初中科学疑难研训-在科学统一性视野下提升生物学思想.ppt

在科学统一性视野下 提升生物学素养,嘉兴教育学院 何明祥,一、由社会公共事件看公众的生物学素养,课程核心目标：“提高国民的科学素养，以适应社会的要求和获得自身发展的需要”。 “目前，公众对科学的态度十分矛盾。公众期望科技新发展能够继续提高生活水准，但他们又怀疑科学，因为他们不懂科学。”斯蒂芬.霍金 相对非生命世界，生物世界显得更复杂、更神奇。而它与每个人的关系又更为密切，每个人都是其中一员。,黄金大米事件,这个社会不但仇“官”、仇“富”，而且开始仇“专家”了。 我们的公众媒体对于科普很不热心，但对一些伪科学甚至反科学的东西却喜欢推波助澜 。 黄金大米事件的真正问题在于科研的程序与伦理道德：未告知给学生食用的是“转基因水稻”；未按规定向国内相关机构申报。 但“无害”何需隐瞒？ “转基因”这个高科技名词已然成了过街老鼠。,北大教授饶毅称转基因若在中国死掉将成笑话 。 2012年10月末，有感于公众人物郎咸平公然称广西大学生精子数下降是因为转基因所致的说法，北大生命科学学院教授饶毅发文抨击，把此言行与清末“扒铁路”的愚行相提并论，以反讽郎咸平在反对转基因上的“偏执”。 饶毅认为由不懂分子生物学的外行不断挑起的转基因论战，经常陷入极端化的情绪表达，并让阴谋论、谣言论等盛嚣尘上，这导致无法进行理性讨论。,许多担心吃了转基因食品会改变自己身体的基因,10年诺贝尔生理学或医学奖“试管婴儿”,到1978年7月25日首个“试管婴儿”诞生，爱德华兹研究了二十多年。但是英国政府一直不愿提供资助，幸好有几个美国私人基金会提供了经费。 当时这个研究项目称得上最有争议的研究项目，从一开始就备受指责。不仅政府官员、民意代表反对，神学家、伦理学家反对，甚至连某些医生、生物学家都反对。 但是这些批评难以抵挡不育夫妇因为此项技术得以享有为人父母的幸福。长期的追踪研究也证明当初对该技术安全性的担忧是多余的，“试管婴儿”与其他婴儿一样健康。现在体外授精成了治疗不育症的常规技术，世界各地已诞生了400万名“试管婴儿”，反对的声音逐渐平息。,干细胞的研究,生物医学界基本上都支持这方面的研究，反对的阻力主要来自神学界、伦理学界和政界。胚胎干细胞是从早期胚胎分离出来的，然后胚胎会被销毁。反对者因此认为这是在“杀婴”。 初步的研究表明，干细胞的确能分化成几乎所有组成人体的各种细胞，有望用它来修复那些被疾病和创伤所破坏的各种各样的细胞和组织。所以生物及医学家们普遍认为胚胎干细胞的研究前景无限。 但是象人工流产一样，干细胞研究在美国成了一个“全国辩论和饭桌上讨论的主题”。辩论的中心是：胚胎是否算人？从什么时候开始算人？,人造生命,一个很有意思的对照是：转基因技术与干细胞研究在欧洲和美国的不同境遇。 一项与生命有关的新技术难免会产生争议，而且技术越是尖端，越是难以被外行理解，产生的争议就可能越大，限制也会越厉害。 所以在新版课程标准第二部分课程目标中增加了“了解有关正确运用科学技术的伦理问题”，显得与时俱进。,二、由学业评价结果看学生的生物学素养,11年第27题：植物的光合作用和呼吸作用强度可以用单位时间内吸收或释放二氧化碳的量来表示。如图表示某植物在恒温30时，处于不同光照强度下在单位时间内对二氧化碳的吸收或释放量。 （2）环境温度对植物的光合作用和呼吸作用都会产生影响，原因是温度会影响活细胞中的 。,预测0.65，实测0.30 这个问题如果放在生物学的视野下，真的是非常基础、简单的试题，对这个问题的难度评价，教师的专业不同看法完全不同。 生物体内各种复杂的生命活动都是以在各种酶的催化下进行的复杂的化学反应为基础的，这是生物学的基本原理之一。 新课标将生物部分的主题2生物的新陈代谢改为生物体内的物质与能量变化。这其实也说明生物科学与物质科学的统一性。,12年第30题：学习了种子萌发的条件后，小明突然想到了一个问题：吃西瓜时为什么没看到过有萌发的种子，而扔在地上的西瓜种子却会很快萌发呢？于是小明与学习小组的同学一起进行了分析，大家首先根据书本知识，提出了以下假设： 假设一：种子在西瓜内缺乏萌发所需的温度； 假设二：种子在西瓜内缺乏萌发所需的水分； 假设三：种子在西瓜内缺乏萌发所需的空气。 经过理性的思考和讨论，大家认为上述假设中有两个难以成立。你认为假设 不成立（写出一个即可），理由是 。