《稳态与环境》模块教材介绍（）.ppt

教材简介与教学分析 施忆shi yi 28 1 究竟是什麽 本体论问题 3 如何去做 方法论问题 2 为什么要这样做 价值论问题 侧重 居高临下 来源于思考 见微知著 来源于案例 期望 一 解读 稳态与环境 模块 稳态与环境 模块地位 必修三模块 引出了一条从生物个体 种群 群落到生态系统的不同层次上思考 稳态与环境 的主线 生物个体 种群 群落 生态系统是不同层次的生命系统 生命系统都存在稳态 生命系统都是开放的系统 与其环境之间不断进行着物质 能量和信息的交流 在不断变化的环境中 生命系统能够通过自我调节实现稳态 稳态与环境是本模块的两大核心概念 两者彼此又相互关联 何谓 稳态 1 稳定与稳态 例1 桌面上的硬币 稳定 不稳定 但是值得注意的是以往的认识依据了以下的观点 牛顿第一定律认为 物体在没有外力作用时 静者恒静 动者恒动 稳定性是事物固有的 根本属性 而运动或变化是外力强加的 这是机械的静态稳定观 即稳定等于无变化 结论一 稳定性一般是指系统具有的抗干扰性 从而保持自身原状的性质 一个系统抵抗外来的或内部的干扰的能力越强 就表示该系统的稳定性越强 例2 反映在生物体上 每天都有成千上万的微生物进入我们的体内 但绝大多数人都没有生病 人们每天饮水量不同 出汗多少不等 但体温 体内的ph值 血液粘稠度等基本上是恒定的 这些事例用静态的稳定观都无法解释 生命体必须处于这样一种状态 不为其周围的 常常是有害的强大力量所毁坏 溶解或分解 在这种明显矛盾的情况下 只有机体能对外界刺激发生兴奋并具有改变自己的能力从而调节它对刺激的反应时 才能保持它的稳定 正是因为它是可变的 轻微的不稳定 是使机体保持真正稳定的必要条件 来希特 c richet 结论二 现代的稳定观不再是牛顿认为的静态稳定性 而是动态的稳定 发展状态的稳定 静中有动 动中有静 是对立统一 2 稳态的概念 简单地理解 稳态即为动态稳定 稳定的概念首先是由贝尔纳 c bernard 提出的 他认为 1857 细胞外液是细胞生活的直接环境 其整体构成机体的内环境 内环境具有自我保持稳定的特性 内环境稳定是机体各种生理活动的共同目标 后由坎农 w b cannon 进一步明确 1926 内环境并不是处于静止的 固定不变的状态 而是动态的稳定 内环境的任何微小变化会触发机体调节机制的活动 从而消除或减少这些变化 他将这种由代偿性调节反应所形成的稳定状态称为稳态 homeostasis 并指出稳定的相对性 在1932年坎农出版的专著 躯体的智慧 中提出 这个词不是表示某种固定不变的事物 表示一种停滞状态 它表示这样一种情况 一种可变的而又保持相对恒定的情况 3 稳态的普遍性 稳态在自然界中普遍存在 在生物学中 稳态也不局限于内环境的范畴 而是适用于生命科学的一大基本概念 分子水平上有基因表达的稳态调节 酶活性的稳态调节 器官水平上如血压 心率的稳态 宏观水平上如种群数量的稳态 生态系统的稳态 贝塔朗菲 l bertalanffy 在 一般系统论 一书中说 系统观的中心问题是对稳定性的理解 注意 系统分析方法是本模块的重要方法 4 生物体稳态的机制 稳态通过调节而实现 贝尔纳 主要通过神经调节坎农 神经调节和体液调节共同作用 控制论 探测器 控制中心和受控部分 控制中心和受控部分间有反馈调节作用 现代观点 神经免疫内分泌调节网络 所有的生命系统都存在于一定的环境中 在不断变化的环境条件下 依靠自我调节机制维持其稳态 普通高中生物课程标准 5 环境的概念 主体存在的场所 即把某个主体的外界称为这个主体的环境 主体一般是指个体或个体的集群 此外 把单个的细胞 组织等当作主体来研究也是不少的 生物学词典 科学出版社 二 本模块的教育价值 