也不完整。可见,证据、推理与推论是考生回答科学解释试题的得分要点。考生在进行科学解释的最后,还需要对科学解释的表达进行确认,确保答案中包含科学解释的三个基本结构,避免因答案不完整而造成的错误。

    (*通信作者)

    主要参考文献

    QUINN H, SCHWEINGRUBER H, KELLER T. 2012. A framework for K-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC.: The National Academies Press, 67~71

    GOTWALS AW, SONGER NB. 2013. Validity evidence for learning progression-based assessment items that fuse core disciplinary ideas and science practices. Journal of Research in Science Teaching, 50(5): 597~626


    教学参考
    植物与昆虫互作机理研究概述
    马 瑞, 董 冬
    2018, 43(1):  65-67. 
    摘要 ( 347 )  
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    本文概述了植物被植食性昆虫取食时的防御反应及在防御时所涉及的信号通路和防御机制,展望了植物与昆虫互作机理的研究方向和前景。

    正文:

    植物生长于自然环境中,不可避免地承受着外界的各种威胁,其中植食性昆虫的取食是最常见的伤害。植物整个生命历程固定生长于同一位置,但当外界威胁来临时植物并非毫无作为,在漫长的进化历程中也形成了多种防御机制。

    1 植物的防御反应

    自然界中,任意一种植物都不能避免被昆虫取食侵害,并且由于昆虫有可自由移动的特点,植物抵御病原菌的超敏反应对其不起作用。这使得植物必须具备某种防御机制来阻止植食性昆虫对其进行伤害。因此,植物可以合成针对昆虫各个系统(如神经系统、消化系统等)的次级代谢产物来抵抗昆虫取食,还能够释放一些挥发性物质来调节自身与昆虫及其天敌之间的关系,从而起到防御的作用。Painter以昆虫与植物的互作为基础,从生理功能角度将植物的抗虫机制分为趋避性(antixenosis)、抗生性(antibiosis)以及耐受性(tolerance)。趋避性是指植物由于自身的某种特性而具备了驱赶或避开昆虫取食及产卵的能力。这种特性可以是生物化学或生物物理特性以及两者的综合作用;也可以是视觉的特性,使得昆虫对其不产生正趋性,不喜在该植物上栖息、取食或产卵。但由于植物的趋避性在抗虫方面的效果是有限的,因此许多植物还会通过产生对昆虫有害的次级代谢产物而使昆虫不再对自身产生为害,即抗生性。植物的抗生性虽不能驱赶昆虫在植株上栖息、取食与产卵,但可以产生许多对昆虫不利的反应,造成其取食量降低,生殖能力减弱,活动困难,发育迟缓,体重减轻以及死亡率增高等,从而影响昆虫的正常生长、发育和繁殖。此外,植物能够承受昆虫取食造成的伤害,并且具备补偿这种伤害的再生长和再繁殖能力,即植物的耐受性。耐受性是一种被动的抗性机制,可能与代偿生长有关。例如,昆虫的为害可以促进植物吸收营养和光合作用的能力加强,以及促进光合同化物的积累。与趋避性和抗生性不同,昆虫对具耐受性的植物有着正趋性,并能在其上正常生长繁殖,却不至于对具备该机制的植物造成严重损害而降低其产量和质量。

    依据发生方式的不同,可以将植物的防御反应分为组成型防御和诱导型防御。组成型防御是植物利用自身固有特征,来对病原菌侵染或昆虫取食进行阻止和防御,是植物与生俱来的,外界环境的改变对其影响不大,在植物体持续发挥作用;诱导型防御是植物因昆虫取食这一行为而产生某种物质或某种反应来避免被取食或伤害,从而达到防御的目的,这是在植物受到外界损伤后才表现出的防御反应[1]。

    1.1 植物的组成型防御——物理化学防御 植物的组成型防御主要是指与生俱来的物理和化学防御,即植物通过本身所固有的结构特征或含有某些对植食性昆虫有毒的物质来抵抗植食性昆虫的伤害,这些物质能抑制昆虫的生长和繁殖。例如,有些植物可以通过表皮分泌有毒化学物质,或在表皮毛、液泡中长期贮存有毒化学物质。当植物受到昆虫取食的伤害后,有毒物质便会被释放到受损组织中,达到驱赶或毒害昆虫的效果。这些植物组织结构和分泌的化学物质可以有效遏制昆虫的栖息和繁衍,给植物自身提供了即时保护。

    表皮毛是植物适应即时保护而进化出的有效结构特征,按照分泌功能的有无可将其分为腺性表皮毛和非腺性表皮毛,它们都能影响植食性昆虫的取食强度和存活率。例如,番茄的一种腺性表皮(Ⅵ型表皮毛)中含多酚氧化酶和过氧化物酶,以及绿原酸、芦丁、咖啡酸结合物等,若表皮毛受损便会释放这些物质,继而对植物自身的蛋白质造成破坏,使昆虫取食点的营养成分发生改变,从而抑制昆虫取食。另外,这些物质的氧化产物还能堵塞昆虫口器,从而直接抑制昆虫的取食行为[2]。

    1.2 植物的诱导型防御——免疫系统防御 当植物遇到植食性昆虫取食、病菌感染以及机械损伤等的伤害后,诱导型防御就得以发挥作用,这就与人类的免疫系统相类似,因此植物的诱导型防御又被称为植物的免疫系统。植物受到病菌感染时,病原菌上的微生物相关分子模式(MAMPs)被植物的模式识别受体(PRRs)所识别;同样,昆虫取食植物时,唾液中含有的草食动物相关分子模式(HAMPs)以及取食对植物造成的机械损伤使植物细胞释放的损伤相关分子模式(DAMPs)都能被植物细胞膜表面的模式识别受体PRRs识别,从而诱导PRR引发的免疫反应(PTI)[3~4],即基础防御反应。

    除了基础防御以外,植物应对植食性昆虫的取食还发展了更高效精确的监视体系。在与植物漫长的协同进化过程中,昆虫体内会产生一些效应因子(effectors)来抑制植物的基础防御,在这种情况下,植物抗性基因的产物R蛋白可直接或间接识别昆虫的效应因子,在植物细胞内各类因子的协助下产生效应因子引发的免疫(ETI)反应。与基础防御反应相比,ETI反应更加强烈,并且两者之间有所重叠,如胼胝质沉积、微生物相关分子模式(MAPKs)级联反应以及各激素信号途径等。另外,ETI反应可以引起植物中蛋白酶抑制剂的产生,昆虫取食后消化系统被破坏,从而其生长受到抑制。抗性基因所介导的一系列ETI反应能够减少昆虫对宿主植物的取食[5~7]。

    2 植物抗虫反应的信号通路

    2.1 水杨酸信号途径 水杨酸(SA)是小分子酚类化合物的一种,植物体内游离的SA可在韧皮部中运输。SA或水杨酸甲酯(MeSA)可以激活病程相关蛋白(PR)的基因表达,从而使植物产生系统获得性抗性(SAR)和超敏反应。植物对刺吸式昆虫的防御大多通过SA信号途径发挥作用。刺吸式昆虫取食后,植物组织中SA含量增加,从而激活植物体内与抗性相关的基因表达[8]。

    2.2 茉莉酸信号途径 茉莉酸(JA)是一类具有环戊烷酮结构的化合物,表现出广谱的生理效应,在调节植物生长、发育等基本生命过程之余,还能对机械损伤、病虫害等外界伤害产生响应。在对抗病原菌的防御反应中,植物组织中JA含量明显升高,从而诱导系统素和病程相关蛋白基因的表达,以及引发诱导获得性抗性(ISR)。在抗虫方面,外源添加JA到番茄、棉花和小麦上能够显著降低蚜虫的存活率和生长速度[9]。

    2.3 乙烯信号途径 乙烯(ET)仅含有两个碳原子,是一种结构简单的气态植物激素。除了在植物种子萌发、果实成熟、花叶脱落等生长发育过程中担发挥重要作用以外,乙烯在植物应对外界胁迫的过程中也起着不可或缺的作用。在受到病原体侵染时植物组织会释放乙烯,释放的乙烯可与乙烯受体结合,再将信号通过MAPK级联反应途径和转录级联途径进行传导,最终产生防御反应。

    2.4 活性氧信号途径 植物受到多种形式的外界胁迫,如机械损伤、昆虫取食,甚至植株上昆虫的爬行都会导致植物组织中活性氧(ROS)的产生;另外,在刺吸式昆虫分泌的唾液中含有一些酶类也能够产生ROS,从而使植物的防御状态发生改变。ROS能够参与植物的防御反应信号途径,并引起取食部位发生超敏反应[10]。植物有自己的调节机制来保持ROS的动态平衡: ROS的产生可激发植物防御反应,而ROS的去除可避免植物被其过度氧化损伤[11]。

