《生物科学的学习过程》教案（2） (2)(1).doc

生物科学的学习过程师：生命科学研究离不开科学思维。科学思维促进科学理论的发展。了解科学家的科学思维过程，像科学家一样进行科学思维，也是我们学习生物科学的目标之一。虽然生物科学中各分支学科的思维有其特殊性，但基本过程有许多相同之处。师：那么，科学家开展生命科学的研究时，除了进行科学实验外，还需要哪些科学品质呢？板书：二、像科学家一样思考：科学思维生：科学的思维方式与科学的态度。师：生命科学家是如何进行思维的呢？生：研究生命科学的程序为：(1)生命科学的研究大多从观察开始；(2)对你所观察到的现象做出解释，也就是进行推理，或者说推论；(3)然后把特征相似的物体归类到一起，通过比较，识别出事物之间的异同点，再根据事物之间的共同点将事物划分为较大的不同类群，再根据差异点将事物划分为较小的类群，这样就可以用分类的方法把信息或事物有序组织起来，以找出事物间的关系；(4)通过画概念图、表格、建立函数图等方式来建立模型；(5)与他人交换看法、分享信息，听取不同的意见，修正模型。 师：我们一般把怎样的活动称为观察？如何进行观察？板书：(一)观察师：生命科学的研究大多从观察开始。当你用一种或多种感官去收集有关这个世界的信息时，就是在观察。学生活动：阅读文本p9“观察”相关内容，进行小组内部交流。师：什么叫做科学观察？科学观察需要注意哪些问题？生科学观察是指有目的、有计划地和思维活动紧密结合的考察研究方法。科学观察通常要借助各种仪器设备，科学观察必须真实、准确，即必须如实地反映所感知的事物。师：在生物学研究中，我们一般把什么叫做数据(证据)?生我们一般把通过观察所得到的信息称为数据(证据)。师：你能否根据具体事例，谈谈你准备如何进行生物学问题的观察呢？学生活动：学生自主设计一个案例，结合科学观察的要求与特点，谈谈自己的体会，在小组内交流。生甲：达尔文在克格伦岛上观察了550种甲虫，发现其中有多达200多种甲虫无翅或翅不发达；同时，他还发现克格伦岛经常刮大风。从而得出了海风对甲虫有“选择”作用的结论。由此可见，这个观察为他确立“自然选择”学说奠定了扎实的基础。生乙：我们可以通过观察水印等方式来辨别假钞与伪钞；也可以通过验钞机来确定钞票的真伪。生丙：我们可以观察在硫酸厂周边的植物生长状况来确定so2对于绿色植物的伤害；也可以观察通过观察硫酸厂周边的植物的种类来分析不同植物对于so2迫害的耐受性。师：在生物学的研究中，我们究竟该如何进行观察呢？生：师：(1)要明确观察目的；(2)要选择适当的观察对象；(3)要采用适当的观察手段；(4)观察完毕后要进行比较、分析和归纳。师：你能否就“观察细胞有丝分裂”这一实验加以说明？生：师：该实验的目的是要通过观察细胞有丝分裂各个时期细胞形态结构和染色体变化的特点，来认识细胞有丝分裂的过程和特点。通过观察这一感性认识过程，达到理性认识的深化，而选择适当的观察对象和合适的观察材料至关重要。有丝分裂常见于根尖、茎尖等分生区的细胞中，而根尖和茎尖相比，前者比后者更容易取材。在若干植物根尖中，经过许多科学家的大量实验筛选证明，使用洋葱根尖可以获得最佳实验效果，是最经典的实验材料。另外，本实验要观察染色体的形态变化，直接观察是难以实现的，必须借助于显微镜，先用低倍镜寻找目的物，找出分裂相，然后再对每一个分裂期用高倍镜仔细观察细胞内各种物质的形态变化，如果玻片质量好，可以看到纺锤丝和纺锤体；观察完毕后，要对有丝分裂不同时期的细胞进行比较和分析，最后归纳出有丝分裂的过程和特点。师：在生物科学中，观察方法主要应用于哪些方面呢？学生活动：思考、讨论上述问题。师：(1)在无法对生物体进行改变和控制的情况下，要获得这类生物所反映的真实现象必须用观察法，例如：野生动植物的考察、古生物研究、生物分类和生态学研究等。(2)在不允许对生物体加以干扰破坏或变化情况下进行的研究，必须运用生物学观察法，例如：病理学中动物、植物、人类病理现象的研究。