本模块 有助于学生认识发生在生物体内部和生物与环境之间的相互作用 理解生命系统的稳态 认识生命系统结构和功能的整体性 领悟系统分析 建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用 形成生态学观点和可持续发展的观念 普通高中生物课程标准 知识方向的教育价值 1 从系统的视角认识生命活动的规律和本质 本模块在帮助学生认识生命活动的本质与规律上 应当阐明的要点有 揭示生命系统是开放系统 与外界环境之间不断进行着物质交流 能量转换和信息传递 揭示生命系统时刻处于动态变化过程之中 而且动态变化是在一定范围内进行的 否则就会解体 导致系统崩溃 揭示稳态是生命系统能够独立存在的必要条件 生物体内的各种代谢过程都将维持自身的稳态作为目标 揭示稳态维持靠的是生命系统内部的自我调节机制 2 深入理解稳态 调节 环境等核心概念 本模块在深入理解这些核心概念上 应当把握的要点有 稳态并不意味着稳定不变 而是指一种可变的相对稳定的状态 这种状态是靠完善的调节机抵抗外界环境的变化来维持的 各个层次的生命系统都存在稳态 就人体而言 稳态是通过神经 内分泌和免疫调节网络来维持的 这里强调了免疫调节在稳态维持中的作用 科学方法教育侧重点 系统分析方法模型方法 在能力培养方面的价值 什么是系统分析方法 系统论 是指奥地利科学家贝塔朗菲 l bertalanffy 在1970年代创立的 一般系统论 generalsystemtheory 尽管贝塔朗菲是以生物学家的身份去思考 研究并提出系统论的 但他的系统论并不仅仅适用于生命科学 而且适用于物理学 心理学 经济学和社会科学等各门学科 系统论 随后 系统这一概念逐渐得到了包括生物学家在内的许多科学家的认同 唤起了一大批研究者的关注 2002年3月 美国 科学 周刊登载了系统生物学专集 该专集导论中的第一句话这样写道 如果对当前流行的 时髦的关键词进行一番分析 那么人们会发现 系统 高居在排行榜上 系统生物学的灵魂 整合系统科学的核心思想是 整体大于部分之和 系统特性是不同组成部分 不同层次间相互作用而 涌现 的新性质 对组成部分的分析并不能真正地预测高层次的行为 如何通过研究和整合去发现和理解涌现的系统性质 是系统生物学面临的一个带根本性的挑战 整合的层面 1 系统内不同性质的构成要素 基因 mrna 蛋白质 生物小分子等等 的整合 2 从基因到细胞 到组织 到个体的各个层次的整合 3 研究思路和方法的整合 4 学科的整合 系统生物学的基础 信息一般说来 生物信息以这样的方向进行流动 dna mrna 蛋白质 蛋白质相互作用网络 细胞 器官 个体 群体 信息的角度 系统分析方法根据系统论的观点 构成系统的关键不是其组成的物质 而是组成部分的相互作用或部分之间的关系 这些相互作用或者关系 从本质上说就是信息 系统分析一方面要了解生物系统的结构组成 另一方面是要揭示系统的行为方式 传统的方法假设一个复杂的系统可以分割为许多不会互相干扰的子系统 因此只要将子系统研究清楚 就能了解复杂系统的行为 如果子系统仍然很复杂 就用同样的策略在子系统中再继续分割 再一一击破 这一套方法学固然使我们很成功地由分子层次解释反应运作的原理 而造成生物学上的突破 20世纪生物学经历了由宏观到微观的发展过程 由形态 表型的描述逐步分解 细化到生物体的各种分子及其功能的研究 1953年沃森和克里克提出的dna双螺旋模型是生物学进入分子生物学时代的标志 70年代出现的基因工程技术极大地加速和扩展了分子生物学的发展 这种方法能真正解释生命现象吗 dna 个体水平 细胞水平 分子水平 蛋白质 现代生物学家眼中的生命 还原论 20世纪生命科学的主流 基因 蛋白质 功能 