    除了上述信号通路以及它们彼此之间的相互调控以外,其他的一些信号通路也参与了植物对昆虫的防御过程。当植物与昆虫发生相互作用时,与生长发育和光合作用相关的基因会被抑制表达,这意味着植物将以往用于生长发育的营养用来防御,这种情况在病原菌与植物的互作中已见报道[12]。另外,昆虫的取食会诱导许多与次级代谢产物相关的防御基因表达,这些基因的种类和数量与昆虫的种类、取食模式、昆虫取食后的取样时间以及昆虫的诱发子有关。

    3 展望

    随着科学技术的发展,传统的表观研究和单个功能基因研究已经无法满足对植物与昆虫互作研究的需求;而随着分子生物学技术的发展以及诸多学者对生命过程的不断深入探索,植物与昆虫互作机理的高通量分析需求已经日益迫切。目前,寻找植物与昆虫互作时特定的信号途径和相关基因调控机制已然成为生命科学研究热点。

    (*通信作者)

    主要参考文献

    [1]AGRAWAL RK,PENCZEK P,GRASSUCCI RA,et al. 1998.Visualization of elongation factor G on the Escherichia coli 70Sribosome: the mechanism of translocation. Proceedings of theNational Academy of Sciences of the United States of America,95( 11) : 6134 ~ 6138

    [2]KENNEDY GG. 2003. Tomato, pests, parasitoids, andpredators: tritrophic interactions involving the genus Lycopersicon.Annual Review of Entomology,48( 1) : 51 ~ 72

    [3]BOLLER T, FELIX G. 2009. A renaissance of elicitors:perception of microbe-associated molecular patterns and dangersignals by pattern-recognition receptors. Annual Review of PlantBiology,60( 1) : 379 ~ 406

    [4]SCHULZE-LEFERT P,PANSTRUGA R. 2011. A molecularevolutionary concept connecting nonhost resistance,pathogen hostrange,and pathogen speciation. Trends in Plant Science,16( 3) :117 ~ 125

    [5]KLINGLER J. 1998. Phloem specic aphid resistance in Cucumismelo line AR5: effects on feeding behavior and performance of Aphisgossypii. Entomologia Experimentalis Et Applicata,86( 1) : 79 ~ 88

    [6]KALOSHIAN I. 2000. Mi-mediated resistance against the potatoaphid Macrosiphum euphorbiae ( Hemiptera: Aphididae) limits sieveelement ingestion. Environmental Entomology,29( 4) : 690 ~ 695

    [7]VAID N,MACOVEI A,TUTEJA N. 2013. Knights in action:lectin receptor-like kinases in plant development and stressresponses. Molecular Plant,6( 5) : 1405 ~ 1418

    [8]ZHU J,PARK K-C. 2005. Methyl salicylate,a soybean aphidinducedplant volatile attractive to the predator Coccinellaseptempunctata. Journal of Chemical Ecology,31( 8) : 1733 ~ 1746

    [9]BRUCE TJ,MARTIN JL,PICKETT JA,et al. 2003. cis-Jasmonetreatment induces resistance in wheat plants against the grainaphid,Sitobion avenae ( Fabricius ) ( Homoptera: Aphididae ) .Pest Management Science,59( 9) : 1031 ~ 1036

    [10]MUSSER RO,HUM-MUSSER SM,Eichenseer H,et al. 2002.Herbivory: caterpillar saliva beats plant defences. Nature,416( 6881) : 599 ~ 600

    [11]ZHU-SALZMAN K,BI JL,LIU TX. 2005. Molecular strategies of plantdefense and insect counter-defense. Insect Science,12( 1) : 3 ~15

    [12]SCHEIDELER M,SCHLAICH NL,FELLENBERG K,et al.2002. Monitoring the switch from housekeeping to pathogen defensemetabolism in Arabidopsis thaliana using cDNA arrays. Journal ofBiological Chemistry,277( 12) : 10555 ~ 10561


    在显微镜使用的教学中需要补充的知识
    李五顺
    2018, 43(1):  67-67. 
    摘要 ( 920 )  
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     显微镜是中学生物学实验中最基本的仪器。本文对其操作相关的理论知识作一补充介绍。

    正文:

    1 物镜和目镜的性能指标

    每个物镜上都标有一组数字表示其性能,如10/0.25、160/0.17;40/0.65、160/0.17;100/1.25、160/0.17(oil,油镜)。其中,“10、40、100”表示放大倍数。在外形上,物镜的长度与其放大倍数的关系呈“正相关”。即物镜镜头越长,放大倍数越高,而工作距离(镜头与盖玻片之间的距离)越近;物镜镜头越短,放大倍数越低,工作距离越远。“0.25、0.65、1.25”表示镜口率,镜口率是光学显微镜的数值孔径,简写为NA(numerical aperture)或A,是物镜和聚光器的主要参数,数值大小体现了物镜的分辨能力,数值越大可区分两个物点之间的距离越小,分辨能力越高,性能越好。“160”表示镜筒的长度,单位为mm;“0.17”表示要求盖玻片的厚度,单位为mm。

    目镜上只有一个数字,表示放大倍数,如5×表示放大5倍,10×表示放大10倍,其他类推。目镜长度与其放大倍数的关系呈“反相关”,即目镜镜头越长,放大倍数越低;镜头越短,则放大倍数越高。目镜的放大倍数是显微镜性能的一个方面,评价的主要指标为视场。视场是指在显微镜视野中可以同时观察到的被观察物面的范围,数值越大视野范围越广,所观察到的物体数目越多。目镜上没有标明视场,各目镜的视场分别为:“5×”为20mm,“10×”为14mm, “16×”为10mm。

    只有理解了镜头上的数字所包含的意义,才能正确地选用镜头,获得最佳的观察效果。教师在指导实验的过程中,可以根据镜头的长度来判断学生是否正确选用了镜头。

    2 物镜的对光距离和工作距离

    对光距离和工作距离是两个不同的概念。对光是为了获得明亮的视野,便于后续实验,距离一般为2cm左右。工作距离是指显微镜在调焦看清标本时,物镜前端的下表面与盖玻片上表面之间的距离。物镜的工作距离与其放大倍数有关: 放大倍数越高,工作距离越近;放大倍数越低,工作距离越远。各物镜的有效工作距离分别为:“10×”为7.63mm,“40×”为0.53mm,“100×”为0.20mm。

    对于普通光学显微镜来说,光对好后,不能再移动显微镜。否则,位置不同,光的来源方向不同,要重新对光。而工作距离不随显微镜位置的变动而改变,观察时,目标一旦找到,无论将显微镜移到何处,只要视野中的光量足够,就能立即观察,根本不需要调节。

    分清对光距离和工作距离可帮助实验者在有效的工作距离内升降镜筒,从而更好地完成实验。教师指导实验时,可根据工作距离来判断学生实验成功的可能性。

    3 高倍物镜及油镜的使用

    观察任何标本,都必须先用低倍镜(目镜和物镜),因为视野亮、视野范围广,观察到的目标数量多,利于选择确定要观察的目标。观察目标的细微结构时,要使用高倍物镜。操作时,先在低倍物镜下选好目标并移到视野中央,再转动物镜转换器换用高倍物镜。此时,只需要略微扭动细准焦螺旋就可以看到清晰的物像。如果要进一步放大某结构,那么将其移到视野中央,升高镜筒将高倍物镜转向一侧,在盖玻片上加一滴香柏油,接着转动转换器换用油镜(oil,100×)。操作时边从一侧观察,边转动粗准焦螺旋使镜筒缓缓下降至油镜与玻片上的油滴接触(注意不要让油镜镜头碰碎玻片)。然后,通过目镜观察并转动细准焦螺旋调焦直到看清该结构。油镜使用完毕,要将镜筒升高,用擦镜纸将油吸净,再用另一张擦镜纸沾无水酒精擦拭镜头。


    #br# 非随机交配对种群基因频率的影响
    曾 吉
    2018, 43(1):  68-68. 
    摘要 ( 182 )  
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    介绍非随机交配的几种类型,并举例分析各种类型的非随机交配对种群基因频率的影响。

    正文:

    非随机交配是否影响种群的基因频率存在两种观点: ①认为非随机交配会影响种群基因频率;②认为非随机交配只改变基因型频率而不影响基因频率。其实,非随机交配存在不同类型,是否影响种群的基因频率,需具体分析。

    1 概念界定

    1.1 随机交配 随机交配是指群体中雌雄个体间无选择地进行交配,群体内所有可能的配偶组合都完全按特定的概率凭机遇发生。以一对等位基因为例,设群体中AA、Aa、aa三种基因型的频率分别为D、H、R,则各种交配型的频率为基因型频率的乘积,如AA×AA的频率为D2,AA×Aa的频率为2DH(含正交和反交),以此类推。