,通过查阅相关资料，他们发现许多植物的种子成熟后都有休眠现象，即种子在适宜的条件下仍不能萌发，这是植物重要的适应特性之一。而导致种子休眠的原因很多，西瓜内种子不能萌发是由于果实中存在抑制物质。- 本题起点很高，但落点很轻，设置问题时可谓轻拿轻放。 题目背后更加上位的原理是自然选择的结果即进化与适应，包括形态、结构和功能，进化的唯一目标适应环境，使种群更好、更多地延续下去。 任何生物都无法摆脱自然选择的魔手，这是生物学的又一基本原理。,13年第2题裸藻是一类兼具动物和植物特点的单细胞生物，之所以把它称为“裸藻”，原因是与其它的藻类细胞相比，它的细胞没有 A细胞壁 B细胞膜 C细胞质 D细胞核,如何真正实现课程目标（二）科学知识与技能中的1. 逐步加深对下列自然科学中统一的概念与原理的理解：物质、运动与相互作用，能量，信息，系统、结构与功能，演化，平衡，守恒。 你的头脑中这些概念和原理在理、化、生、地各知识体系间是否得到了统一，在教学中你有否不断地去让学生理解和感悟这些统一的概念和原理的意识？ 科学这门课程的最大特色在于体现自然是统一的，如果这一条目标没有达到，科学综合课程有何价值？ 基本的物质、能量、信息原理是一致，特殊性恐怕只是在于其存在尺度不同或复杂程度不同。,左半部分是计算机的回路，右半部分是大脑的神经细胞神经元回路示意图。,三、思想方法上提高对生物学的认识,要领会结构与功能统一、生物与环境统一、生命的演化、人与自然和谐发展等观念与原理。明确生命系统在本质上是一个复杂的开放的物质系统，遵循物质世界的一般规律。 但要认识到生命有它的复杂性和多样性。 然更要明确生物是物，是物必然有理，这理就是物质世界的基本原理和规律。 生命科学课程内容在课标中的变化：主题2生物的新陈代谢改成了生物体内物质和能量的转换。,1生命是什么？,非生物,生物,自我维持：一是生物能够根据基因信息留下自己的后代（自我复制和进化），二是能够吸收营养物质维持自身的活动（代谢）。,从20世纪50年代到80年代，生物学家和哲学家几乎大都避而不谈这个问题。生物学家往往感到这个问题太“哲学”，因而把它当作是一个哲学问题，而不是一个科学问题。而哲学家们可能感到这个问题“太科学”，因此把它主要当作一个科学问题 ，而不是一个哲学问题。 人们之所以很少谈论生命的本质或定义问题，一个重要的原因是这个问题太难回答。之所以难以定义生命，主要有以下几个原因：,首先，我们每个人都有着关于生命的常识经验，而定义生命往往要包含所有的生命现象，其中包括大量常人不熟悉的生命和处于极限状态下的生命。这样定义出的生命概念可能和常识观念相差甚远，甚至完全相反。 其次，不同学科的人在定义生命时，往往从本学科出发，把生命的某一方面加以强调，把某一方面作为生命的本质。 不同学科的视角的不同也使人们感到生命难有统一的概念。 第三，生命现象与非生命现象存在着连续性，它们之间并没有一条截然分明的界限。,生命的七大特征：1.严整的结构 2.新陈代谢 3.生长发育 4.应激性 5.遗传变异 6.繁殖 7.适应并影响环境 但都有一定的局限性,2动物、植物及生物分类,直观的区别很明显：能不能动。 理性的区别似乎也是明确的：营养方式，自养的是植物，异样的是动物。 但都不是绝对的。,在生物学中，通常给出的定义或判断总会留有一定的余地。这就是生物的复杂性和多样化的表现。 生物的分类是随着人们对生物的认识而不断发展的。 两界分类系统 ：植物界和动物界。 三界分类系统：19世纪60年代，另立一个由低等生物所组成的第三界，取名为原生生物界，包括细菌、藻类和原生动物。,四界分类系统 ：1959年魏泰克提出了另立1个真菌界 。 五界分类系统：增加原核生物界 。五界系统按复杂性增加的三个层次排列生命：原核的单细胞（原核生物界）；真核的单细胞（原生生物界）；真核的多细胞（植物界、真菌界和动物界）。,六界分类系统：加上没有细胞的病毒。 地球上已经发现的生物约有200万种，而实际存在的估计在1000万种以上。这么多的生物不加分类根本就无从研究，而要使每一种生物都有一个专有的分类位置，就需要多达七级的分类系统：界、门、纲、目、科、属、种。,三、生物多样性,1.遗传多样性：同一物种的族群间或个体间遗传性状多样化的程度。遗传多样性愈高 ，愈能适应环境变化，生存机会愈大。 2.物种多样性：不同物种对环境的需求因外形、生长方式、生殖方式等而异。