(3)在某些以直接记录和描述生物现象为基本前提的生物学分支学科中，必须用观察法，例如：动植物形态学、昆虫和微生物分类学、仿生学等，均需对研究对象的形态、特征进行描述、记录，因而也离不开观察。(4)总而言之，科学观察的方法，不论在古代还是现代，都是生物科学研究中的重要方法之一，并且有着十分广泛的应用范围。观察在生物科学中起着如此重要的作用，所以对观察应予以高度重视。师：那么你如何对所观察到的现象进行解释呢？板书：(二)推理学生活动：阅读文本p8“推理”相关内容，讨论上述问题。生：进行科学推理或推论。师：你能否举例说明科学家是如何进行推理的？生(1)拉马克在观察到长颈鹿的腿长、颈长的特征后，推理认为长颈鹿的腿长、颈长的特征是长颈鹿为了吃到高处的树叶而产生不断“伸长”愿望的结果，从而产生了“用进废退”的观点。(2)达尔文在观察到长颈鹿的腿长、颈长的特征后，推理认为长颈鹿的腿长、颈长的特征是长颈鹿的祖先的后代，颈部有的长一点，有的短一点。颈长一些的个体，能够吃到充足的树叶，因而发育良好，能够产生后代，而颈短一些的个体，因吃不到充足的食物而被淘汰。在后代中，由于变异的缘故，有的个体颈更长一些，有的跟前代一样长，有的则更短些。能获得充足食物而且能够生殖后代的，只有颈部更长一些的个体，其他个体就都被淘汰了。这样一代一代地选择下去，经过漫长的年代，在自然界就创造出现代的长颈鹿来。从而产生了“自然选择”的观点。当然，达尔文产生了“自然选择”的观点的基础之一是他观察到了生物的“过度繁殖、遗传变异”的现象。(3)这说明，推理是否合乎逻辑将影响观察的效果，进而影响科学性；而观察数据的科学性、客观性、全面性将影响推理的可靠性。师：归纳法是指从个别事物的性质、特点和关系中概括出一类事物的性质、特点和关系的推理形式。那么，你能否举出相应的事例，说明归纳法的具体应用呢？学生活动：自主思考，整理自己的想法并交流。生：施旺在提出“细胞学说”的过程中采用了归纳的方法，即从大量的动物细胞和植物细胞及其组成成分的感性材料向细胞学说认识上的飞跃，这是对细胞发现的又一重要关键。师：如何才能使得我们的推理更为准确、符合客观事实呢？我们需要仔细观察，以尽量反映事物的客观本质；同时，我们还要学会分类，恰当的归类有助于我们发现真理，以使得我们的推理更准确、更具逻辑性。那么，什么叫做分类？板书：(三)分类学生活动：阅读文本p89，思考上述问题。生：把某些特征相似的物体归类到一起的逻辑方法称为分类。师：我们该如何分类呢？生：首先，我们需要把特征相似的物体归类到一起，通过比较，识别出事物之间的异同点；然后再根据事物之间的共同点将事物划分为较大的不同类群，再根据差异点将事物划分为较小的类群，这样就可以用分类的方法把信息或事物有序组织起来，以找出事物间的关系。师：那么分类主要有哪些方法呢？学生活动：自主思考，提出个人见解，小组讨论。师：(1)对自然界多样的生物进行分类主要有三类方法：第一类为形态学方法，即仅根据生物主要形态特征的异同对生物进行归类，它不考虑这些具有相同特征的生物是否具有共同的祖先或是否具有同源性，单纯形态学的分类方法现今已经很少被认可。(2)第二类只强调生物之间遗传进化的关系，注重研究一类生物多久以前从另一类生物中分支出来。(3)第三类为经典的进化分类法，是第一种方法和第二种方法的综合应用，它既考虑生物进化分支的时间，又注重生物形态特征的异同。这种以生物的进化为线索，比较生物最重要的形态特征和亲缘关系建立起来的分类系统，目前以被人们广泛接受。例如，对几种爬行类动物、哺乳动物和鸟类进行分类时，采用第二种方法和原则与采用第三种方法和原则就会得出不同的结果。课件展示：脊椎动物的起源“澄江动物群”化石为何会引起科学界的极大关注？(1)1984年，中科院南京地质古生物所的侯先光等人在云南澄江地区发现了大量的动物群化石，提出了“澄江地区前寒武纪动物大爆发”的见解，进一步确立了点断平衡理论的基础。