    1.2 非随机交配 凡是交配型频率偏离随机规律的所有交配方式均为非随机交配,具体分为近交、选型交配(又称为聚类交配,分为同型交配和异型交配)、性选择导致的非随机交配等类型。

    2 各种类型非随机交配对种群基因频率的影响

    不同类型的非随机交配对种群基因频率的影响并不完全相同。

    2.1 近交 近交是指有亲属关系的个体间的交配。植物的自花授粉(自交)是一种极端形式的近交,以此为例分析近交对种群基因频率的影响。设某自交种群起始全为Aa个体,即A、a基因频率均为0.5。自交一代,子代为AA ∶Aa ∶aa=1 ∶2 ∶1。自交n代,第n代中: Aa=1/2n,AA=aa=1/2×(1-1/2n)。可见自交不会改变种群的基因频率,但会改变基因型频率,使纯合子比例升高。在自然种群中,自花授粉的植物全为纯合子。其他形式的近交也不改变种群的基因频率。

    2.2 同型交配 同型交配是指具有相似表型的个体间交配频率高于随机概率的交配方式。如果显性个体仅与显性个体交配、隐性个体仅与隐性个体交配,则称为完全同型交配,以此为例分析同型交配对基因频率的影响。仍设某自交种群起始全为Aa个体(记为第1代),A、a基因频率均为0.5。第2代中AA ∶Aa ∶aa=1 ∶2 ∶1。第3代各基因型可按如下方法计算: 显性个体只与显性个体交配,相当于AA、Aa个体可随机交配,在这部分个体中,A基因频率为2/3,a基因频率为1/3,显性个体产生的子代中AA、Aa、aa分别占4/9、4/9、1/9;隐性个体产生的子代全为aa。因此,第3代中AA=3/4×4/9=1/3,Aa=3/4×4/9=1/3,aa=3/4×1/9+1/4=1/3。按照上述方法可推算出第n代中Aa=1/n,AA=aa=1/2×(1-1/n)。可见同型交配同样只改变基因型频率而不改变基因频率。

    2.3 异型交配 表型相似个体间交配频率低于理论频率的交配方式称为异型交配。若所有交配都发生在显性与隐性之间则称为完全异型交配。以此为例分析异型交配对基因频率的影响。设某种群起始时AA ∶Aa ∶aa=1 ∶2 ∶1,A、a基因频率均为0.5。按照完全异型交配方式,亲本交配类型及频率为: AA×aa=1/3,Aa×aa=2/3。子一代中基因型频率为: Aa=2/3,aa=1/3。子一代基因频率为: A=1/3,a=2/3。子一代交配类型全为Aa×aa,子二代中Aa=aa=1/2,基因频率为: A=1/4,a=3/4。至此,基因型频率和基因频率达到平衡稳定状态,不再发生改变。不完全异型交配同样是在达到平衡状态之前基因频率和基因型频率均发生改变,达到平衡状态以后则不改变。

    2.4 性选择 性选择指同一性别(通常是雄性)个体为交配展开竞争从而导致不同个体繁殖概率产生差异的现象。由于性选择的存在,种群内的交配通常都不是随机的。性选择可以看作是一种特殊形式的自然选择。这种情况下,种群的基因频率必然是会发生改变的。最典型的例子是孔雀尾羽的进化。雄孔雀漂亮的尾羽对于其生存并无帮助,但有着漂亮尾羽的雄孔雀更容易获得交配机会,进化过程中控制该性状的基因得以保留,频率不断升高。另一个例子就是果蝇的稀有基因效应,果蝇的稀有基因型个体尤其是雄性个体,往往具有超过普通型个体的交配优势,其意义是可以延缓稀有等位基因的丢失,这种情况自然也会导致种群基因频率的改变。

    3 小结

    近交和同型交配只改变种群的基因型频率,不改变种群的基因频率。异型交配在达到平衡状态之前种群的基因频率和基因型频率均发生改变,达到平衡状态以后则不改变种群基因频率。以上几种类型的非随机交配之所以能够保持种群基因频率不变,原因在于各种类型个体繁殖后代的概率相等,因此各等位基因传递下去的概率相等。性选择使得不同类型的个体繁殖概率产生差异,导致某些有更高交配机会的变异类型得以保存,因此改变了种群的基因频率。总之,交配方式是否影响种群基因频率,取决于该种交配方式是否影响种群内个体的繁殖概率。


    介绍一种确定食物网中食物链条数的精准方法
    曹正华
    2018, 43(1):  69-70. 
    摘要 ( 574 )  
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    在计数较复杂食物网中的食物链条数时有可能出现重数或漏数的现象。本文介绍一种在教学中摸索出来的行之有效的计数食物链条数的方法。

    正文:

    1 设立几个概念

    1.1 发箭和受箭 食物链中箭号一端是被捕食者,另一端是捕食者。一个箭号既代表被捕食者的发箭,同时也代表捕食者的受箭。因此,生产者其受箭数为0,而顶级消费者的发箭数也为0。例如,青草→野兔→狐狸→狼,青草与野兔之间的箭号,是青草的发箭,同时也是野兔的受箭。青草的受箭数和狼的发箭数都为0。

    1.2 受数 指某消费者接受食物网中所有生产者的物质和能量流经该消费者的次数。例如,图1中,金花鼠的受数是1(由仙人掌流经过来1次);而老鼠的受数是3(仙人掌流经1次,矮灌木流经2次);当然,老鹰的受数是8。

    1.3 计值 若所有生产者发箭总数为a,则所有生产者计值为a;任何一个消费者若有m个发箭(注意,m≥2的消费者称为有价消费者,该消费者才能计值,否则不计值),并且该消费者的受数是n,则该消费者计值为(m-1)×n。

    1.4 计值者 生产者和有价消费者统称计值者。食物网中食物链条数(设为E)的确定: 食物网中计值者计值的总和是该食物网中食物链的条数。即E=a+∑(m-1)×n。

    2 案例解析

    例1 某草原食物网(图1),该食物网中有金花鼠、蚱蜢和老鼠3个有价消费者。食物链条数的计算见表1。



    例2 某人造林中的食物网(图2),该食物网中有蝉、黄雀、寄生蜂、蚜虫和蜘蛛5个有价消费者。食物链条数的计算见表2。



    例3 温带森林中的食物网(图3),该食物网中有鹿、松鼠、鼠、兔和小鸟5个有价消费者。食物链条数的计算见表3。

    3 小结

    上述方法能帮助教师和学生精准地计数出食物网中食物链的条数,尤其对复杂的食物网能有效地避免重数和漏数。从以上3例来看,发箭数可以在食物网中直接数清楚。受数的计数需要仔细查看。例如,例2的食物网中,生产者合欢树和蔷薇各一次流经黄雀而柳树则两次流经黄雀,故黄雀的受数是4。例3中,枝叶、果实、树皮各一次而花则两次流经小鸟,故小鸟的受数是5。所以,关键是细心地计数出受数,再利用计值公式(m-1)×n计算,则食物链的条数就很容易确定了。


    初中女生青春期性教育的“六会”
    李红梅
    2018, 43(1):  70-71. 
    摘要 ( 8001 )  
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    针对初中女生如何认可自己的性别,学会自制、自爱、自律、自强等方面进行青春期性教育,使她们在科学知识的引领下认识自我、预知危险,能健康、平安、快乐地度过青春期。

    正文:

    当学生的脚步跨进初中大门的时候,他们已经进入了人生的黄金期——青春期。青春期是人的第二次生长高峰,在这个时期随着身体的发育,心理也会出现许多变化。女生由于身体的特殊性,容易遭受异性的伤害。

    作为生物学教师应利用生物学课堂的平台,科学、及时、有效地对学生进行青春期性教育,从以下六个方面教育学生。

    1 学会自知,认可自己的性别

    通过七年级生物学“人的生殖”章节的学习,女生已经知道了青春期的性发育包括性器官的发育和第二性征的发育。但当这一系列的变化发生时,有些女生表现为不安和无所适从。教师应教育学生: 性是人与生俱来的,在新生命诞生之初,当精子和卵细胞结合成受精卵,受精卵中的遗传物质(性染色体)就已经决定了人的性别(男性XY、女性XX)。出生后随着年龄的长大,特别是进入青春期后,女性器官在体内雌激素的作用下,由幼稚型逐渐向成人型发育。与此同时女性第二性征悄然出现,如身高突然增大、声音变高、乳房慢慢隆起、骨盆变宽、臀部变大(圆),出现了月经。其实这些变化都是很正常的,就像大多数植物在春天开花一样,是一种自然现象和自然规律。女生不必为这些变化而苦恼,而应任其自然发展。但是月经初潮意味着女孩身体基本发育,已经有生育能力了,为此女生一定要懂得自尊自爱,学会保护自己。

