从分子水平例析高中生物学的结构与功能观
全国庆
摘要：结构与功能观是生命观念的重要组成部分，人教版高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》对分子水平的结构与功能观进行了进一步挖掘和渗透。本文概括了其重要的教学价值，并以几种主要分子为例进行了深入解析，促进学生形成系统的、全面的结构与功能观，并应用这一观念分析和解决生活、生产中的一些生物学问题，达到知识的理解、迁移与应用。
关键词：分子水平? 结构与功能观? 核心素养
生命观念是生物学学科核心素养的支柱和基础，结构与功能观又是生命观念的重要组成部分。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）中对结构与功能观的解读为“结构与功能相统一”或“结构与功能相适应”，即一定的结构必然有与之相对应的功能存在，且任何功能都需要一定的结构来完成。
人教版教科书《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称新教材必修1）对结构与功能观的培养进行了系统布局，尤其在分子水平对结构与功能的关系进行了挖掘和延展，增加了许多内容，这是与实验版教材的重大变化，对我们紧扣核心素养、优化教学效果具有重要意义。
一、分子水平的结构与功能观的教学价值
（一）是学生形成系统的结构与功能观的基础
在高中生物学中，对结构与功能观要多层次、多维度认识，培养学生形成相互联系的、动态变化的、作用与反作用的结构与功能观，才是生物学的结构与功能观。分子是构成生命系统的基本微粒，分子的结构及特点不仅决定了分子本身的功能，而且影响其他层次的结构与功能，学生只有深刻理解了分子水平的结构与功能观，才能真正理解亚细胞、细胞、组织、器官、个体等各个层次的结构与功能观，这正是我们在以往的教学中忽视的问题。因此，理解并领悟分子水平的结构与功能观是学生建立系统的结构与功能观的基础。
（二）是促进学生概念进阶、素养提升的基础
扎实推进大概念教学是培养学生生物学科核心素养的重要途径。大概念的形成、拓展和深化都是从学生掌握全面的结构与功能观开始的，所有生命过程都有其分子基础，尤其是一些微观层面的大概念的形成和进阶，都是以学生掌握分子水平的结构与功能观为前提。新教材必修1中科学家访谈——施一公，他就是结构生物学家，他说：“结构决定功能，这是所有物质科学的基本共识。”从某种意义上来说，所有物质科学研究的目标都是理解结构，从而诠释功能和机理、找寻规律。分子水平的结构与功能观与我们的生产、生活实际紧密相连，在教学中以分子水平的结构与功能观设计情境，引导学生思考、探究、分析社会发展和生产生活方面存在的问题。因此，理解并领悟分子水平的结构与功能观是学生大概念形成和进阶、学科核心素养不断提升的基础。
二、结构与功能观在分子水平的例析
（一）水分子中的结构和功能观
新教材必修1增加了水的结构和特性这一部分内容，其目的是引导学生从水分子的结构出发，理解水的功能。水分子自身的结构及特性决定了其具有溶解性。水分子的空间结构及电子的不对称分布，使得水分子成为一种极性分子。帶电荷的分子（或离子）都容易与水结合，水的这种特性使很多的物质都能溶解其中，这对生物体的生命活动非常重要，如葡萄糖和无机盐都需要溶解在水中才能被吸收或利用。
水分子之间的作用力特点决定了其具有流动性。相邻水分子之间弱的吸引力可以形成氢键，由于氢键相对较弱，易被破坏，且只能维持极短的时间，水分子才有了移动的机会，且不断地重新形成，使得水在常温下能够维持液体状态，具有流动性。水的这一结构特点决定了它在生物体内的物质运输过程中发挥重要作用。水的流动性还非常有益于生物体内化学反应的高效进行。由于氢键的存在，水具有较高的比热容，使水的温度具有相对稳定性，这对于维持生命系统的稳定性十分重要。