澄江动物群化石为早寒武纪中期，距今5.3亿年，是全世界最古老的保存完整的动物群化石。(2)通过对澄江地区前寒武纪地层的动物化石的研究证明：仅在100万至200万年(相当于地质年代瞬间)的时期，包括脊索动物在内的所有动物门或相当于门一级等级系统几乎是同时出现的，它一次性地开创了以后3亿年多元化进化的模式，而且某些类别在完成了身体基本层次的模式确定之后，立即开始了辐射性进化。(3)在澄江动物群化石中发现的巨型食肉类动物化石中，有一种被称为奇虾类的动物，它们是当时攻击能力最强的食肉动物，现今已经绝灭了。说明寒武纪海洋中就存在着食肉动物。师：“澄江动物群”化石可以用达尔文进化理论来解释吗？学生活动：观察上述信息，结合阅读文本p9，思考上述问题。小组内交流自己的观点。选出一个组员扮演主持人角色，其他组员按照学术观点分成两组，一方赞同“澄江动物群”化石难以用达尔文进化理论加以解释，称之为甲方；另一组的观点是赞同“澄江动物群”化石符合生物进化的“自然选择”学说，称之为乙方。乙方：“澄江动物群”化石群所包含的生物种类繁多，证据确凿。可以更好地证明达尔文“自然选择”学说的正确性，即生物的变异是不定向的，而自然选择是定向的，只有最能适应环境的类型才能生存下去，并且能够产生后代，而那些与环境不相适应的类型就被淘汰；“遗传变异”“过度繁殖”“生存斗争”和“自然选择、适者生存”被“澄江动物群”化石再次证明是正确的。甲方：我们承认“澄江动物群”化石可以证明生物是进化的，我们也相信真正脊椎动物的进化可能是从海口虫开始的、脊索动物与脊椎动物可能起源于同一个祖先。但是，我们认为“澄江动物群”化石不支持达尔文的“自然选择”学说。乙方：请说出你们的论据。甲方：达尔文的“自然选择”学说，主张生物渐变式进化观点，并作为一种生物系统的演化模式看待。但是，“澄江动物群”化石可以表明生物的进化是聚变式，而非渐变式的。因此，“澄江动物群”化石不支持达尔文的“自然选择”学说。师：(1)生物进化是一个渐变和突变、偶然和必然互为镶嵌的过程。在进化的某一阶段可能被偶然性所支配，但生物的基本形态一经确立，必然性则开始起着重要的作用。物种的出现是明显的聚变过程，而物种的长期演化发展又是一个渐变过程。由此看来，经典的乔木式分支进化树是不正确的，以一种灌木分支式进化树来表示生物的系统发育似乎较为合理。 (2)经典的进化理论仅以遗传变异、自然选择和隔离等作为进化的主要机制，现在看来，它将极为复杂的进化过程和多元互锁的进化驱动体系描述得过于片面化、狭义化和简单化了。近几年来，随着自组织理论、耗散结构理论、协同学说、突变论、分形理论、非线性科学等新型科学的兴起，以及“宏进化(大进化)”和“微进化(小进化)”等理论的提出，有关生物进化方式的点断平衡理论将逐步替代经典的渐变式物种形成学说。(3)而对于生物进化的机制，“前寒武纪大爆发”也对经典进化理论中的进化原因提出了最严重的挑战，并已成为目前自然科学的热点问题。1992年美国纽约时报根据有关科学家的建议，已将这一化石群列为20世纪最惊人的自然科学发现之一。师：在我们经过了观察、分类和推理后，我们该如何分析事物的本质呢？板书：(四)建立模型生：建立模型。师：什么是建立模型？生：建立模型就是用来显示事物或过程的表现手段，如画图、表格、制作物理模型等。师：建立模型具有怎样的优点？生：模型方法是把认识对象作为一个比较完整的形象表示出来，从而使问题简明扼要，以便窥见其本质的方法。师：那么，我们在什么情况下需要建立模型呢？一般我们建立怎样的模型呢？生：师：(1)在研究工作中，由于在研究对象上不能或不允许进行实际实验，为了获得对研究对象的认识，可以通过模拟的方法制成研究对象的模型，然后在模型上进行实验，模拟研究对象的实际情况，这种实验叫模拟实验。(2)模型大致可以分为理论模型和实物模型两大类。理论模型包括图像模型、逻辑模型、数学模型等。(3)理科教学和实验中多用实物模型，实物模型主要有以下特点：是用来作为实验对象的模型。