蛋白质复合物 信号转导网络 真实的生命世界 生命是什么 还原论 生命遵循基本的物理和化学规律 分子生物学 复杂性科学 生命涉及网络 层次 非线性 系统生物学 生命是什么 线性思维 复杂性思维 生物学认识论的转变 整体观 局部观 生物学认识论的转变 系统生物学的基本工作流程 系统分析方法 选择可控生物系统 定性和定量的测量 计算和数学建模 系统分析或系统方法 就其本质而言 是一种根据客观事物所具有的系统特征 从事物的整体出发 着眼于整体与部分 整体与结构及层次 结构与功能 系统与环境等的相互联系和相互作用的现代科学方法 这是一种根据系统概念 根据系统的性质和关系 把现有的发现有机地组织起来的模型 系统分析是明确系统的边界后 在分析系统组成要素的基础上 分析系统各组分间相互影响的定量关系 建立系统的数学模型 并利用计算机圣系统结构优化 使系统具有功能整合作用的问题分析方法 系统分析一般步骤 第一阶段 定性分析 划分边界 确定组分 分析层次 明确问题及研究目标 第二阶段 定量研究 定量研究各组分间的影响关系 建立系统数学模型 第三阶段 模型分析 确定系统模型的参数 进行模型实验 优化功能 第四阶段 结构优化 优化系统结构 实行系统调控 实现优化的系统功能 根据系统的本质及其基本特征 可以将系统分析的内容相对地划分为系统的整体分析 结构分析 层次分析 相关分析和环境分析等几个方面 一 整体分析整体性是系统的最基本的属性或特征之一 因而 整体分析也就构成系统分析的一个主要内容 系统的整体体现了各个组成要素所没有的新质 新功能和整体运行规律 这就是 整体大于各部分之和 的原理 加和定理 另一方面 作为系统整体的组成要素的性质和功能也不同于它们在独立时的性质与功能 当它们作为系统的一部分与周围环境发生作用时 并不是代表孤立的要素本身 而是代表系统整体 二 结构分析结构分析是系统分析的一个组成部分 所谓的系统的结构是指系统内部诸要素的排列组合方式 同样一些要素 排列组合的方式不同 就可能具有完全不同的性质 特征与功能 三 层次分析系统论认为 任何复杂的系统都具有一定的结构层次 系统结构的层次性既指等级性 又指侧面性 前者是指任何一个复杂系统 都可以从纵向把它划分为若干等级 即存在着不同等级的系统层次关系 其中低一级的结构是高一级结构的有机组成部分 后者是指任何同一级的复杂系统 又可以从横向上分为若干相应联系 相互制约 又各自独立的平行部分 四 相关分析系统论告诉我们 构成系统的各个子系统 单元和要素之间以及它们与环境之间是相互联系和相互作用的 这一特征叫做系统的相关性 相关性体现在 1 要素之间的不可分割的联系 在系统整体中 各要素并不是孤立存在的 而是由系统的结构联结在一起 相互依存 相互作用 如果其中一项发生变化 就会影响其他要素也发生变化 2 要素与系统整体相适应 一旦要素改变 整体必然发生改变 同样 系统整体发生改变 系统要素也必然发生变化 3 系统与环境的关系方面 即系统的改变引起环境的变化 环境的变化也会导致系统的变化 系统创造自己的环境 环境又规定着自己的系统 4 系统发展的协同性 协同性是指系统发展变化中各部分发展变化的同步性 即系统的变化必然引起各要素以及环境的变化 这种变化又不是杂乱无章的 而是有规律可循的 这个规律就是同步性 五 环境分析一个系统总是处于更大的系统之中 成为更大系统的子系统 因而更大的系统则构成该子系统的生态环境 系统与环境的相互联系和相互作用表现在 一方面 环境是系统的存在和发展的前提条件 环境影响 制约 甚至决定系统的性质与功能 另一方面 系统的存在和发展也改变着周围的环境 系统作用的不同将引起环境发生变化 系统与环境这种不断进行着的物质 能量和信息的交换 使系统具有环境适应性特征 