高中生物教学论文 高中生物学新课程知识释疑——“稳态与环境”模块(pdf).pdf

2 8 生物学通报 2 01 0年 第 4 5卷 第 1 期 高中生物学新课程知识释疑 稳态与环境 模块 郑春 和 北 京市 第四 中 学 北京 1 0 0 0 3 4 中 国 图书分 类 号 G 6 3 3 9 1 文 献标 识 码 C 普 通 高 中生 物 学 新课 标 在 稳 态 与 环境 模 块 1 激素 的分 级 调节 和 反 馈 抑 制 选取 的学习内容 既有生物个体水平的调节与稳 激素的分级调节是指从 中枢神经 系统发出的 态 的知识 又 有 生物 群 体 水平 的调 节 与稳 态 的知 信 号 通 过 下 丘 脑 一 垂 体 一 其他 内分 泌腺 组 成 的 内 识 内稳态与调节的内容比较抽象 生态学知识强 分泌主轴 以激素信号形式传递 至靶细胞并发挥 调 联 系实 际 的应 用 教学 中教 师 产 生 的 疑难 问题 调 节作 用 高 中 生物 学 涉及 到 的激 素 信 号 调节 的 较多 仅就下面的几个单元知识点为教师提供些 具体 内容 图解如下 微 的备 课 参考 资 料 来自 环 境的 信 号 刺 激 l 神 经 冲 动 中 枢 神 经系 统一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 信 号 的 神 经 内 分 g g 前 体 一 级 靶日 标 二 级 靶目 标 e e 级 靶月 标 促 激 素 生 皮 质 醇 雌 二 醇 甲 状 醛 同 酮 睾 酮 等 腺 素 一 L 一 I 很多 I 生殖l l 肝 I 神 经 冲 动 抗 利 激 素 图 1 激 素 的 分 级 调 节 的 图 解 这 个 图解 选 自美 国学 者 D L 纳 尔 逊 和 M M 柯克斯 编著的 生物化学原理 第 3版 它概括 了激素调节信号在传递系统中的指令传递链 略 修 改 其 中包括通过 内分泌主轴 实现的激素调 节 激素的分级调节是人和高等动物激素调节 的 基 本特 征 激 素调 节 的 其他 特 征 均 与其 相 关联 激 素调节 的主要特征有 1 下丘脑是 内分 泌的调控 中心 接 受并协调 中枢神经系统传递的信息 下丘脑分泌的释放因 子通过血液传递到垂体前叶 下丘脑某些神经分 泌 细 胞 产生 短 肽 激 素沿 轴 突 到位 于 垂 体 后 叶 的神 经 末 梢 贮 存 在分 泌 颗 粒 中 对 神经 信 号 产 生 应答 胰 岛 索 肾 上 高 糖 索腺 素 网 时 再释 放 到 血 液 中 此 外 下丘 脑 通 过 自主 性神 经 传递神经信号到胰 岛 2 垂体是重要 的内分泌腺 作 为一级靶 目标 接受释放因子传递的信号 分泌的生长激素等直 接调节终级靶 目标 分泌 的 4种促激素 促卯泡刺 激 素 和 黄体 生 成 素合 称 促 性 腺 激 素 则 管 理 某 些 内分 泌腺 二 级靶 目标 的功 能 活 动 3 由下丘脑一 腺垂体一 其他 内分泌腺组成的传 递链 将来源于中枢神经系统的信号传递至靶器官 或靶细胞 激素信号在靶细胞内部的转导过程和机 制 比较 复 杂 例 如 肾上 腺 素 和胰 高 血糖 素等 通 过 c AMP作 用 于 机 体 组 织 的快 速 反 应 仅 需 要 几 秒 2 0 1 0 年 第 4 5卷 第 1 期 生物学通报 2 9 钟 甲状腺激素和类 固醇类激素通过诱导酶合成调 控 代谢 反 应 则 需 要 几 小 时 或 几 天 促 甲 状 腺 激 素 释 放 因子 通 过 磷 酸 肌 醇 酶 起 作 用 胰 岛素 的作 用 主要 是 通 过 激 活 酪 氨 酸 酶 的 活性 完成 