可以为人们的感官直接感知的模型。与原型有相似关系，即在结构上或功能上是相似的。 (4)按其来源不同，实物模型又可分为自然模型和人造模型两类。自然模型是人从自然界已有的事物中选择出来代替原型作为实验对象的事物。例如：在生物学上，选择某种动物作为人类的模型进行药物反应实验。自然模型在生命科学中有着广泛的应用，但它也有局限性，主要表现在由于客观条件的限制，人们往往难以找到与原型相同或相似程度比较高的自然模型。自然模型的这种局限性促使人们采用人工的方法来制造实物模型。人造模型是指人工制造出来的用来代替原型进行实验的某种装置。师：你能举例说明“建立模型”在生命科学研究中的具体作用吗？生甲：1951年11月，沃森、克里克在前人研究的基础上着手建立dna分子模型工作，但由于计算错误，第一次建立的dna分子模型定为三股链的结构。后来，他对dna分子中碱基间的吸引力重新进行计算，并受到查加夫工作的启发，解决了“碱基配对”的问题，又看到了弗兰克林工作部分细节报告，经过反复讨论，终于在1953年初提出了dna双螺旋结构的分子模型。dna双螺旋结构的分子模型使人们能准确、形象地认识dna结构。生乙：真核细胞亚显微结构模型的建立可以让我们理解真核细胞的结构、理解细胞的结构与功能的适应。师：现代社会，需要我们学会交流、学会分享、学会倾听。那么，我们该如何交流呢？板书：(五)交流学生活动：阅读文本相关内容，讨论上述问题。(1)交流就是与他人交换看法、分享信息的过程。(2)有效的交流需要许多技能，例如听、说、读、写以及交流的能力。(3)科学交流的方式包括：利用各种媒体发表见解，出版研究的成果，与他人交谈，甚至争论(4)我们要学会倾听不同的观点，只要它是学术性的；我们要勇于坚持自己认为正确的真理；我们也要敢于改正那些被证实是错误的观点。二、像科学家一样思考：科学思维(一)观察(二)推理(三)分类(四)建立模型(五)交流1答案：科学思维的基本过程包括观察、推理、分类、建立模型、交流等环节。在向学生说明推理在建立科学理论中的作用所举的例子时，教师只需把握例子中的实质内容，只要能说明推理在建立科学理论中的重要作用即可，不必拘泥于某个事例。如孟德尔关于“一对相对性状的杂合子在自交时发生性状分离”的推理、斯巴兰让尼关于“胃具有化学性消化作用”的推理。2答案：在科学史上经常出现这样的情况：两个理论，其事实根据都是相似的，但立论却相去甚远，甚至相反。错误的理论，并不在于它依托的事实弄错了，而在于对事实材料的加工、推理弄错了。诚如恩格斯所说：“不正确的观念，如果抛开观察的错误不讲，归根到底都是对于正确事实的不正确的观念”。1归纳法归纳法是指从个别事物的性质、特点和关系中概括出一类事物的性质、特点和关系的推理形式。作为生物科学史上一项重大的发现，细胞的发现是一种始于观察，通过归纳而获得理论的经典模式。细胞发现所依据的科学材料来自显微镜这一工具的观察，而且这大量的观察都是带着“问题”进行的。正如巴斯德所说，带着“有准备的头脑”进行观察才能使观察主体的目标和被观察的科学事实相一致。随着显微镜的出现，一部分显微镜学家把自己的科研目标放在对动物和植物组织的观察上，逐渐导致了细胞的发现。在这200多年的漫长过程中，在大量显微镜学家从事的众多的显微镜观察中，总地说来，观察主体的科学目标和观察到的科学事实相一致。归纳法是人们用来发现新知识的一种重要的初级的思维方法，它能帮助人们在大量观察实验的基础上，从认识个别和特殊的事实中，逐步扩大到认识普遍事物的一般规律，从众多的事实中找出普遍的特征。施旺自己把细胞学说的提出过程总结为采用了归纳的方法，即从大量的动物细胞和植物细胞及其组成成分的感性材料向细胞学说认识上的飞跃，这是对细胞发现的又一重要关键。2澄江地区前寒武地层的动物群化石生物为何会引起科学界的极大关注进化不仅是突变和渐变互为镶嵌的过程，也是偶然和必然互为镶嵌的过程。寒武纪动物大爆发的研究发现，动物身体造型的选择，完全是由偶然性所支配的。