本模块的系统分析方法的侧重点 重在领悟系统分析方法的思想 初步学会从系统的整体出发 分析整体与局部 部分与部分 整体与外部环境之间的相互关系 在进行相关探究活动时 主要做系统分析的第一阶段的工作 有些活动可以深入到第二阶段 如建立种群增长的数学模型 系统分析实例 系统分析实例 系统分析实例 什么是模型方法 美国国家科学教育标准 生命科学 5 8 在初中阶段 学生应从个别生命体的观点去研究生命科学发展到认识生态系统的模式并且建立起对生命系统细胞层次的理解 例如 学生的理解范围应该从一个物种在周围环境中的生存方式扩大到该物种的群体和社会以及它们之间和它们与环境之间的相互影响方式 学生还应该扩大对生命系统的调查研究 包括研究细胞 观察和调查研究应该越来越定量化 包括采用计算机 概念模型和数学模型 timss中科学探究测评分为几个方面 科学探究过程 观察和测量 1 观察物理的记录 2 用简短的语言叙述观察过程 3 物体或变化的测量 4 选择合适的测量工具 5 估计测量和了解精确度 科学探究过程 发现问题并找出解决问题的方法 1 认识问题 2 提出工作想法 3 选择检验的合适手段 4 设计适当的实验方法 科学探究过程 解释数据和系统概括 1 实际数据的加工 2 用函数关系的形成来注明数据 3 实际数据的注明和结果 4 外推和内推 5 根据测验中得到的数据评价假设 6 根据发现的关系概括定型 科学探究过程 建立 测试和修改理论模型 1 对理论模型需求的认识 2 模型的理论化 3 模型满足关系的注明 4 从一种理论模型推出新假设 5 模型检验的说明和评价 6 纠正 加工和引申模型的公式 科学知识和科学方法的应用 1 在相同的领域里用于新的问题 2 在不同的领域里用于新的问题 3 应用于科学以外的问题 任何一门学科走向科学的过程都是形式化 符号化 建立数学模型和实验模型的过程 不同学科构建符合自身研究对象特性的形式 符号和数学模型的方法 就是这门学科特有的思维方法和工作方法 现在的教育完全没有把这种科学方法放在特别重要的位置 这使得我们的学生虽然掌握了某一学科的许多知识 却不懂得该门学科的科学方法和其方法的价值 这种现象甚至在大学里也同样存在 我们每位教师不妨自问 自己所教学科的独特思维方法是什么 如果我们学习了一门学科 却还没有掌握这门学科的科学方法 那么 我们充其量只能说学过了这门学科 而不是掌握了这门学科 袁振国 华东师范大学教育系 我国大百科全书出版社出版的 大百科全书 就把模型定义为 按照科学研究的目的 用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现 通过对模型的研究获得关于原型客体的知识 必修1教材对模型的定义是 模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述 这种描述可以是定性的 也可以是定量的 有的借助于具体的实物或其他形象化的手段 有的则通过抽象的形式来表达 美国国家科学教育标准 中的表述是 模型是与真实物体 单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构 模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述 这种描述可以是定性的 也可以是定量的 有的借助于具体的实物或其他形象化的手段 有的则通过抽象的形式来表达 模型的形式 物理模型 概念模型和数学模型 物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型 如人工制作或绘制的dna分子双螺旋结构模型 真核细胞三维结构模型 神经传导模型等 