的 4 由于 内 分 泌 腺 产 生 和 释 放 的 激 素 是 通 过 体 液 主要 是血液 运输 至全身 的 作用 于具有激 素受体 的细胞 其调节范围广泛 蒯节过程 的持续 时 间较 长 调 节 作 用 比较 持 久 5 机体 的 某项 代 谢 活 动 常 常 受 多 种 激 素 的共 同 调节 各 种 激 素 之 间 的 关 系 复 杂 有 些 激 素之 间 如 胰 高 血 糖 素 肾 上 腺 素 和皮 质 醇 表 现 有 协 同 关系 有些激素之 间 t 如胰 岛素和胰高 血糖素 表 现有 拈 抗 关 系 通 过 内 分 泌 主 轴 实 现 的 激 素 调 节 每 一 级 的 调 节 信 号物 质 都 具 有 放 大 初 始 信 号 的效 应 使 一 个 微 弱 的信 号 可 能 引 起 一 个 较 强 的应 答 每 一 级 的 调节 信 号 物 质 达 到 一 定 临 界 水 平 时 都 可 能 产 生 对上 一 级 的反 馈 抑 制 激 素 调 节 的这 种 级 联 反 应和负反馈作用 是激素调节的重要特征 例如 由下丘脑 一 垂体一肾上腺皮 质组 成 的激 素信 号传 递轴 对 骨 骼 肌 肝脏 和脂 肪 细胞 代 谢 起 着 调 节 作 用 其 中 作 用 于 下 丘 脑 的 初 始 神 经 信 号 引 起 p g 级促 肾上 腺 皮 质 激 素 释 放 因 子 的 释 放 进 而 导 致 腺垂体分泌 n g级促肾上腺皮质激素 后者 引起 肾 上 腺 皮 质 释 放 g的皮 质 醇 皮 质 醇 通 过 受 体 对 相应 的靶细胞发挥调节效应 激素调节信号在靶 细胞 内部 的 转 导 过 程 也具 有 级联 反应 例 如 肾上 腺 素 促 使 肝 糖 元 分 解 而 升 高 血 糖 就 是 通 过 c A M P进行信号传 递 和依 次级联放 大 最终 产生 极高 的调节效应 胰岛素的作用与肾上腺 素相反 它使靶细胞 内的 c A MP浓度降低 抑制肝 糖元降 解 而 促 进 肝 糖 元 合 成 从 而 降低 血 糖 浓 度 在 一个 系 统 中 系 统 的输 出信 号可 以作 为 系统 的输 入 信 号 对 系统 进 行 的调 节 方式 叫 做 反 馈 调 节 例 如 从 下 丘 脑到 靶 腺激 素 的信 号 传递 链 中 生 成量 达 到一 定水 平 的 每种 激 素 都 能 对前 面激 素 的 释放产生抑制作用 这就是激素的负反馈调节 负 反馈环有 3种 达到适 当浓度的某种激素对其 内分 泌腺 产 生 的反馈 抑 制 为超 短 反 馈 某 种激 素 对 上 一 级 内分 泌腺 产 生 的反馈 抑 制 为 短 反馈 越 过 上 一 级 而 对 内分 泌 调 控 中枢 下 丘 脑 产 生 的反 馈 抑 制 为 长反馈 激素的反馈调节对维持 内环境理化性质的 相 对 稳定 性 具 有 十分 重要 的意 义 神经 冲动 图 2激 素 的 反 馈 调 节 的 图 解 2恒 温 动 物 的 产 热 类 型 及 体 温 调 节 体温是机体 的体热容量 哺乳动物 和鸟类 的 体 温 不 受 环 境 温 度 的影 响 能够 维 持 在 一个 高 而 波 动 小 的 范 围 内 称 为 恒 温 动 物 恒 温 动 物 的 体热 容量 来 源 于 细 胞 分解 代 谢 释放 的 能量 体 温 的相 对 稳 定 是 机 体 通 过 调 节 机 制使 产 热 量 和 散 热 量维 持动态平衡的结果 哺乳 动物 的产热 除食 物的热 效 应 外 大致 有 4种 类 型 产热 类型 热 能来 源 主要调 节方式 机体 所有 器官 的基础 代 基础 代谢产 热 甲状 腺素 参与 调节 