但整体造型一旦确立，必然性便开始起着重要的作用。以蠕虫类皮肌囊结构为例，它的液压蠕动方式是非常古老的一种动物运动模式，尽管这一模式与外骨骼的形成互为对立，使其自由运动潜能的开发受到了限制，始终没有形成高级的类群，但许多生物类别却偶然地选择了这一模式。例如：澄江地区前寒武地层中的帽天山虫。从澄江地区前寒武地层的动物群化石可推断出，不同形态等级的动物门类不但是同时出现的，还是一个明显的聚变过程，而且其中一部分门类经过数亿年连续演化至今，构成了现代物种的多样性。后一个过程的演化又是一个渐变的过程。值得提出的是，该地层出现的整个时间不足300万年，大约为100200万年。在这短短的时间内，不仅导致了动物所有门类一次性同时出现，而且其复杂的生态系统也是自组织形成的，这与传统的生物学的观点差别极大。3观察、类比与生物进化论的创立对达尔文来说，经过五年的科学航行，他渡过了三个海洋：大西洋、太平洋、印度洋，又回到大西洋。他深入了巴西处女森林，观察了那里丰富多彩的动物和植物世界；踏上过广漠无边的潘帕斯大草原，见到了那些地方独特的草原景象和奇异的化石残迹；看到了荒凉凄静的沙漠以及巴塔哥尼亚和火地岛的岩石；攀登了安第斯山脉的顶峰；见到过火山喷发；经历过地震和龙卷风；观赏过南半球的星空和冰川。在这些经历中，使他感兴趣的不仅是个别的动物和植物，还有它们之间的相互关系以及它们对周围环境的适应。这些经历为他提供了丰富的观察机会，获益是难以估量的。达尔文沿着南美东岸从北到南时，看到动物界和植物界的变化，南美的现代动物和化石动物之间出奇的相似，使他十分吃惊：那庞大的大懒兽很像现代的树懒，其化石也有点像现代的犰狳，而化石箭齿兽却像是反刍类动物和鲸类的混合物。如果相信物种不变和上帝创造的话，那么所有这些事实就都无法解释了，进化论思想的萌芽已经从达尔文头脑的土壤中显露出来。如果说五年前他刚踏上贝格尔舰的甲板时，还只是一个为了要观光热带自然界和收集标本的人，那么，五年以后，当他离开贝格尔舰时，他却已经是一个与年龄不相称的深刻的思想家了。正如达尔文在自传中所写的：“贝格尔舰上的航行，是我一生中最重大的事件，它决定了我以后全部事业的道路”。观察和类比方法是达尔文进化论形成的重要因素之一，达尔文在回国以后，在总结大量的生物进化的事实材料时，一直被进化的原因(机制)所困惑。有一天，他偶然阅读了马尔萨斯的人口论，从中得到了重要的启示，他想在大自然中是否也有着“适者生存”的基本法则呢？在自然界中确定生物演化的外部因素是什么呢？经过深刻的思考得到了结论，原来它就是大自然本身。从此他确立了以自然选择为主要思想的进化理论。4分子内部进化现代分子生物学的研究成果表明：生物大分子的相对分子质量很大，dna储存的遗传信息量极高。在大分子内部可以随机产生各种突变、遗传漂变和分子驱动等作用，并可以发生在任何部位。与此同时，环境对大分子提出的结构与功能的要求(这里应理解为自然选择)也随时会对大分子进行甄别和筛选。当这种筛选发生在大分子内部有明确意义的顺序中时，则以维持生存为最基本的条件，如果不能满足这个前提则将被淘汰。如果内部顺序不变或对生存有利，则被保留和积累。然而特别值得注意的是那些暂时没有明确意义的大分子内部顺序，在这部分区域中，由于内部发生的随机替换和遗传漂变不会影响生命体的生存价值而被完全保留(包括在大分子有意义的顺序中的大量的无意义区域)，一旦与外界自然选择发生作用则会产生新的适应结构和相应的功能。所以，应该说这部分暂时没有意义的区域是分子内部进化的基础，也为分子演化提供了丰富的原始材料。其次，分子内部的演化方式也比较复杂，原始生命体中的dna只有少数几个为蛋白质编码的顺序或称为原始基因，而现存生物中，数万种基因和相应的蛋白质是由这几个原始顺序通过串接、重复、插入和转化以及其他未知的方式演化而来的，而且与宏观沟通的蛋白质的结构与功能的相互统一是通过多种途径来实现的，它们有着明显的结构与功能的趋异与趋同现象。5多数突变