細胞核模型的構(gòu)建和應(yīng)用

高 婷 （嘉興外國語學(xué)校 浙江嘉興 314001）

在高中階段“細胞核的結(jié)構(gòu)和功能”教學(xué)中，從微觀到宏觀所涉及的結(jié)構(gòu)具有名稱多、不可見、關(guān)系復(fù)雜等特點。同時學(xué)生又缺乏必要的知識儲備，對結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系存在一定的認知障礙，很難形成相關(guān)的概念體系。即使利用便捷的超輕粘土制作細胞核的模型，也只是突破了個別微觀結(jié)構(gòu)的感性認識［1］，在科學(xué)性方面還不具有很強的操作性。筆者通過對相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究和教學(xué)實踐的不斷改善，通過小組合作的模式，邊學(xué)習(xí)相關(guān)資料，邊選擇材料，逐步組裝模型，讓學(xué)生進一步地理解各結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，使概念可視化、簡單化，并借助概念思維導(dǎo)圖的繪制，提升對細胞核結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的認知?！凹毎四Ｐ椭谱鳌钡慕虒W(xué)路徑如圖1所示。

圖1 “細胞核模型制作”教學(xué)路徑圖

1 構(gòu)建物理模型，使概念由抽象到具體

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，學(xué)習(xí)是學(xué)生在一定的情境中，在他人的幫助下，利用必要的學(xué)習(xí)材料，根據(jù)已有的經(jīng)驗基礎(chǔ)構(gòu)建新的知識體系的過程。這不只是簡單地輸入信息，而是加工、分析、選擇、重組甚至改造已有的知識經(jīng)驗，最終形成新的觀點。構(gòu)建模型可有效地逐步過渡抽象的經(jīng)驗，再歸納為概念，同時可培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、想象能力、創(chuàng)新能力和動手能力，有效地提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

1.1 材料選擇過程 在材料的選擇上，需要盡量能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)或更接近真實。參考各種真實細胞核圖片和模式圖，提取共性結(jié)構(gòu)；教師與每個小組的組長一起學(xué)習(xí)科學(xué)家探究的相關(guān)資料，并探討材料的選擇。學(xué)生會有很多奇思妙想，會有一些教師無法想到的新型材料。在選擇細胞核膜材料時，學(xué)生提出可用“3D”打印技術(shù)實現(xiàn)，但在如何實現(xiàn)雙層膜的問題上，由于技術(shù)的限制，還沒有辦法更加接近真實，這也讓學(xué)生體會到技術(shù)對科學(xué)研究的作用。在選擇核基質(zhì)材料時，學(xué)生產(chǎn)生了2 種不同的意見，經(jīng)討論發(fā)現(xiàn)棉花和水晶泥各有優(yōu)勢，故讓學(xué)生制作時自行決定，最終材料如表1所示（每組所需材料的量）。

1.2 模型制作過程

1.2.1 核膜和核孔復(fù)合體的制作 核膜的制作上難點是雙層膜的體現(xiàn)和核孔復(fù)合體的制作。在核膜上打多大的孔、打多少孔、孔如何排列都是需要查閱資料和圖片。經(jīng)過資料查找，學(xué)生制作的膜就更科學(xué)、更接近實際結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 細胞核核膜模型圖

資料1：核孔復(fù)合體呈八面對稱結(jié)構(gòu)，直徑一般為9～10 nm。核孔復(fù)合體是生物體內(nèi)最復(fù)雜的蛋白質(zhì)復(fù)合體之一，由多達30 多種不同的蛋白質(zhì)，1 000 多個蛋白分子共同構(gòu)建而成。一個細胞核上核孔復(fù)合體總面積占核表面積10%～30%。通常核孔復(fù)合體按照細胞類型以相對固定的數(shù)目成叢分布，但在一定生理階段，一定條件可使核孔復(fù)合體數(shù)目改變。核孔復(fù)合體數(shù)還與轉(zhuǎn)錄活性高低有關(guān)。轉(zhuǎn)錄活躍的爪蟾卵母細胞核孔密度為60 個／μm2。一個細胞核大約有3 000 個核孔，細胞復(fù)制染色體時，一個核孔每分鐘要運進核內(nèi)100 個組蛋白分子。細胞迅速生長時，一個核孔1 min 向細胞質(zhì)運出3 套核糖體的前體單位［2］。

1.2.2 染色質(zhì)的制作 染色質(zhì)是由DNA 和蛋白質(zhì)及少量RNA 組成的，DNA 有多長、DNA 和蛋白質(zhì)是如何纏繞的、RNA 在哪里存在等問題，是在學(xué)生小組自主學(xué)習(xí)時產(chǎn)生的問題，經(jīng)過小組查找資料（圖3），計算相關(guān)數(shù)據(jù)，并且按照比例放大（圖4、圖5）。

圖3 DNA 與蛋白質(zhì)纏繞模式圖

圖4 用棉花做核基質(zhì)的細胞核模型圖

圖5 用水晶泥做核基質(zhì)的細胞核模

資料2：每個人體的DNA 連接起來，其長度是地球到太陽的往返距離的300 倍。其中每個細胞內(nèi)DNA 分子長度約2 m，平均每條染色體所含的DNA 的長度約為5 cm，而細胞核的平均直徑約7～10 μm［3］（1 個DNA 分子可繞細胞核赤道面1 592.4 圈）。

1.2.3 核仁的制作 核仁是細胞核中染色最深的部分，核仁的數(shù)量、大小、所在的位置等都是學(xué)生自主探究時提出的在制作時必需解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過小組查找資料后，將相關(guān)資料歸納整理供大家一起使用。