谢 活 动 活动性 产热 骨骼 肌随意 性运 动生 热 中枢 神经 系统支 配 冷 诱 导下脂 肪酸 氧化 的 非 颤抖 性产热 交感 神经 和 肾 上腺素 等 调 节 生 热 骨骼肌 不随 意性 收缩 的 颤 抖 性 产 热 肾 上 腺 素 附加 生热 1 基础代谢生热 人和恒温动物体在热中性区 温度 下 处 于空 腹 清醒 安 静 的状态 称 为基 础状 态 此时 维持心跳 呼吸等基本生命 活动所必需 的最 低 水 平 的 产能 代 谢 称 基 础代 谢 B M 通 常 以单 位 时 间 内每平 方 米体 表 面积 散发 的热量 k J m h 即基 础代 谢 率 B MR 来 表示 热 中性 区是一 个 温度 范 围 人 为 2 5 2 9 在 此 温 度 范 围 内 的代 谢 率 与 环境温度无关 不在此温度 范围内的代谢率就不是 基础 的代谢率 了 环境 温度离热 中性 区愈远 机体 维持体温恒定所消耗的能量则愈多 甲状腺激素能 够 促进 细 胞 的物 质 代谢 加速 物 质 氧化 分 解 过程 对基 础代 谢 有显 著 的调 节 作用 例 如 甲状腺 功 能 亢进 的病人机体产热增 加 基础代谢率升高 而 甲 状腺功能低下时则基础代谢率下降 2 活 动性 产 热 骨 骼 肌 活 动 时产 热 量 可 以增 生物学通报 2 0 1 0年 第 4 5卷 第 1 期 加若 干 倍 可 占机体 总产 热量 的 7 5 8 0 活 动 性 产 热 量 的多 少 与 肌 肉运 动 强度 有 关 如 步 行 时 较 安 静 状态 增 加 约 3倍 而剧 烈 运 动 时 可 增加 1 0 2 0倍 机体从事 繁忙的脑力劳动时 可通过神 经 调节 加 强 骨骼 肌 的肌 紧 张 肾上 腺 的 活 动也 能 促 进机 体 产 热量 增 加 在寒 冷 环 境 下 人 体 通过 运 动增 加 产 热 量是 一 种 主 动 的行 为 体温 调 节 3 非 颤 抖性 产 热 当环 境 温度 低 于 基 础 代谢 所 能 维 持 的体 温 时 机 体 必 须通 过 非 颤 抖 性产 热 和颤 抖性 产 热 来 增加 产 热量 以保持 体 温 恒 定 非 颤 抖 性 产 热 N S T 是 恒 温 动 物 没 有 肌 肉活 动 而 增 加 产 热能 力 的方 式 尤其 是 体 型小 2 0 0 g以下 的 动 物 非 颤 抖性 产 热 源 是机 体 内的 褐 色脂 肪 氧 化 过 程 此 时脂肪 酸经 过 p 一 氧化 阶段 产 生 的 H 借 助 于线 粒 体 内膜 上 的一 种 解 偶联 蛋 白 通 道 蛋 白 进入线粒体基质 不必通过 A T P合成酶复合体和 产 生 大量 A T P 而 是 产 生 大量 热 能 以维 持 体 温恒 定 由此 可见 非 颤抖 性产 热是 恒 温动 物 在冷诱 导 下 的 一种 调 节 产热 能 力 这 个 产 热 途 径 受神 经 系 统 和 肾上腺 髓质 合成 与 分泌 的激 素 调节 4 颤抖 性 产 热 恒 温动 物 受寒 冷 刺 激 时 首 先 引起 反 射 性地 肌 紧张增 加 继 而 出现 寒 颤反 应 寒 颤 是 指 机体 的伸 屈肌 同时 发 生不 随意 的 小节 律 性 收 缩 此 时 所 消耗 的能 量全 部 变 为热 量 其 最 大 产热率每分钟可达 3 9 2 k J k g 使机体在瞬间的产 热 量 比平 时 提 高 4 5倍 颤 抖 性产 热 只是 机体 在 极 度寒 冷 时 的 附加 热 源 这 个 产 热 途 径受 肾上 腺 髓 质合 成 与 分 泌 的激 素 调节 人 体 散 热 的 主要 部 位 是 皮 肤 身体 