    2 学会自制,接纳自己的性角色

    进入青春期的女生身体上发生变化的同时,她们的心里也发生了许多变化。有了“小大人”的感觉。例如,开始有了自己的主意,学会和父母顶嘴,开始有了自己的心事,开始爱打扮自己……女生在心理上最明显的变化表现在: 有强烈的独立意识,遇到挫折又有依赖性;渴望得到家长和老师的关心,但又想有自己的小天地,有时会出现莫名的忧郁、烦恼,她们会向同学朋友倾诉,却不愿对家长和老师诉说;有时会出现逆反心理(我偏不这样),与家长和老师对着干。在人生的这个阶段,女生有一些困惑和烦恼,这是很正常的。父母和老师有丰富的经验和阅历,是青春期女生最好的参谋。故青春期女生一定不要把父母和老师排除在自己的心理世界之外,要学会与她们交流和倾诉,以轻松化解困惑和烦恼。

    女生要学会调整自己的情绪,如转移、宣泄、克制,要善于控制自己的情绪,经得起悲痛、欢乐、失望的刺激;还要有较强的自制能力,学会自我疏导、自我超脱,做一个自信、快乐的女生。

    3 学会自爱,做健康女生

    青春期是身体发育的关键时期,在此阶段应该加强食品营养,注重生理卫生,注意以下几个方面: ①平衡膳食,合理营养。一日三餐,按时就餐。不偏食、不挑食,不暴饮暴食。只有为身体发育提供必需的营养,才能使生长发育的潜力得到充分发挥。②保护乳房,不要束胸,佩带规格合适的乳罩,保持抬头挺胸的良好站姿。③保护声带,不大声喊叫或过度用嗓。嗓子发干或声音嘶哑时,应尽量少讲话,并及时喝水缓解。不吸烟、不喝酒。④注意经期卫生。由于发育的原因,月经初潮后的一段时间月经一般不是太规律,但逐渐会正常的。月经期应该注意: 避免过度劳累(不参加剧烈体育运动和重体力劳动),保持充足睡眠;避免着凉;勤换清洁的卫生巾(纸),勤洗裤头(盆应专用)。⑤关注痛经。月经期前或经期出现全身不适,如腰酸、下腹肿胀(痛经)、乳房发胀,严重者恶心、呕吐、面色苍白、手足冰凉等,应及时就医。同时应关注闭经、功能性子宫出血(行经时间7d以上)的问题。在父母的关爱和自我爱护下,保持一个健康的身体。

    4 学会自律,遵循道德和法律的约束

    进入青春期后,随着身体的发育,性意识开始萌动,表现为从初期的与异性疏远,到后来的渴望与异性交往。从生物学角度看,男女间相互爱慕,如同求偶期开屏的孔雀、歌唱的百灵一样,是人的本能。其客观基础是进入青春期后,分泌的性激素所起的作用。如同动物界雌雄异体的动物,人类的两性发育成熟后才能产生生殖细胞,进而由两性生殖细胞结合产生新的个体,以维持种族的繁衍。

    人类是生物进化到高级阶段的社会化动物,几千年的人类文明史决定了人的自然本能不能脱离社会的影响而存在。因此,人类的性行为不仅仅是生物本能的一种表现,还是生理、心理、思想、情感、伦理、精神以及各种因素的一种结合。人的性活动不能随心所欲,是一种社会行为,要对社会负责,要接受道德和法律的制约。青春期是人身体发育的关键时期,同时又是人一生中智力发育的黄金时期,正是学知识、长才干的关键时期。

    因此,女生要自律,学会控制自己的情感,约束自己的行为,与男生友好大方的相处。树立远大理想,集中精力努力学习。

    5 学会自重,敬畏异性

    女生应该学会敬畏异性,时刻提醒自己保持女性的矜持,提高防范意识。与异性交往时应注意: ①举止要端庄大方,穿着要与中学生年龄、身份相符。衣着不要太暴露。②与男生交往要保持距离,不独处,提倡集体活动与更多人的交往。③不轻易接受男生的礼品,理智的谢绝异性的爱慕与追求。④学会自我保护和防范。

    例如,不给人带路,也不让人带路;独自一人在家时,找理由拒绝男性进入,即使来人是亲友;坚决拒绝男性对自己身体的触摸,特别是穿背心、裤头的部位,更不允许男性脱女生的衣服、裤子;不让男性医生单独检查自己的下身;不要一个人或少数几个人到黑暗或偏僻的地方去;不与男性拥抱、接吻,遇到侵扰和挑逗要冷静地设法摆脱。

    女生要意识到与男性“甜蜜”交往中隐藏的危险信号: 喜欢男女单独交往,更喜欢男女独处;男女交往过于频繁,且交往带有隐秘性,不让同学、家人知道;对方成为自己的牵挂,有一日不见如隔三秋的感觉;两人在一起时,只渴求拥抱接吻。如果在男女交往中出现以上情况,提示女生交往已经偏离正常轨道,本能的欲望正在冲毁理智的堤坝。若女生仍沉醉于与异性的缠绵中,一旦失去理智,性行为就可能发生,“一失足成千古恨”的后果就可能会出现,从而改变人生的轨迹。因此,逐渐长大的女生要学会正常的人际交往,培养自己不受性骚扰的能力,平安度过青春期。

    6 学会自强,理智对待遭遇到的侵害

    女生在成长的过程中,若由于男女交往不慎而发生婚前性行为,或是不幸遭遇强暴时应理智面对,及时向父母、老师、社会寻求帮助。婚前性行为就是俗话中所说的偷食禁果,是社会规范所不允许的。偷食禁果一旦发生,女孩因惊慌、焦虑、负罪感、羞耻感等沉重的心理压力会影响正常学业。发生了婚前性行为的女孩应该马上意识到自己行为的危害性,及时制止绝不再犯。女生不幸遭遇强暴被性侵后,要及时报案,让犯罪分子受到应有的惩罚。不论女生因发生婚前性行还是遭遇强暴后出现停经,都应该及时告诉父母,到医院检查,将对身体的损害降到最低程度。千万不能因为害怕或者害羞不去医院检查而出现怀孕,更有甚者因不知自己怀孕最终发展成为未婚妈妈。女生一旦不幸成为未婚妈妈就会中断学业,葬送前程。如果怀孕后未及时终止妊娠而拖延到自然分娩,又因女生不敢向父母、老师求助,自行分娩时可能因为难产而葬送生命。更有甚者因惊恐不知所措而抛婴、杀婴走上犯罪道路。因此,女生应把精力全部用在学习上。同时要时时约束自己的行为,提高警惕以防不测的发生。


    西部农村学生营养知识与饮食行为调查#br#
    史文平
    2018, 43(1):  72-73. 
    摘要 ( 112 )  
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    以甘肃省5县12所农村中小学1510名学生作为调查样本,对学生基本营养健康知识、饮食行为习惯及营养健康知识的来源途径等方面进行调查。结果显示学生营养知识缺乏,有不良饮食行为习惯。针对调查结果提出相关建议。

    正文:

    随着社会经济的发展,我国学生营养状况和健康水平有了明显改善,但在贫困的农村地区,学生膳食营养状况仍不容乐观[1]。众所周知,合理营养、平衡膳食和良好的饮食习惯对促进青少年的生长发育、维护身体健康、提高学习效率,具有重要的意义。为此,对农村学生的营养知识和饮食行为展开调查。

    1 研究对象与方法

    1.1 研究对象 研究对象为具有代表性的甘肃省5县(庆城县、环县、合水县、宁县、镇原县)农村义务教育的12所学校(初中7所,小学5所),共1510名学生。其中男生783名,女生727名,年龄7~15周岁。

    1.2 研究方法 ①文献资料法: 查阅相关文献资料,为调查分析提供理论上的依据;②问卷调查法: 依据《中国居民膳食指南》[2]的相关知识设计问卷内容,问卷在小范围预试及反复调整后设计而成。调查采用入校访谈和随机抽样方法进行,发放问卷1510份,收回1473份,其中废卷41份,有效问卷1432份,有效率为94.8%。③数据分析: 将原始数据进行预处理,应用Excel和SPSS 17.0软件进行统计分析。

    2 结果与分析

    2.1 对基本营养健康知识的知晓率 统计分析发现,被调查的1473名学生中,对膳食金字塔中谷类食物占比重最大且能为人们提供的营养素为碳水化合物的知晓率仅为25%,对营养缺乏症知晓率为28.3%,知晓每日食盐摄入量不宜超过6g的只有17.7%。有36%对中国居民膳食指南和金字塔有所了解,41.5%的学生知道人体必需的营养素为7种,对钙来源、喝牛奶好处和增加维生素D方式的知晓率依次为37.2%、51.5%和41.9%。认为肥胖是疾病的为48.7%。有近六成学生明白预防缺铁性贫血的食物,知道油炸、膨化及烧烤类不宜常吃,对油炸烹调方式致癌的认同率高达84%。超过2/3的学生认为挑食偏食有害处、有毒食品不能吃、喝生水及吃不干净的水果会致病。

