全國慶

摘要：結(jié)構(gòu)與功能觀是生命觀念的重要組成部分，人教版高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》對(duì)分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀進(jìn)行了進(jìn)一步挖掘和滲透。本文概括了其重要的教學(xué)價(jià)值，并以幾種主要分子為例進(jìn)行了深入解析，促進(jìn)學(xué)生形成系統(tǒng)的、全面的結(jié)構(gòu)與功能觀，并應(yīng)用這一觀念分析和解決生活、生產(chǎn)中的一些生物學(xué)問題，達(dá)到知識(shí)的理解、遷移與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：分子水平? 結(jié)構(gòu)與功能觀? 核心素養(yǎng)

生命觀念是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的支柱和基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)與功能觀又是生命觀念的重要組成部分。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）中對(duì)結(jié)構(gòu)與功能觀的解讀為“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”或“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”，即一定的結(jié)構(gòu)必然有與之相對(duì)應(yīng)的功能存在，且任何功能都需要一定的結(jié)構(gòu)來完成。

人教版教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》（以下簡稱新教材必修1）對(duì)結(jié)構(gòu)與功能觀的培養(yǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)布局，尤其在分子水平對(duì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系進(jìn)行了挖掘和延展，增加了許多內(nèi)容，這是與實(shí)驗(yàn)版教材的重大變化，對(duì)我們緊扣核心素養(yǎng)、優(yōu)化教學(xué)效果具有重要意義。

一、分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀的教學(xué)價(jià)值

（一）是學(xué)生形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能觀的基礎(chǔ)

在高中生物學(xué)中，對(duì)結(jié)構(gòu)與功能觀要多層次、多維度認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生形成相互聯(lián)系的、動(dòng)態(tài)變化的、作用與反作用的結(jié)構(gòu)與功能觀，才是生物學(xué)的結(jié)構(gòu)與功能觀。分子是構(gòu)成生命系統(tǒng)的基本微粒，分子的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)不僅決定了分子本身的功能，而且影響其他層次的結(jié)構(gòu)與功能，學(xué)生只有深刻理解了分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀，才能真正理解亞細(xì)胞、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體等各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)與功能觀，這正是我們在以往的教學(xué)中忽視的問題。因此，理解并領(lǐng)悟分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀是學(xué)生建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能觀的基礎(chǔ)。

（二）是促進(jìn)學(xué)生概念進(jìn)階、素養(yǎng)提升的基礎(chǔ)

扎實(shí)推進(jìn)大概念教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。大概念的形成、拓展和深化都是從學(xué)生掌握全面的結(jié)構(gòu)與功能觀開始的，所有生命過程都有其分子基礎(chǔ)，尤其是一些微觀層面的大概念的形成和進(jìn)階，都是以學(xué)生掌握分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀為前提。新教材必修1中科學(xué)家訪談——施一公，他就是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，他說：“結(jié)構(gòu)決定功能，這是所有物質(zhì)科學(xué)的基本共識(shí)?！睆哪撤N意義上來說，所有物質(zhì)科學(xué)研究的目標(biāo)都是理解結(jié)構(gòu)，從而詮釋功能和機(jī)理、找尋規(guī)律。分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀與我們的生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密相連，在教學(xué)中以分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀設(shè)計(jì)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考、探究、分析社會(huì)發(fā)展和生產(chǎn)生活方面存在的問題。因此，理解并領(lǐng)悟分子水平的結(jié)構(gòu)與功能觀是學(xué)生大概念形成和進(jìn)階、學(xué)科核心素養(yǎng)不斷提升的基礎(chǔ)。

二、結(jié)構(gòu)與功能觀在分子水平的例析

（一）水分子中的結(jié)構(gòu)和功能觀

新教材必修1增加了水的結(jié)構(gòu)和特性這一部分內(nèi)容，其目的是引導(dǎo)學(xué)生從水分子的結(jié)構(gòu)出發(fā)，理解水的功能。水分子自身的結(jié)構(gòu)及特性決定了其具有溶解性。水分子的空間結(jié)構(gòu)及電子的不對(duì)稱分布，使得水分子成為一種極性分子。帶電荷的分子（或離子）都容易與水結(jié)合，水的這種特性使很多的物質(zhì)都能溶解其中，這對(duì)生物體的生命活動(dòng)非常重要，如葡萄糖和無機(jī)鹽都需要溶解在水中才能被吸收或利用。