資料3：核仁通常表現(xiàn)為單一或多個勻質(zhì)的球形小體，是真核細胞間期核中最顯著的結(jié)構(gòu)。核仁的大小、形狀和數(shù)目隨生物的種類、細胞類型和細胞代謝狀態(tài)而變化。蛋白質(zhì)合成旺盛、活躍生長的細胞，例如，分泌細胞、卵母細胞，核仁大，可占總核體積的25%，不具蛋白質(zhì)合成能力的細胞，例如，肌肉細胞、休眠的植物細胞，核仁很?。?］。

2 構(gòu)建概念模型，使思維從淺層到深層

在構(gòu)建物理模型的過程中，學(xué)生對于細胞核結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系有了進一步的理解，在此時再讓學(xué)生構(gòu)建概念模型進而形成思維導(dǎo)圖，能讓學(xué)生的思維得到提升。

在思維導(dǎo)圖的構(gòu)建過程中，以小組為單位，根據(jù)教師提供的相關(guān)材料，構(gòu)建細胞核結(jié)構(gòu)與功能的思維導(dǎo)圖（圖6）。在學(xué)生構(gòu)建時，教師需要給予幫助，同時與學(xué)生互動發(fā)現(xiàn)學(xué)生在構(gòu)建時生成的問題，便于學(xué)生展示環(huán)節(jié)的引導(dǎo)和總結(jié)提升。

圖6 細胞核結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的概念模型［4］

3 模型構(gòu)建過程，使素養(yǎng)從理論到落地

3.1 生命觀念的體現(xiàn) 生命觀是指學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)課程后獲得的標(biāo)志性學(xué)習(xí)成果，是衡量學(xué)生是否受到了良好的生物學(xué)教育的標(biāo)尺［5］。從資料的查找，較為準(zhǔn)確地制作簡易模型的過程中，學(xué)生就能深刻體會結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。同時也體會到精巧的結(jié)構(gòu)決定復(fù)雜的功能，尤其是在對核孔復(fù)合體真面目研究獲得2017年諾貝爾獎，并看到核孔復(fù)合體的真面目時，對學(xué)生來說是非常震撼的，對生命敬畏之心油然而生。

3.2 科學(xué)思維的體現(xiàn) 科學(xué)思維是理論和證據(jù)相互協(xié)調(diào)的過程。在學(xué)生獲取新知識的過程中，由于已掌握的知識理論不夠完善，需通過批判性質(zhì)疑以檢驗和完善已有理論，獲取新的知識［6］。在模型的構(gòu)建過程中，不同的學(xué)生會對材料產(chǎn)生質(zhì)疑，會對制作的程序和方式產(chǎn)生質(zhì)疑，在這些質(zhì)疑中不斷修正，這樣就能將“清晰、準(zhǔn)確、質(zhì)疑、客觀”等思維要素內(nèi)化，從而培養(yǎng)科學(xué)思維素養(yǎng)。

3.3 科學(xué)探究素養(yǎng) 科學(xué)探究是指學(xué)生能針對有價值的問題、疑惑、難題或想法進行研究、基于好奇與困惑理解生命世界和構(gòu)建知識的意愿和能力［7］。整個模型制作的過程，是學(xué)生提出問題、解決問題、構(gòu)建知識概念體系的一個過程，最后的總結(jié)分享環(huán)節(jié)更能體現(xiàn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和展示能力的意愿。

3.4 社會責(zé)任的體現(xiàn) 社會責(zé)任表現(xiàn)了學(xué)生解決問題的意識和能力、對生物學(xué)重要概念的理解和把握，并具有學(xué)以致用的學(xué)業(yè)成就，是他們個人成長和社會進步的“正能量”［8］。在整個制作過程中小組的團隊意識、互助精神和能主動的作為；真實準(zhǔn)確的交流、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄繎B(tài)度和尊重客觀的事實；對于模型的展示和利用都是社會責(zé)任的體現(xiàn)。

4 模型特點、使用方法及效果

4.1 模型特點 物理模型取材容易，制作簡單，形象直觀，可重復(fù)使用，穩(wěn)定性強。概念模型能清晰呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能之間的聯(lián)系，提升學(xué)生的思維。

4.2 使用方法 制作物理模型時，于課前將一組材料包裝后放入打包盒中，學(xué)生6 人一小組，小組內(nèi)再分工，負責(zé)雙層膜的制作、染色質(zhì)的制作、核仁的制作等。制作概念模型時，先給學(xué)生打好基本框架，讓學(xué)生剪貼相關(guān)文字。

4.3 效果分析 模型的逐步組裝過程中，學(xué)生需要不斷了解從微觀到宏觀、從抽象到具體，從個體到整體的認知觀，有效化難為易［1］，也為進一步搭建細胞的三維結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。同時模型還可為物質(zhì)出入核孔、轉(zhuǎn)錄演示等服務(wù)。

培養(yǎng)學(xué)生的建模思想和建模能力是生物學(xué)教學(xué)中的核心任務(wù)之一，也是科學(xué)探究活動的核心方法之一。學(xué)會構(gòu)建合理的模型并運用相關(guān)模型解決問題，是現(xiàn)代高中生物學(xué)教學(xué)的目標(biāo)也是學(xué)生必備的素養(yǎng)，其中構(gòu)建物理模型在教學(xué)中占非常重要的位置。教學(xué)實踐表明，生物結(jié)構(gòu)模型的制作，不僅可幫助學(xué)生記憶與理解原本抽象、微觀和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與創(chuàng)造力，還能進一步豐富教學(xué)資源。