    2.2 饮食行为习惯方面的调查结果 对学生饮食行为的调查主要包括主食偏好、蔬菜及水果的每日食用量、饮食荤素搭配习惯和三餐饮食规律等方面。

    统计分析发现,学生的主食摄入过于单一,食用面食的人居多,对粗粮薯类成分等接触很少。48%的学生对新鲜蔬菜水果的摄入量为200~300g,只有1.9%的学生达到膳食宝塔规定的蔬菜类300~500g、水果类200~350g的标准。在饮食结构方面,有40.1%的学生能做到和49.7%的学生有时做到荤素营养搭配,而不考虑荤素营养搭配有什么吃什么的为10.2%。在饮食规律方面,学生对三餐“早吃好、午吃饱、晚吃少”的正确认识率为76.6%,对进餐很规律和每天必须吃早餐的分别为32.3%和78.6%。

    2.3 营养健康知识的来源途径 对学生营养知识获得的途径进行调查后发现,中小学生对营养知识的认识主要依赖于教材、教师和父母,而通过报纸、杂志、网络获得营养知识的学生则不到20%,说明缺乏主动探知营养健康知识的意识和积极性。

    3 结论与建议

    3.1 结论 调查数据显示,大部分学生营养健康知识匮乏。例如,学生对营养素不了解,选择食物时以感官或习惯为主,不重视食物的营养要素和荤素搭配,膳食结构不合理;对优质蛋白质的来源,对缺钙、碘和缺乏维生素A、D等所造成的危害,对食用膳食纤维和喝牛奶的好处了解很少;不知道少食蔬菜、水果和薯类容易导致心脑血管疾病;部分学生对油炸食品、膨化食品和烧烤类食品非常喜爱,却不知三类食品都是致癌“高手”,缺少食物安全知识;少数学生没有进餐规律,对早餐重视不够。造成学生营养健康知识缺乏的主要原因是: 长期以来教师和家长过分关注孩子的学业成绩,对健康教育课不重视,学生普遍缺乏获得营养知识的途径[3]。

    3.2 建议 要改变学生的饮食行为,首要的任务是让其具备一定的营养知识。建议: ①学校要举办营养知识讲座和开设选修课等,大力普及营养知识教育。引导青少年要从小牢记“杂食为优,偏食为忌;粗食为好,淡食为利;暴食为害,慢食为宜;鲜食为妙,过食为弊”的饮食格言,培养学生的营养观念。②家长应言传身教,既要做到平衡子女的膳食,又要着力培养子女良好和文明的饮食习惯,不要因自身的不良饮食习惯而影响家庭食物的选择与制作,造成孩子偏食、挑食等毛病。③充分利用“互联网+营养健康”的智能化,开展营养师、营养配餐员等人才培养和教育培训。④政府要加大对农村义务教育学生群体营养的关心与干预,研究制定符合本地区具体情况的营养进餐模式。开展多渠道、多形式的营养健康科普宣教活动,促使农村学生健康素养进一步提高,营养状况得到显著改善。

    (基金项目:中国教育学会教育科研专项课题“实施农村义务教育学生营养改善计划效果研究”,No.16TY231304ZB)

    主要参考文献

    [1]张先莉.2013.农村义务教育学生营养改善计划实施情况调查.甘肃农业,27(1): 41~43

    [2]中国营养学会.2016.中国居民膳食指南(2016).北京: 人民卫生出版社,50~52

    [3]潘 慧,张 倩,唐振闯,等.2015.农村学生营养改善计划地区学生就餐满意度.中国学校卫生,36(5): 663~665


    对Meselson和Stahl半保留复制实验的解析
    高瑾英
    2018, 43(1):  73-74. 
    摘要 ( 898 )  
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    本文就DNA半保留复制中涉及的密度梯度离心的概念、亲代DNA类型的选择、实验过程中大肠杆菌培养的代数、DNA条带位置的测定手段和假说演绎法的利用等进行解析。

    正文:

    人教版高中生物学教材必修2中有关DNA半保留复制证据的实验是难度较大的经典实验,本文对其中的一些疑难点进行分析,希望对教师讲授此实验有所帮助。

    1 什么是密度梯度离心

    最先提出密度梯度离心概念的是Meselson。密度梯度离心就是用一定的介质在离心管内形成连续或不连续的密度梯度,再通过重力或离心力场的作用使样品分层、分离。又可分为速度区带离心和等密度梯度离心。Meselson和Stahl证明DNA半保留复制的实验利用的是等密度梯度离心。

    等密度梯度离心又称为平衡密度梯度离心,被分离的物质依靠其各自的密度不同而分离。氯化铯(CsCl)是最常用的离心介质,因为6mol/L的氯化铯溶液密度约1.7g/mL,与DNA密度最接近。在高速离心(30000~50000r/min)48~72h后,重金属盐的沉降作用与扩散作用达到动态平衡,氯化铯离心形成1.65~1.75g/mL的密度梯度。氯化铯密度梯度离心分离DNA原理是: 不同密度的DNA(14N、15N)在离心液中进入与自身密度最接近的区域,从而将微小差异的DNA很明显地区分开。

    2 为什么实验要从获得15N-DNA做起

    为什么实验要从获得15N-DNA做起,而不是直接将含14N-DNA的大肠杆菌放在15N培养基中逐代进行实验?这是因为在一定的培养基中培养大肠杆菌后,要确定提取出的DNA经密度梯度离心得到的究竟是哪种类型的DNA,必须进行比对。因此,首先要得到15N-DNA,方法是在15N培养基中将大肠杆菌培养多代后提取其DNA。然后将15N-DNA和14N-DNA进行密度梯度离心,得到它们在离心管中的位置,以作为后续实验的参照。结果表明,15N-DNA显示为一条重密度带位于离心管靠近管底的位置,而14N-DNA显示为一条轻密度带位于离心管靠近管口的位置。将含15N-DNA的大肠杆菌转入14N标记培养基中,在不同的时间取出样品,以一定手段裂解得到DNA,然后进行密度梯度离心,与前两组结果比对,即可判定得到的DNA种类。

    3 将15N标记的大肠杆菌放在14N普通培养液后为什么要显示培养两代的结果

    Watson和Crick提出了DNA半保留复制的假说后,不乏质疑。有人提出另外的假说: 即全保留复制和分散复制(也称弥散复制)。全保留复制模型认为: 在DNA复制时,DNA并不需要解链,复制后新的DNA分子单链结合在一起,亲代分子保持完整;分散复制认为: 在复制过程中亲代DNA双链被切割成小片段,分散在新合成的两个DNA分子中(图1)。

    图1 DNA分子复制模型[1]

    分析一代实验的结果: 子一代如果出现轻带和重带两个条带,则可断定是全保留复制;但如果只有中密度带,很可能是半保留复制,但也排除不了分散复制的可能,这样就无法作出判断。当只有中密度带时,再培养一代,如出现一条轻密度带,一条中密度带,则可确定为半保留复制;如无轻密度带出现,则可确定为分散复制。可见,在14N培养液中至少培养两代,才能以充足的证据证明DNA 复制的方式为半保留复制。当然,将第一代全位于中带的DNA 进行热变性和梯度离心,也能区分是半保留还是分散复制,如果仅得到中带,则是分散复制; 若一半中带、一半重带,则是半保留复制。事实上,Meselson 和Stahl 不仅做了双链DNA 的多代实验,而且也做了热变性后梯度离心的实验。

    4 Meselson和Stahl测定DNA条带位置的手段是什么

    同位素分为放射性同位素和稳定性同位素两类。15N是稳定性同位素,不具有放射性。两位科学家利用的是15N和14N质量的不同,含15N和14N的DNA可处在不同的CsCl密度位置。因此,本实验的检测手段不是放射性同位素示踪。DNA分子吸收紫外线,所以用一光源系统照射离心管,在照相底板上记录DNA带的位置[2],其黑度可表示DNA的相对含量。

    5 证明DNA半保留复制的实验是否运用了假说演绎法

    该实验确实运用了假说演说法。但是,提出假说的是Watson和Crick(1950年)。提出DNA的双螺旋结构模型后,特定的碱基配对性质让他们立刻注意到遗传物质可能的复制机制,于是大胆地预测DNA复制可能采取的是一种半保留的方式。而Meselson和Stahl则设计了以大肠杆菌为材料的密度梯度离心实验,并预测假如为半保留复制,子一代出现的密度带应全部为中带,子二代则应出现中带和轻带两种条带,实验结果果真如此。可见,半保留复制是由Watson和Crick提出问题和假说,1957年由Meselson和Stahl演绎推理并验证了该假说。