概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型 如对真核细胞结构共同特征的文字描述 光合作用原理 呼吸作用原理 达尔文的自然选择学说的解释模型等 数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式 如 j 型种群增长的数学模型nt n0 t 应该指出 物理模型既包括静态的结构模型 又包括动态的过程模型 如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型 血糖调节的模型等 就是动态的物理模型 模型的教育价值 揭示本质 疏理关系 整体认知 实证理念 科学对话 物理学 物理现象的观测 数学模型的描述f mae mc2 物理学的描述 生命科学 生命现象的观测 数学模型的描述 生物学的描述 走向真正的科学 模型方法实例 模型方法实例 1 关注生物科学的发展与社会的关系 2 形成环境保护意识 树立人与自然和谐发展的观念 3 其他方面 科学态度 科学精神 在情感态度价值观教育方面的价值 三 本模块教材的设计思路 编排体系的设计知识内容深广度的把握强化科学方法教育 培养科学探究能力的途径sts教育思想的渗透 1 编排体系的设计 1 依据课程标准中具体内容标准的规定3 1植物的激素调节3 2动物生命活动的调节3 3人体的内环境与稳态3 4种群和群落3 5生态系统3 6生态环境的保护 2 教材编排的基本框架 教学内容以生物个体 种群 群落和生态系统各个层次系统稳态的维持为展开 突出生命系统稳态与环境的关系 同时强化人体稳态的调控和健康 以及人类活动对生态系统稳定性的干扰和保护两个方面 教学中值得注意的是 稳态与环境 并不是个体水平的 稳态 与群体水平水平的 生物与环境 的简单相加 而是将生物个体和群体都当作生命系统来看 它们都处于不断变化的环境中 都能依靠自我调节机制维持其稳态 也即 所有的生命系统都存在于一定的环境中 在不断变化的环境条件下 依靠自我调节机制维持其稳态 这也是教材编写的基本立意 只有在这个意义上才能深入理解和把握好 稳态 与 环境 这两个贯穿本模块核心的概念 3 知识内容深广度的把握 具体内容标准中 了解水平 举例说出 描述 列举 6项理解水平 阐明 说明 概述 搜集 举列说明 11项应用水平 分析 1项 由此可见 知识性目标大多属理解水平 61 这就要求在教学中要把握概念内在的逻辑关系 并与已有知识建立联系 进行解释 推理 区分 扩展 提供证据 收集和整理信息等等 提供丰富多样的科学活动 实验 1 探究 5 模型建构 1 资料分析 资料搜集和分析 11 思考与讨论 19 技能训练 4 调查 课外实践 4 制作 1 等等 4 重视实践能力的培养 主要科学活动内容 科学活动特点与能力目标 资料分析 具体做法 1 介绍有关生物科学 技术和社会关系的资料 2 引导学生深入探讨生物科学 技术和社会之间复杂的互动关系 5 渗透sts教育思想 四 教材内容呈现方式 1 重视与生活经验的联系 创设问题情景 驱动知识的建构 问题驱动式学习 主要方式有 每节都从 问题探讨 入手 不少章节采取问题串的形式 2 加强内容的引导性和开放性 促进探究性学习主要方式有 有些问题不直接给出答案 让学生通过活动来寻求答案 让学生自己搜集信息 探究 的写法重在引导 介绍未解决的问题或存在的争议 有些习题的答案不惟一 3 改进教材编写模式 促进三维教学目标的达成 主要方式有 问题探讨 正文主栏 正文副栏 练习 正文中灵活安排 相关信息 知识链接 想像空间 等 有的节后有 技能训练 或课外阅读 各栏目的主要功能 课外阅读栏目功能 4 重视对学生的形成性评价 附 概念图 conceptmap 一种可视化的学习方法 