水分子之間的作用力特點(diǎn)決定了其具有流動(dòng)性。相鄰水分子之間弱的吸引力可以形成氫鍵，由于氫鍵相對(duì)較弱，易被破壞，且只能維持極短的時(shí)間，水分子才有了移動(dòng)的機(jī)會(huì)，且不斷地重新形成，使得水在常溫下能夠維持液體狀態(tài)，具有流動(dòng)性。水的這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它在生物體內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸過程中發(fā)揮重要作用。水的流動(dòng)性還非常有益于生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行。由于氫鍵的存在，水具有較高的比熱容，使水的溫度具有相對(duì)穩(wěn)定性，這對(duì)于維持生命系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分重要。

引導(dǎo)學(xué)生從水的結(jié)構(gòu)出發(fā)理解水的功能，同時(shí)認(rèn)識(shí)到功能的實(shí)現(xiàn)離不開結(jié)構(gòu)的支持，這有助于學(xué)生初步形成辯證的結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀念。新教材應(yīng)用化學(xué)、物理學(xué)科知識(shí)闡釋水的結(jié)構(gòu)與特性，體現(xiàn)了跨學(xué)科教育的思想，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)非常重要。水的結(jié)構(gòu)與功能充分詮釋了沒有水就沒有生命的道理，以此教育學(xué)生節(jié)約用水，培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念和社會(huì)責(zé)任。

（二）脂肪分子和磷脂分子中的結(jié)構(gòu)和功能觀

新教材必修1不僅給出了脂肪的概念，還展示出一種脂肪分子的結(jié)構(gòu)圖，這樣有利于學(xué)生理解脂肪的構(gòu)成，進(jìn)而理解其功能，加深對(duì)結(jié)構(gòu)與功能觀的印象。脂肪分子的元素組成及其含量決定了其是良好的儲(chǔ)能物質(zhì)。脂肪和糖類相比，脂肪中氫含量高、氧含量低，所以同等質(zhì)量的脂肪和糖類氧化分解，脂肪釋放的能量更多，這充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能的相統(tǒng)一。例如，駱駝的駝峰中貯存了大量的脂肪，可以在沒有食物的情況下生存大約一個(gè)月之久。

動(dòng)物脂肪在常溫下的存在狀態(tài)賦予其保溫、保護(hù)的功能。大多數(shù)動(dòng)物脂肪含有飽和脂肪酸，其結(jié)構(gòu)整齊，呈直鏈狀，分子間距比較密集，熔點(diǎn)較高，容易凝固，是一種很好的絕熱體，可以起到保溫作用。嚴(yán)寒地區(qū)或進(jìn)行冬眠的動(dòng)物如海豹、鯨、企鵝、熊等的皮下都有厚厚的脂肪層，用作儲(chǔ)能物質(zhì)。動(dòng)物脂肪在常溫下的凝固態(tài)使其具有緩沖和減壓的作用，使動(dòng)物在參與劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)可以減少傷害。大多數(shù)植物脂肪含有不飽和脂肪酸，由于其氫原子數(shù)目沒有達(dá)到飽和，容易被氧化，所以其具有清理血栓和調(diào)節(jié)血脂的功能，對(duì)人體健康有益。

磷脂是一種非常重要的脂類，新教材必修1明確指出了磷脂和脂肪的結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，這對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生理解磷脂的功能非常必要。其一端為親水的“頭”部，另一端為疏水的“尾”部，因此，磷脂分子在充滿水的細(xì)胞環(huán)境中就形成了親水端朝外，疏水端朝內(nèi)的雙分子層，這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其是構(gòu)成生物膜基本支架、協(xié)助完成生物膜功能的最適合物質(zhì)。根據(jù)相似相溶原理和大量實(shí)驗(yàn)證明，磷脂參與構(gòu)成的生物膜具有屏障作用，使細(xì)胞或細(xì)胞器內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。磷脂分子能夠側(cè)向自由流動(dòng)，分子間形成空隙，膜中的蛋白質(zhì)也能運(yùn)動(dòng)，這樣使膜具有流動(dòng)性。膜的流動(dòng)性是生物膜能夠進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這對(duì)于細(xì)胞完成物質(zhì)運(yùn)輸、生長、分裂、運(yùn)動(dòng)等功能都是非常重要的。

我們以脂肪的結(jié)構(gòu)與功能為基礎(chǔ)，逐步演繹推理磷脂和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，促進(jìn)學(xué)生完整全面的結(jié)構(gòu)與功能觀的形成和大概念的進(jìn)階深化，培養(yǎng)了科學(xué)探究的意識(shí)和科學(xué)思維的能力。