内部 产 生 的 热量 由皮肤 血 管 的血 液 带 到 体 表 通 过 皮 肤 表 面 的辐 射 对 流 和传 导 方 式直 接 散 热 当环 境 温 度 高于通过皮肤散热机制维持的体温时 机体则 通 过 表 面水 分 蒸 发 或 出汗 方 式带 走 热 量 当 人体 处 于炎 热环 境 时 出汗 是惟 一 的散 热 方式 人 的体 温 调 节 包 括行 为性 调 节 和 生 理性 调 节 2种 方 式 行 为性 调 节 是 指在 意识 控制 下 通 过 相 应 的行 为 活 动达 到 御 寒 或 消暑 的 目的 生 理 性 调 节是指非意识控制下的反馈调节 如图 3 图 中显 示 温 度 感 受 器 有外 周 温 度 感 受 器 和 中枢温度感受器 2种 外周温度感受器位于皮肤 黏膜和内脏 感受环境温度变化的信号刺激 中枢 温 度 感受 器 位 于脊 髓 脑 干 网状 结 构 和 下 丘 脑 等 部位 感受 血液 温 度 变 化 的信 号刺 激 体 温调 节 中 枢在 下 丘 脑 下 丘 脑 将 温度 感 受 器 的 传人 冲动 进 行整合 然后经传出神经或体液途径 调节皮肤血 流 量 汗 腺 分 泌 代 谢 水 平 和 颤抖 性 产 热 等 协 调 产 热 和散 热 的过 程 从 而 维持 体 温 的 恒定 体 温一 旦 达 到持 续 恒 定 大 脑 和 下 丘脑 会 接 受 由温度 感 受 器传 人 的反 馈信 号 抑 制 运动神经 大 脑 热 畜 if 下 脑 I i 一 桀 军 篡 善 广 巷 H鉴 n L r 一一 温度感受器 反馈调节系统 受控器官系统 受控对象 图 3成人体 温 的生理性调 节 3种 群 的特 征 新 课 标 的具 体 内容 标 准 要求 列 举 种 群 的特 征 尝 试 建 立数 学 模 型 解 释种 群 的 数量 变 动 探 究 培养液 中酵母种群 的动态变化 由于受传统教材 的影 响 多数 新 版 本 高 中生 物 学课 本 没 有 阐明种 群 特 征 的基 本 内容 大 家 知道 种 群 是 指 生 活 在一 定 空 间和 时 间 内的 同 一物 种 个 体 的 总和 解 析种 群 的定 义可 知 作 为 生态 学 的种 群具 有 4个 基 本 特征 其 知识 层 次 结 构 如下 空 间 特 征 分 布 型 卜 时 间 特 征 存 活 曲线 数 量 特 征 节 素 遗传 特征 基 因 库 I J I 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一J 图 4 种 群 概 念 的 知 识 层 次 结 构 图 在 种群 的 4个 特征 中 数 量特 征是 种群 的最 基 本特征 种群有 大 有小 种 群 数量 能够 表 明种群 的 大小 但不 能反 映种 群 内个 体 分布状 况 种 群密 度 2 01 0 年 第 4 5卷 第 1期 生物学通报 3 1 是指某个种群在单位空间或面积内的个体数量 种 群 密度 不仅 可 以作 为 衡量 种 群 数 量 的指 标 而且 能 够反 映 环境 的承 受能 力 种群 密 度调 查是 研 究种 群 数量 动 态 的基 础 种 群数 量 调 查 常用 抽 样 统计 法 例如 点样法 线条法 条带法 样方法 标记重捕法 等 种群密度 的统计量值包括 出生率与死亡率 迁 入 与迁 出 年 龄组 成 和性 别 比例 其 中 出生 率 与死 亡 率 迁 入 与 迁 出是 决 定种 群 密 度 的 4个 基 本 参 数 年龄 结 构 影 响着 出生 率 和 死 亡 率 提 供 种 群 数 量动态 的预测信息 性 比例影响种 群 的出生 率 也 是 影 