所谓 概念图 是指利用图示的方法来表达人们头脑中的概念 思想和理论等 是把人脑中隐形知识显性化 可视化 便于思考 交流和表达 概念图是一种表达知识的网络图形化技术 知识图由概念网络构成 网络包括节点和连线 节点代表概念 连线代表概念之间的联系 概念图可以帮助学生 1 澄清思路2 加强理解3 内化新知识 知识系统化4 激发创造性思维 概念图用于概念教学 概念图用于探究活动 五 本模块教学分析 课程标准中提出了七条教学建议 深化对课程理念的认识 全面落实课程目标 组织好探究性学习 加强实验和其他实践活动的教学 注意学科间的联系 注重生物科学史的学习 模块与章节联系 第1节细胞生活的环境第2节内环境稳态的重要性 引出稳态和环境的概念 提出要从稳态和环境相互的角度来思考生命系统 从内环境 老教材中已有 来认识稳态的调节机制 同时引出生命活动的调节 1 本章教学指向 建议 本章教学可以从3张题图照片 提出问题 引发学生思考开始 3 本章教学重点 1 说明内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介 2 说明内环境稳态及其意义 关于 1 建议联系模块1中 物质进入细胞 的知识 以及初中学过的消化 呼吸 循环 泌尿系统等知识 使建立新旧知识的联系 以问题驱动展开教学 关于 2 可以先举一些事例让学生形成稳态的感性认识 在此基础上建立起稳态的概念 结合学生自主探讨 生物体维持ph稳定的机制 进一步使学生理解稳态这一概念 第1节细胞生活的环境教学要求 第2节内环境稳态的重要性 第1节通过神经系统的调节第2节通过激素的调节第3节神经调节与体液调节的关系第4节免疫调节 引导学生认识神经 体液 免疫调节在维持个体层次生命系统稳态中的作用 引导学生认识反馈调节的原理 并会建立血糖调节的模型 1 本章教学指向 建议 可以从回顾初中相关知识展开教学 3 本章教学重点 1 说明兴奋在神经纤维上传导和在神经元之间的传递 2 运用建模型的方法 建立血糖调节的模型 3 说出神经调节与体液调节之间的协调关系 4 概述免疫系统在维持稳态中的作用 关于 1 由于该知识相对比较抽象 不容易理解 故是本章教学的难点 教材在介绍这部分内容时 采取了简化处理的方式 图文相配 教师要把握好难度 到位而不越位 不要过多涉及原理的介绍 关于 4 免疫内容多而复杂 教学中要抓住 稳态 这个中心 以 艾滋病问题 为切入口 让学生通过资料分析艾滋病的死因等问题 第1节通过神经系统的调节 第2节通过激素的调节 第3节神经调节与体液调节的关系 第4节免疫调节 第1节植物生长素的发现第2节生长素的生理作用第3节其他植物激素 1 本章教学指向 通过生长素的发现过程 引导学生思考科学研究中的逻辑推理的严密性 建议 教学中要让学生体会逻辑推理的严密性和科学的想象力 围绕发现了什么问题 实验解决了什么问题 尚未解决的问题是什么 如何设计实验 开展教学 3 本章教学重点 1 体验发现生长素的过程和方法 2 尝试探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度 3 评述植物生长调节剂的应用 关于 1 教师要时刻以科学发现中折射出逻辑严密性和科学探究的精神为主线 激发学生的探究欲望 体会其中的科学方法 关于 2 建议教师提出做本实验的预实验 这样可以避免实验时间的浪费 第1节植物生长素的发现 第2节生长素的生理作用 第3节其他植物激素 第1节种群的特征第2节种群数量的变化第3节群落的结构第4节群落的演替 1 本章教学指向 通过 任何生物都不是孤立存在的 这句话 将学习引到群体水平上 理解 整体大于部分之和 的道理 建议 通过具体事例展开讨论来从宏观水平上认识生命系统的层次性 3