物种多样性越大，物种间的交互作用愈复杂，生态系就愈容易維持平衡。 3.生态系统多样性：一个地区可提供生物栖息的环境变异状况。栖息地类型愈多样，生态系统多样性愈高。,遗传多样性,遗传多样性,最大的狗大丹 最小的狗吉娃娃,物种多样性,生态系统多样性,生物多样性的危机,栖息地破坏 资源过度利用 单一种栽培 污染,栖息地破坏,道路造成栖息地分割,资源过度利用,资源过度利用,一只小狐狸说：我有件美丽的衣裳，我一辈子只有这么一件衣裳，是妈妈生我的时候送我的，而你们人的衣橱已满。我的衣裳是我的毛皮，失去毛皮我只有血肉一团。你的衣服可以一天三换，我衣服脱下，就命丧九泉,单一种栽培,野生种稻,栽培种稻,遗传多样性降低,污染,4细胞,细胞正如其名称中的“细”所暗示的，都非常微小 。 在这大小不足1/100毫米的细胞内，却蕴藏着各种复杂得令人难以置信的生命奥秘。一个细胞，无论其结构还是功能，再先进的电脑都无法比拟。 一切生命都可以归结为细胞所进行的化学反应的整合结果，一个细胞的大小不过1/100毫米左右，然而却是一个庞大的化学系统，正是这一个个细胞在开动着它们的化学系统，才会有不息的生命活动。,细胞具有多样性,细胞具有不同的形态结构是因为生物体内的细胞所处的位置不同，功能不同，是细胞分化的结果。 红细胞呈两面凹的圆饼状，这有利于与氧气充分接触，起到运输氧气的作用。 洋葱表皮细胞呈长方体形状，排列紧密，有利于起到保护作用。,真核细胞,原核细胞,细胞学说的要点： 细胞是一个有机体。一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成。 细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。 新细胞可以从老细胞中产生。 细胞学说提示了细胞的统一性和生物体结构的统一性，使人们认识到各种生物之间存在共同的结构基础。,细胞的膜结构,间期,前期,中期,后期,末期,5遗传与变异,1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开 。之后分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明。 由此也更明确了生命尽管复杂多样且充满了奥秘，但其背后都是由物质所决定的。,基因表达,转录,翻译,人体细胞的染色体组型,6物质与能量的转化,人类多亏有了光合作用才能得以生存。光合作用是地球上最伟大的化学反应，每年地球上通过光合作用合成的有机物约为2200亿吨，相当于人类每年所需能耗的10倍。 人类面临的粮食、能源、资源和生态等问题都和光合作用密切相关。长期以来，光合作用机制的研究一直是自然科学的前沿，更是生命科学研究的核心和焦点之一。,細胞呼吸,(有氧呼吸) C6H12O6+6O2丙酮酸6CO2+6H2O+36ATP （无氧呼吸） 乳酸发酵 酒精发酵 丙酮酸 丙酮酸 乳酸 乙醛+CO2 乙醇,呼吸作用同样神奇，性质如此稳定的有机物在常温、常压以及微米尺度的细胞的线粒体内氧化分解，且分解时能量的转化效率达40%左右，而现在最先进的内燃机的转化效率还只有25%左右,生物体不能直接利用来自营养物质中的能量，而是以ATP（三磷酸腺苷）分子为能量之源，线粒体是细胞内产生ATP的主要细胞器,即把有机物中的稳定化学能转化为ATP中活跃的化学也能，过程及其复杂，但其机制犹如水力发电，这就是1981年化学家保罗博耶提出的“ATP合酶旋转生成ATP”的旋转理论，由此获得诺贝尔化学奖。,7.生命的起源和演化,生命从哪里来？有史以来，这个问题一直困扰着人类。揭示生命起源之谜是当今自然科学永恒的前沿课题之一。 数百年来科学家都在试图判断，生命体有没有可能从无机物中自发产生。 到了19世纪，巴斯德似乎终于提供了明确的答案：不可能。,但米勒对巴斯德关于“自然发生”不可能的明确判断表示怀疑：巴斯德如果不是等待4天，而是等上数十亿年，就如当初地球等待生命的起源那样，结果会怎样呢？如果不是在现代氮气、氧气共同存在的条件下，而是在原始大气的情况又会怎样呢？ 米勒的实验没有创造生物体，但是他的这一实验似乎正朝着这个方向迈进，这就是生命起源的化学进化。 化学进化说就是：生命起源于非生命物质，由无机小分子合成有机小分子，有机小分子到有机大分子，有机大分子到多分子体系，最后出现原始界膜。,自然界