响 种 群 数 量 动 态 的 因 素之 一 种 群 密 度 统 计 量 值 之 间 的 关 系用 图解 表 示 如 下 增 一一 决 定 种 群 消 长 的 速 率 参 数 图 5 种群 密度 消长 的影响 因素 各 个 版 本 的高 中生 物 学 课 本 都 对 种 群 数 量 动 态 及 其 调 节 因 素作 出 了 比较 详 细 的 介 绍 本 文 不 再 赘 述 种 群 在 空 间 上 的分 布 特 征 是 种 群 生 态 学 研 究 的一 项 重 要 内容 教 学 可 结 合 实 例 和 图 式 阐 明 3 种 空 间分 布 型 的 主要 特 点 不 宜 涉 及 空 间 分 布 图 式的测定 方法 存 活曲线是 以种群全 部个 体的相 对年龄 绝对年龄 平均 寿命 为横轴 以各 年龄段 的存 活率 存 活数 量 的对 数 值 为 纵 轴 绘 制 的 曲 线 表 示 种 群 的存 活 率 随 时 间 变 化 的 过 程 存 活 曲 线 反 映 出种 群 死 亡 年 龄 的分 布 状 况 有 助 于 了解 种 群 与环 境 的适 应 关 系 种 群 具 有 一 个 相 对 稳 定 的遗 传 组 成 即代 代 相 传 的 基 因 库 生 物 进 化 实 质 上是 种 群 基 因频 率 的改 变 4能 量流 动 及传 递 效 率 新 课 标 的具 体 内 容 标 准 要 求 分 析 生 态 系统 中 的物 质 循 环 和 能 量 流 动 的 基 本 规 律 及 其应 用 高 中生 物 学 课 本 关 于 能 量 流 动 的 基 础 知 识 包 括 能量流 动的过程 能量传递 的特征 能流分析 及 意 义 等 能 量 是 一 个 生 态 系 统 生 存 和 发 展 的动 力 生 态 系 统是 一 个 开 放 的耗 能 系统 能 量 流 动 是 指生态系统输入 传递和输 出能量的过程 生态系 统的一切能量来 源于太阳能 生产 者 固定太 阳能 是生态系统能量 流动 的起点 输入 的能量 以食物 链 网 为渠道 沿 着食 物链 的营养 级依 次传 递 最终 以 呼 吸热 的形 式 输 出 能 量 在 生 态 系统 流 动 的过 程 中 一 部 分 被 生 物 同 化 利 用 A 另 一 部 分 未被 利 用 F U 同化 量 的 一 部 分 能量 构成 生 物 生 产量 P 另 一 部 分 以 呼 吸 热 的形 式 散 失 R 生 态 系统 的能 量 流动 具 有下 列 特 征 1 遵 循 热 力 学 定 律 即 能量 从一 种 形 式转 化 为 另一 种 形式 在转 化 过程 中能量 既 不能 消 失 也不 能 创 造 但 总有 部 分 能量 转 化 为生 物不 能 利 用 的热 能 2 生 态 系统 内能 量 呈单 向流动 既不 能 逆 向也 不 能循 环 3 绿 色植 物的单位 面积在单位时间 内固定 的太 阳能总 量 J m a 称 为总初级生产 量 总 初级生产 量 与植 物 呼 吸 消耗 的能 量 之 差 称 为 净初 级 生 产 量f P n P g R 1 生态系统经 由食物链传递 的能量低 于净初级生产量 4 能量沿着食物链的营养级依次 传递过程中 各个营养级生物都不能全部利用前个 营养 级 的生 物量 和 能量 因此 能 量 传递 效 率 逐级 递 减 其能量传递效率为 1 0 2 0 即遵循 1 1 0法 则 但 是 能量 逐级 传 递过 程 中 经 过再 生产 过程 通 常将 较 多 的低 质 量 能 转 化 为 较 少 的 高 质 量 能 总 之 单 向流 动 和逐 级递 减 是 能量 流 动 的基 本 特征 为 了形象 地说 明这 个 问题 以 系统 