    主要参考文献

    [1]人民教育出版社课程教材研究所生物课程教材研究开发中心.2015.生物2遗传与进化(必修)普通高中课程标准实验教科书教师教学用书(第2版).北京: 人民教育出版社,82

    [2]刘祖洞,江绍慧.1985.遗传学(下).北京: 高等教育出版社,86


    对浙科版教材中知识难点“蛙坐骨神经的动作电位”的解读
    俞益赏, 申屠英辉
    2018, 43(1):  74-75. 
    摘要 ( 762 )  
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    结合示波器的原理,对浙科版高中生物学教材中蛙坐骨神经动作电位的形成进行了梳理。简要介绍了“负电波”的概念,双相动作电位中前后两相的翻转和不对称问题,区分蛙坐骨神经动作电位和单根神经纤维的动作电位。

    正文:

    1 示波器的原理

    示波器是生理学实验常用仪器,能记录可兴奋细胞受到适当刺激后产生的生物电变化。示波器的核心结构为示波管,主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。若偏转板上没有电压,则偏转板之间无电场,电子没有电场力的作用,不发生偏转;若偏转板上有电压,电子束在电场力的作用下运动方向会发生偏转。电子的偏转距离和偏转板上的电压成正比。当偏转板的电压变化时,电子射在荧光屏的不同位置而形成不同波形。图1是观察神经干复合动作电位及测定神经冲动传导速度的装置图[1]。S1S2是刺激电极,r3是接地电极,r1r1′是引导(记录)电极,通过放大器后与示波器的A、B输入端相连(如果只是观察神经干复合动作电位并不需要连接r2r2′)。现代生理学实验大多采用计算机充当或者模拟示波器。当神经干受到刺激后,r1r1′两个电极之间会出现电位差,进而使电子束发生偏转。因此,示波器显示的波形反映了r1r1′两个引导电极之间的电位变化。

    2 蛙坐骨神经动作电位

    在浙科版高中生物学教材(2016版)中,有详细的示意图来展示蛙坐骨神经动作电位的测量原理(图2)。

    图1 观察神经干复合动作电位的装置图

    所采用的方法是细胞外记录法,将引导电极安放在神经组织的表面或其附近以记录神经组织的电活动[2]。细胞外记录法通过引导电极可以得到一个双相动作电位,本质是蛙坐骨神经干复合动作电位。因此,整个实验过程记录的是一条神经(含有多条神经纤维)兴奋时细胞外电位的变化,而不是记录(只能间接反映)神经细胞兴奋时的跨膜电位变化。

    3 关于“负电波”

    教材中有关负电波的表述为:“可见刺激坐骨神经时,产生了一个负电波,它沿着神经传导,这个负电波叫做动作电位”。最早提出“负电波”概念的是杜波依斯·雷蒙德(Du Bois-Reymond)。18世纪30~40年代,马特希运用电流计发现在肌肉的损伤面和正常表面之间有电流,而且损伤面呈负电。在此基础上,雷蒙德发现当组织兴奋时,细胞的外表面产生一种负电变化,导致损伤部位和完整部位之间电位差的暂时性降低。用更灵敏的电流计进一步证实了这种负电波的存在[3]。这实际上就是后来的动作电位。

    图2 蛙坐骨神经的动作电位示意图

    (注: b、c为放置在蛙坐骨神经表面的两个引导电极,并连接到电表上。静息时,电表上没有电位差。当在a处给予刺激时,靠近a的电极b处先变为负电位,接着又恢复。然后,另一电极c处再变为负电位,接着恢复。整个过程在显示器上显示为双相动作电位)

    4 双相动作电位中前后两相的翻转和不对称问题

    根据示波器的原理,波形的正相和负相与引导电极的正负有关。在实验中,调换两个引导电极的极性,双相动作电位中前后两相就会发生翻转[4]。所以,当引导电极负极在前、正极在后(图1中r1为负,r1′为正)时,可以记录到一个先正相后负相的双相动做电位;相反,当引导电极正极在前、负极在后时,则可以记录到一个先负相后正相的双相动作电位。教师在教学中如果能对示波器作适当的介绍,有利于学生更好地理解相应的模型。

    在实验中,蛙坐骨神经干复合动作电位表现为前相的幅值要高于后相的幅值。这主要是由于神经冲动在神经纤维上的传导速率不同导致的[5]。首先,蛙坐骨神经由很多神经纤维聚集成束,而神经冲动在不同神经纤维上的传导速度是不同的。其次,如图2所示,b点靠近刺激电极,c点则距离较远。兴奋传导过程中,c点同时兴奋的神经纤维数要低于b点,从而导致后相的幅值总是低于前相的幅值。

    5 教学思考

    部分学生在学习过程中难以理解蛙坐骨神经动作电位的形成原理,甚至和单根神经纤维的动作电位相混淆,故厘清蛙坐骨神经动作电位实验的相关问题很有必要。该实验本身意义并不仅仅是为了证明生物电的存在。结合神经电生理学的科学发展史,学习了解细胞外记录法和细胞内记录法。细胞外记录法是早期的研究方法,它记录了一条神经兴奋时细胞外的电位变化。此后,出现了细胞内记录法,即将一个电极插入细胞内,记录单个细胞(一条神经纤维)在行为活动或环境影响下细胞膜电位变化的电生理学技术。其记录的电位变化如图3所示[2]。当测量电极中的一个微电极刺入轴突内部时,可以发现膜内持续处于较膜外低70mV的负电位状态。当神经受到一次短促的外加刺激时,膜内电位快速上升到+35mV的水平,约经0.5~1.0ms后再逐渐恢复到刺激前的状态。由此可见,细胞外记录法和细胞内记录法在实验材料、实验方法和实验结果上有着很大的差异。

    图3 测量单一神经纤维静息电位和动作电位的实验模式图

    (注: R表示记录仪器,S是一个电刺激器)

    主要参考文献

    杨秀平.2004.动物生理学实验.北京: 高等教育出版社,74~77

    李继硕.2002.神经科学基础.北京: 高等教育出版社,286~299

    王 玢,左明雪.2004.人体及动物生理学.北京: 高等教育出版社,14~15

    张 铭.2016.双相动作电位和单相动作电位.生物学教学,41(6): 66~68

    吴 琼.2015.蟾蜍坐骨神经干双相动作电位产生机制的探讨.实验室研究与探索,34(11): 18~21


    “DNA复制中原料消耗相关计算”的教学反思#br#
    张小春
    2018, 43(1):  76-77. 
    摘要 ( 106 )  
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    “DNA复制中原料消耗相关计算”是“DNA复制”一节中的教学难点之一。常见的教学思路是结合DNA半保留复制的原理采用不完全归纳法总结出的公式进行计算。本文介绍一种融合数学思想的等比数列求和的解题方法,并进行教学反思。

    正文:

    1 情景再现

    在一节校内公开课(高一新授课)上,在学习了DNA复制,并绘制DNA半保留复制相关的示意图(图1)的基础上,教师提出问题: 假设某DNA分子含有腺嘌呤脱氧核苷酸m个,则理论上该DNA分子复制n次和第n次复制消耗腺嘌呤脱氧核苷酸的数目分别是多少?

    图1 DNA半保留复制示意图

    (注: 实线表示15N标记的脱氧核苷酸模板链,虚线表示以14N的脱氧核苷酸为原料合成的链)

    部分学生的答案是: 根据DNA半保留复制的原理,采用不完全归纳法,该DNA分子经n次复制后共产生2n个子代DNA分子,但是有两条15N标记的脱氧核苷酸模板链没有消耗脱氧核苷酸原料,实际消耗原料的DNA分子数目是2n-1,因此复制n次实际消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸数目为(2n-1)·m。而第n次DNA复制是在第n-1次基础上进行的,因此第n次DNA复制消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸数目为[m(2n-1)-m(2n-1-1)]=2n-1·m。但大部分学生对此解法好像还不太理解。

    突然有一位学生举手要求发言,他认为DNA复制n次消耗原料的计算可以用最近数学课上刚学的等比数列的求和公式解决。解题思路是: 根据DNA半保留复制的原理,这里的公比q是2,a1=m,a2=2m,a3=4m,an=2n-1m,则复制n次消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸数目为Sn=m(1-2n)/(1-2)=(2n-1)m。