（三）蛋白質(zhì)分子中的結(jié)構(gòu)和功能觀

從化學(xué)的角度分析，蛋白質(zhì)是目前已知的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最多樣的生物大分子。雖然組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有21種，但氨基酸構(gòu)成蛋白質(zhì)時(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，這樣就決定了蛋白質(zhì)的功能極其多樣。蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是其承擔(dān)重要功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。下面以新教材增加的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和蛋白質(zhì)變性為例闡釋結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。

轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包括載體蛋白和通道蛋白兩類，其功能是協(xié)助物質(zhì)跨膜運(yùn)輸。載體蛋白只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過，而且每次轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)都會(huì)發(fā)生自身構(gòu)象的改變，使其結(jié)構(gòu)具有特異性，一種載體蛋白只能轉(zhuǎn)運(yùn)一種類型的物質(zhì)，這對(duì)跨膜運(yùn)輸?shù)木珳?zhǔn)實(shí)施具有決定性的作用。通道蛋白的活性由通道開或關(guān)兩種構(gòu)象所調(diào)節(jié)，只容許與自身通道的直徑和性狀相匹配的分子或離子通過，具有離子選擇性，經(jīng)通道蛋白運(yùn)輸?shù)姆绞蕉际菂f(xié)助擴(kuò)散，這是新教材新添加的內(nèi)容，凸顯了對(duì)結(jié)構(gòu)和功能觀的高度重視和著力培養(yǎng)。

新教材必修1增加了對(duì)蛋白質(zhì)變性機(jī)理的闡釋，從逆向思維的角度加深了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)與功能觀的理解。正常情況下，蛋白質(zhì)通過肽鏈盤曲、折疊和次級(jí)鍵的連接等方式形成復(fù)雜、穩(wěn)定、有序的空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)受到能使其變性的理化因素影響時(shí)，雖然其化學(xué)組成沒有改變，但空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻改變，導(dǎo)致變性后的蛋白質(zhì)的很多理化性質(zhì)和生理功能發(fā)生改變，如溶解度降低、酶失去催化能力等。蛋白質(zhì)的變性現(xiàn)象充分說明了物質(zhì)結(jié)構(gòu)（包括化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)）的改變影響其功能和特性的變化，從反面進(jìn)一步闡釋了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

（四）核酸分子中的結(jié)構(gòu)和功能觀

新教材必修1的文字和配圖都明確指出核酸是由核苷酸連接而成的長鏈，意指RNA在結(jié)構(gòu)上與DNA具有一致性，都是由核苷酸以磷酸二酯鍵連接而成的。通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)DNA和RNA化學(xué)組成及其連接方式的層層分解，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到DNA和RNA的結(jié)構(gòu)本質(zhì)是核苷酸的排列順序，順序也屬于結(jié)構(gòu)，其中包含大量的信息，進(jìn)而理解并感悟出遺傳信息的本質(zhì)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)細(xì)胞分裂、遺傳規(guī)律、基因工程等奠定基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀念貫穿遺傳學(xué)的始終，核酸的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一是基礎(chǔ)，核酸的特異結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)大的功能密不可分，這是生物學(xué)結(jié)構(gòu)與功能觀的最好詮釋，是培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)與功能觀的最好素材。核酸的結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一在科學(xué)實(shí)踐和衛(wèi)生健康領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。DNA指紋技術(shù)在如親子鑒定、案件偵破、物種分類鑒定、防拐賣兒童等方面都發(fā)揮著巨大的作用。部分病毒的遺傳信息儲(chǔ)存在RNA中，如新型冠狀病毒，現(xiàn)在應(yīng)用核酸的特異性，通過采集人的咽拭子就可以快速檢測有沒有感染冠狀病毒，這對(duì)疫情防控非常重要。

總之，縱觀人教版新教材與實(shí)驗(yàn)版教材的變化，結(jié)構(gòu)與功能觀的強(qiáng)化與拓展是最顯著的特征之一，而分子水平對(duì)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能觀的塑造和培養(yǎng)至關(guān)重要。我們通過對(duì)新教材的深刻理解、精心教學(xué)，讓學(xué)生明白細(xì)胞是由各種各樣的分子組成的，每種分子在細(xì)胞中都有自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和重要的功能，他們共同組成細(xì)胞這個(gè)基本的生命系統(tǒng)，乃至更高層次的生命系統(tǒng);讓學(xué)生理解每個(gè)層次生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能都是相互統(tǒng)一、相互適應(yīng)的，這是生物與環(huán)境長期相互作用的結(jié)果，是生物進(jìn)化的產(chǎn)物，從而逐步形成科學(xué)、全面、完整的結(jié)構(gòu)與功能觀，生物學(xué)科的核心素養(yǎng)也在此過程中得到充分培養(yǎng)和提高。

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