内各 个 营养 级 的 能量值 为 依据 绘 制生 态 系统 的能量 金 字塔 高 中 生 物 学课 本 中 有 关 能 量 流 动 知 识 的层 次 结构用 图解表示如下 生 产 者 固 以 食物 链 以呼 吸热 单 向 逐 级 能 量 生 态 生 态 流 动 递 减 金 字塔 效 率 开 发 图 6 生态 系统 中能 量流动 的思 维导 图 生态效率是生态学 的一个核心概念 它是指 生态系统内各个 营养级之 间的能量转化效率 食 物链 的 每个 环 节 上 的生 物 总 和 称 为 营养 级 或 营养 层 次 生 态 系统 的能 量 从 传 递 一 个 营养 级 传 递 至 下一个 营养级时 在不 同营养层次上各种能量参 数 的比值 对生态系统 的能流分析有着重要价值 具 体 指 标 如下 3 2 生物学通报 2 0 1 0年 第 4 5卷 第 1 期 I n n营 养 级 的 摄 入能 量 l A n I n 凡 r I 同化 效 率 An n营 养级 的 同化 能 量 I 1 I P力 A R n f 生产效率 n营 养 级 的 净 生产 能量 J 1 N u 七 I n l P n I利 用 效 率 玎 1 下 个 营 养 级 摄 人 能 量 J 图 7生 态 效 翠 的 量 值 及 计 算 方 法 值 得 注 意 的 林 德 曼 效 率 不 同于 与奥 德 姆 效 率 教学和辅助学习资料 中时有混淆两者的现象发 生 林德曼效率是指 1 3 营养级的摄人能量与 n l营 养 级 的摄人 能 量 之 比例 相 当于 同化 效 率 生 产效 率 与 利用 效率 的乘积 所谓 的 1 1 0法 则就 是 指林 德曼效率而言 奥德姆效率是指 n营养级的净生产 能 量与 n l营养 级 的同化 能量 之 比例 相 当 于 n l 营养级同化效率与 n营养级利用效率 的乘积 奥德 姆效率对生产实践有着重要的指导意义 林 德曼 效 率 肠 J I n A n l n x P n A n x I n 1 P n 奥 德姆 效 率 A 月 J P n A 肘 J 1 x l n 1 P n 5建 设 生态 文 明 新课标 的具体内容标准要求 形成环境保护 从我做起的意识 这项具体要求实际上是情感 态 度 和价 值 观 领域 的一项 教 学 预 期 目标 它 期 望 每 个 高 中学 生 积极 地 参 与 到建 设 社会 主义 生 态 文 明 的行 列 中去 2 0世纪 6 0年代 以来 关注生态环境问题 协调 经济发 展 与环境 保护 之 间的关 系 走 可持 续发 展 之 路 逐渐 成 为全人 类 的共识 中 国共产 党 的十七 大 报 告提 出 要 建设 生 态文 明 基本 形成 节 约能 源 资 源 和保 护 生 态 环境 的产 业结 构 增 长方 式 消费 模 式 倡导生 态文 明建设 不仅 对 中国 自身 发展有 深 远影 响 也是 中华 民族 面对 全球 日益 严 峻 的生态 环 境 问题 作 出的庄严 承诺 所谓 的生态 文 明是 指人 们 在改造 客 观物质 世界 的 同时 积极 改 善 和优化 人 与 自然的关系 在建设有序的生态运行机制和良好的 生 态 环境 过 程 中取 得 的物 质 精 神 制 度 方 面 成果 的总和 建设生态文明 实质上就是要建设 以资源 环 境 承载 力 为基 础 以 自然 规 律 为准 则 以可 持 续 发展 为 目标 的资 源节约 型和环 境友 好型 的社会 在 高中生物学各个版本 的教材中 都有相 当 的篇幅阐述有关生态文 明建设 的问题 但是 对问 题 的切人点 和宣讲力度有所不同 目标达成也会 不 同 知识 是 目标 达成 的载