    2 思路分析

    笔者将该学生的方法整理后,过程如图2所示。

    图2 复制n次产生的DNA数和第n次复制增加的DNA分子数

    在一个等比数列中,a1为首项,q为等比数列的公比,则a2=a1·q,a3=a2·q=a1·q2,an=a1·qn-1,则Sn=a1(1-qn)/(1-q)。由图2分析可知,n次复制产生的新DNA分子数目正好构成的是一个等比数列,这里的a1=1,公比q=2,一共n项,每个DNA分子需要消耗腺嘌呤脱氧核苷酸m个,故第n次消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸数目为2n-1·m,而复制n次消耗的腺嘌呤脱氧核苷酸数目则为上述n项的求和: Sn=a1m(1-qn)/(1-q)=(1-2n)m/(1-2)=(2n-1)m。

    3 教学反思

    在第二节课上,笔者先用不完全归纳法讲了一遍,依然有一部分学生感到困难。然后在另一块黑板上用等比数列求和的方法也讲了一遍,讲解还没结束,学生已经开始发出惊叹声,有些学生甚至鼓起掌来,原来他们更容易接受的是这种等比数列求和的解法。与此同时,我郑重地表扬了该生,感谢他为大家提供了这么新颖的方法。

    课后反思: 为什么学生不容易接受那种不完全归纳的解法,却很容易接受这种等比数列求和的解法?通过和学生的交流,分析得知原因如下: ①学生对DNA复制理解不透彻。例如,图1中表示一个DNA分子的是一条线还是两条线? 每次复制过后上一代的DNA 分子是否还存在? DNA 复制消耗的原料是碱基还是脱氧核苷酸? 模板链是否需要消耗原料? ②等比数列求和的求解方法,清楚地展示了每一次DNA 复制增加的DNA 分子数目,可以直接得出第n 次DNA 复制消耗的原料数目,n 项的求和即表示在原先DNA 分子基础上增加的DNA 分子数之和,使学生很容易区分“第n 次复制”和“n 次复制”的差异。③相比较不完全归纳法而言,学生对数学课上刚学习过的等比数列求和更熟悉,运用也更自如。④教师没有把DNA 复制的相关核心知识点讲透彻是出现这种差异的根本原因。教学中的因循守旧,忽视了学生创新思维的培养。因此,在今后的教学中,不但要应用常规方法去讲透相关概念,更要引导更多的学生提出自己的新观点和新思路,注重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。


    花与植物的性别类型
    周晓君, 陈万光, 司献礼
    2018, 43(1):  77-77. 
    摘要 ( 157 )  
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    简要介绍植株上所包含的花的类型及其与植物性别的关系,包括雌雄同株、雌雄异株、无性别以及一些复杂的性别模式。

    正文:

    多姿多彩的花朵不仅装点着人们的生活,更是植物的繁殖器官,在植物传宗接代中起着重要的作用。一朵完全花由四个部分组成: 起保护作用的花萼、吸引传粉者的花冠、产生花粉的雄性器官——雄蕊、孕育种子的雌性生殖器官——雌蕊。一朵花中,同时具有雄蕊和雌蕊的叫两性花;雄蕊和雌蕊具备其一的花为单性花,其中具有雄蕊的为雄花,具有雌蕊的为雌花;也有的花雄蕊和雌蕊都不存在,称为无性花。根据成年植株上所开的花的类型,可以区分植物的性别。

    1 雌雄同株植物

    雌雄同株植物有两种表现形式: 一种是雌雄同花,即所有植株上开的都是两性花,这种雌雄同株英文称为hermaphrodite,是植物中最常见的类型,大约74%的植物属于这一类型[1],如桃花、牡丹、百合、月季等;另外一种雌雄同株植物上开的是两种单性花,即雄花和雌花同株,这种类型的植物英文称为monoecy,约有8%的植物是这种类型[1],常见的有玉米、西瓜等。

    2 雌雄异株植物

    雌花和雄花分别开在不同的植株上为雌雄异株植物,是一种雌、雄性别功能在个体水平上分离的性系统。如杨树,春天产生飞絮的是雌性杨树,雄性杨树不产生飞絮;再如构树,雌性构树球形的头状花序能发育成果实,雄性构树下垂的柔荑花序不能结实。约6%的植物属于雌雄异株类型[2]。

    3 其他性别类型

    植物由于不能移动,在进化过程中还形成其他多种复杂的性别模式以适应繁殖。①雄全同株: 即雄花两性花同株,一个植株上既有雄花,又有两性花,如无患子科植物文冠果;②雌全同株: 雌花两性花同株,一个植株上既有雌花,又有两性花,如菊科植物三脉紫菀;③雄全异株: 雄花、两性花异株;④雌全异株: 雌花、两性花异株;⑤三全同株(杂性花同株): 雄花、雌花、两性花同株,即一株植物上同时有雄花、雌花和两性花;⑥三全异株(杂性花异株): 雄花、雌花、两性花异株,种群同时由雄花、雌花和两性花植株构成。

    4 无性别植物

    有的植物花中雌、雄蕊均不发育,所有植株上均为无性花,称为无性别植物,或称为0性别状态[3]。常见的如园林绿化植物忍冬科荚蒾属的粉团荚蒾,花中雌雄蕊均缺失、只有花萼和花冠。

    日常生活中只要细心观察,很容易区分雄蕊和雌蕊。雄蕊一般由花药和细长的花丝两部分组成,雌蕊由圆形的柱头、花柱及膨大的子房三部分构成,以此来鉴别植物的性别方便可行。

    (基金项目:河南省高等学校重点科研项目资助计划,No.17A180029;洛阳师范学院校级教改立项项目,No.2016xjjg063)

    主要参考文献

    [1]张大勇.2004.植物生活史进化与繁殖生态学.北京: 科学出版社,269~270

    [2] ARYAL R, MING R. 2014. Sex determination in flowering plants: papaya as a model system. Plant Science, 217: 56~62

    [3]吉乃提汗·马木提,谭敦炎.2014.被子植物雌全同株性系统: 系统演化、性表达与进化意义.植物分类学报,38(1): 76~90


    表观遗传学对现代生物进化理论是“挑战”还是“补充”
    林 青
    2018, 43(1):  78-79. 
    摘要 ( 292 )  
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    表观遗传学是近几年来生命科学领域迅速发展的前沿学科之一,相关内容即将纳入高中生物学课程。表观遗传因素极大地丰富了遗传信息,为生物进化提供了更多的素材,是对现代生物进化理论的补充。

    正文:

    表观遗传学,是研究在基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达产生可遗传变化的一门遗传学分支学科。本文结合前沿研究进展,浅析表观遗传学与现代生物进化理论的关系。

    1 表观遗传学与拉马克进化理论

    现代生物进化理论是以达尔文的自然选择学说为核心建立起来的,但毋庸置疑的是拉马克在人类对生物进化的探索历程中也作出了巨大贡献。拉马克的进化理论主要包括两个法则: 用进废退和获得性遗传。拉马克认为,生物对环境有巨大的适应能力,经常使用的器官会逐渐发达,而不用的器官会逐渐退化,且这种在环境影响下后天获得的性状是可以遗传的。这与表观遗传学的部分观点不谋而合,都强调了后天性状的可遗传性。

    一些科学证据提示,某些特定的生活经历和行为是能够遗传的。例如,经历过大饥荒的母亲生出的孩子,后天出现代谢紊乱以及精神问题的概率会增加。通过对二战时期“荷兰大饥荒”期间出生人群中DNA甲基化的研究,揭示了荷兰饥荒可能是通过表观遗传机制影响当代和后代人的身心健康[1]。而以小鼠为模型的实验也支持了这一点,“饥饿”环境下获得的性状可以通过改变DNA甲基化遗传给后代[2]。在以果蝇为模型的研究中,当对亲代进行高糖处理后,获得性性状也能遗传给后代[3]。近年来的研究结果显示,当研究人员通过使用电击等手段使实验鼠对苯乙酮的气味产生恐惧后,这些小鼠所生后代成年后,大多都会对苯乙酮的气味非常敏感,即便是第三代小鼠也会出现这样的反应[4]。上述例子似乎都在提示获得性的性状是可以遗传的。然而,目前研究结果表明表观遗传标记无法一直维持,在遗传几代之后就会消失或改变[2,5]。上述的研究也只能局限于诱导处理后的二到三代[2~4]。也就是说,前面所谓的获得性性状可能只维持一段时间,以此来为拉马克的进化理论正名恐怕是不够充分的。

    2 表观遗传对生物进化的意义有多大

    对于表观遗传对生物进化的意义,科学界是存在争议的,主要原因之一还是在于表观遗传改变能否稳定遗传的问题。因为目前普遍认为对进化而言,可遗传的变异才是有意义的。在2015年美国国家科学院院刊PNAS发表的学术论文中,科学家在模式生物拟南芥中精确评估了表观遗传学标记出现或消失的频率[5]。研究结果显示,表观遗传突变的频率比DNA序列的突变频率要高许多,维持时间却很短。该研究对深入理解表观遗传受到的自然选择以及它在植物进化中的重要性都具有重要意义。

    早些年,人们一直争论的一个问题就是生物的某一个表型是由先天(基因)还是后天(生活环境等)因素决定的。显然,表观遗传学的发展使我们更好地认识了“基因型+环境=表型”这一命题。表型是生物发育过程中基因型与环境相互作用的产物,表观遗传因素可以使相同基因型的个体表现出差异性的表型。而在生物进化中,直接供自然选择挑选的不是基因型而是表型。这也就意味着,表观遗传因素使自然选择有了更多可挑选的对象。表观遗传的改变反映在表型上是相对迅速的,随时可以影响基因的表达乃至物种的外在性状,这对生物在高自然选择压力下适应环境是否有作用呢?科学家在对加拿大永冻土区域发现的3万年前古野牛骨骸的DNA分析中发现,这些野牛DNA甲基化的程度发生了改变[6]。末次冰期的气候变化非常剧烈,在强烈的自然选择压力下,它们需要迅速做出反应才能够生存下来。科学家推测,表观遗传上的改变对这些野牛适应多变的环境很可能起着重要的作用。表观遗传对生物进化的作用还需要更多的研究结果来评判。但已经明确的是,表观遗传作为对遗传信息的重要补充,为自然选择提供了更多的素材,这对生物进化必定是有意义和价值的。综上所述,表观遗传学对现代生物进化理论而言是“补充”而非“挑战”。

    主要参考文献

    [1]TOBI EW,GOEMAN JJ,MONAJEMI R,et al. 2014. DNAmethylation signatures link prenatal famine exposure to growth andmetabolism. Nature Communications,5( 5) : 5592

    [2]RADFORD EJ, ITO M, SHI H,et al. 2014. In uteroundernourishment perturbs the adult sperm methylome andintergenerational metabolism. Science,345( 6198) : 1255903

    [3]ST A,LEMPRADL A,CASAS E,et al. 2014. Paternal dietdefines offspring chromatin state and intergenerational obesity.Cell,159( 6) : 1352 ~ 1364

    [4]DIAS BG,RESSLER KJ. 2014. Parental olfactory experienceinfluences behavior and neural structure insubsequent generations.Nature Neuroscience,17( 1) : 89 ~ 96

    [5]GRAAF AVD,WARDENAAR R,NEUMANN AA,et al. 2015.Rate, spectrum, and evolutionary dynamics of spontaneousepimutations. PNAS,112 ( 21) : 6676 ~ 6681

    [6]LLAMAS B,HOLLAND ML,CHEN K,et al. 2012. Highresolutionanalysis of cytosine methylation in ancient DNA. PlosOne,7 ( 1) : e30226


    读者之窗
    让学生登台讲演来促进主动学习
    刘会元
    2018, 43(1):  79-79. 
    摘要 ( 100 )  
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     在生物学课堂上开头或结尾前预留几分钟,让学生登台讲演,转变师生角色。学生围绕课堂主题先自行设计讲演提纲,然后进行演讲、黑板画勾勒、模型介绍、角色扮演或戏剧表演等,是促进学生主动学习的有效方式。

    正文:

    让学生主动学习的方式有多种,其中让学生登台讲演是其中行之有效的主动学习方式。这样能拉近师生心理距离,满足学生心理需要。本文就学生登台讲演的时段、提纲、形式和内容等方面,谈谈笔者的教学体验。

    1 登台讲演时段插在课头或课尾

    因为信息重组是信息组织的深化和优化,它是把无序的信息整理为有序,进而重组激活,挖掘信息潜在价值[1]。教师可在课堂开始的5分钟或者课堂结束前的5分钟给学生登台演讲,转变师生角色,让学生有机会站在讲台上讲解他(她)所见的,或经历的或收集的生物学事件的感受、困惑、问题及体验。实践证明,留给学生登台演讲时间,他们通过自己激活信息重组(开发),通过不同的新思路,使信息建立不同的新联系,通过思维加工使信息功能放大,实现更高的教学效率。

    2 登台讲演提纲的自行设计

    按照信息组织的原理,讲演提纲实质上就是信息组织优化。它为学生提取头脑中生物学信息提供了方法和工具,并把杂乱无章的信息序列化,使信息内在的和信息之间的联系更有逻辑性和系统性。教师要求学生在登台演讲之前要列出自己的演讲提纲。其益处是学生构思讲演提纲(纲要信号)就明确了演讲思路。讲演提纲通常让学生自行设计,也可提示学生参考教师的前一节课的教学框架设计演讲提纲。如高中生物学细胞的基本结构、生态系统与生物圈、生物进化等章节,学生可通过自主学习能够理解的,教师可不讲或略讲,让口头表达能力强的学生在下一次课中来讲。例如,生态系统中食物链和食物网一节,教师的板书一般是: 生态系统的概念、生态系统的成分、消费者和营养级的划分、食物链和食物网的结构与功能。该板书就可能成为一部分学生在下节课堂上讲演提纲的重要参考。因为学生的课堂记录可以用来构建自己讲演提纲的素材,会促使学生每节课都能认真听课,记好笔记。

    3 登台讲演形式多样,内容丰富

    每一位学生的生活经验是有一定差异的。例如,有的学生曾经到溪流、池塘、河流中用蚯蚓钓过鱼;有的在家里饲养过小白兔、家鸽等小动物;有的帮助过父母亲种植稻、麦、果树、花卉植物的经历;有的学生参观过动物园、植物园等;有的领略过自然保护区、国家森林公园的风光;有的在电视、网络和课外读物等媒体上观察过动物、植物和微生物的生态环境和生活习性;有的学生感受过疾病的痛苦等。这些无形的生物课程资源都是学生学习新知识的基础,他们通过日常生活的各种渠道和自身的实践,就对客观世界中各种生命现象已经形成了自己的看法,建构了大量的朴素概念或前科学概念。当他们在新课学习之后,又有了新的认识,重新建构新的概念。课堂上留点时间让学生分组讨论、登台讲演、黑板画勾勒,介绍模型、表演戏剧等多种形式,让他们有机会与其他学生进行交流。例如,要求学生自己制作一个DNA结构模型并登台介绍;为了演示光合作用光反应的探究过程,可组织几位学生分别代表英国科学家普利斯特利、荷兰科学家英格豪斯、德国植物学家萨克斯、美国科学家鲁宾和卡门登台讲解“自己”的研究成果。类似登台活动,学生皆能勇于参加,跃跃欲试。因为学生内心充满期盼,想要展示自己的学习成果。

    学生登台活动,可以说是学生自我实现的心理需要。因为学生不再是被动的学习,是一种主动的探求。教师为学生提供平台,让学生在生生互动、师生互动中阐发自己的学习感知。

    主要参考文献

    张 帆.2005.信息组织学.北京: 科学出版社,198~206


    其他
    《生物学教学》杂志2018年征稿简则#br#    
    2018, 43(1):  80-80. 
    摘要 ( 153 )  
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    2.5  计量单位及其他专业符号  以国家颁布的标准为准(例如: mL、kg、cm等)。
    2.6  参考文献  文中若涉及重要的数据资料,应列出参考文献。参考文献采用“顺序编码制”,即在文中按出现次序于相关文句或数据资料右上角加方括号,括号内写文献顺序号,文献在文末列出。其中: ①期刊文章按“作者(3人以上用‘等’或‘et al.’).出版年.文题.刊名,卷(期): 起止页”列出;②书按“作者.出版年.书名.出版地: 出版者,起止页”列出;③论文集按“论文作者.出版年.文题.见(外文用‘In’): 编者名.文集名.出版地: 出版者,起止页”列出。例如:
    [1]戴锡玲,俞伟东,孙忠泉,等.2013.从显微镜的规范操作到良好实验习惯的培养.生物学教学,38(4): 34~35(期刊文章)
    [2]JAMES P. 2000. Origin of inclusive education. Kansas Biology Teacher, 9(2): 78~80(期刊文章)
    [3]张  治,杨振峰,王伟庆.2015.中学生命科学学实验手册(高中试验本).上海: 上海教育出版社,83~87(书)
    [4]王秋远,钟  阳,张志礼.1998.元认知与生物学科学素质培养初探.见: 马炜梁,张文华.生物学教学研究.上海: 华东师范大学出版社,35~38(论文集)
    2.7  其他  文稿内外文的大、小写和正、斜体须区分清楚;生物科学综述论文应力求科普化;课堂教学、实验教学设计类文稿应避免“实录”,且第一作者须为一线教师;文中的附图、附表等需有序号和标题,图片务必有足够的清晰度(需提交原图);因篇幅所限不能放在正文中的视频、调查问卷、教案或原创试题等材料,将择优通过本刊微信公众号发布。此外,对基金项目资助的文稿(在文末注明课题的来源、名称及编号),本刊将给予充分重视。
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