引导学生从水的结构出发理解水的功能，同时认识到功能的实现离不开结构的支持，这有助于学生初步形成辩证的结构和功能相适应的观念。新教材应用化学、物理学科知识阐释水的结构与特性，体现了跨学科教育的思想，对于培养学生的综合素质非常重要。水的结构与功能充分诠释了没有水就没有生命的道理，以此教育学生节约用水，培养学生的生命观念和社会责任。
（二）脂肪分子和磷脂分子中的结构和功能观
新教材必修1不仅给出了脂肪的概念，还展示出一种脂肪分子的结构图，这样有利于学生理解脂肪的构成，进而理解其功能，加深对结构与功能观的印象。脂肪分子的元素组成及其含量决定了其是良好的储能物质。脂肪和糖类相比，脂肪中氢含量高、氧含量低，所以同等质量的脂肪和糖类氧化分解，脂肪释放的能量更多，这充分体现了结构和功能的相统一。例如，骆驼的驼峰中贮存了大量的脂肪，可以在没有食物的情况下生存大约一个月之久。
动物脂肪在常温下的存在状态赋予其保温、保护的功能。大多数动物脂肪含有饱和脂肪酸，其结构整齐，呈直链状，分子间距比较密集，熔点较高，容易凝固，是一种很好的绝热体，可以起到保温作用。严寒地区或进行冬眠的动物如海豹、鲸、企鹅、熊等的皮下都有厚厚的脂肪层，用作储能物质。动物脂肪在常温下的凝固态使其具有缓冲和减压的作用，使动物在参与剧烈运动时可以减少伤害。大多数植物脂肪含有不饱和脂肪酸，由于其氢原子数目没有达到饱和，容易被氧化，所以其具有清理血栓和调节血脂的功能，对人体健康有益。
磷脂是一种非常重要的脂类，新教材必修1明确指出了磷脂和脂肪的结构上的区别，这对于引导学生理解磷脂的功能非常必要。其一端为亲水的“头”部，另一端为疏水的“尾”部，因此，磷脂分子在充满水的细胞环境中就形成了亲水端朝外，疏水端朝内的双分子层，这个结构特点决定了其是构成生物膜基本支架、协助完成生物膜功能的最适合物质。根据相似相溶原理和大量实验证明，磷脂参与构成的生物膜具有屏障作用，使细胞或细胞器内部环境相对稳定。磷脂分子能够侧向自由流动，分子间形成空隙，膜中的蛋白质也能运动，这样使膜具有流动性。膜的流动性是生物膜能够进行跨膜转运物质的结构基础，这对于细胞完成物质运输、生长、分裂、运动等功能都是非常重要的。
我们以脂肪的结构与功能为基础，逐步演绎推理磷脂和细胞膜的结构与功能，促进学生完整全面的结构与功能观的形成和大概念的进阶深化，培养了科学探究的意识和科学思维的能力。
（三）蛋白质分子中的结构和功能观
从化学的角度分析，蛋白质是目前已知的结构最复杂、功能最多样的生物大分子。虽然组成人体蛋白质的氨基酸仅有21种，但氨基酸构成蛋白质时化学结构和空间结构千变万化，这样就决定了蛋白质的功能极其多样。蛋白质的分子结构是其承担重要功能的物质基础。下面以新教材增加的转运蛋白和蛋白质变性为例阐释结构和功能的关系。
转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白两类，其功能是协助物质跨膜运输。载体蛋白只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过，而且每次转运时都会发生自身构象的改变，使其结构具有特异性，一种载体蛋白只能转运一种类型的物质，这对跨膜运输的精准实施具有决定性的作用。通道蛋白的活性由通道开或关两种构象所调节，只容许与自身通道的直径和性状相匹配的分子或离子通过，具有离子选择性，经通道蛋白运输的方式都是协助扩散，这是新教材新添加的内容，凸显了对结构和功能观的高度重视和着力培养。
新教材必修1增加了对蛋白质变性机理的阐释，从逆向思维的角度加深了学生对结构与功能观的理解。正常情况下，蛋白质通过肽链盘曲、折叠和次级键的连接等方式形成复杂、稳定、有序的空间结构。当蛋白质受到能使其变性的理化因素影响时，虽然其化学组成没有改变，但空间结构发生了深刻改变，导致变性后的蛋白质的很多理化性质和生理功能发生改变，如溶解度降低、酶失去催化能力等。蛋白质的变性现象充分说明了物质结构（包括化学结构和空间结构）的改变影响其功能和特性的变化，从反面进一步阐释了结构与功能相适应的观念。
（四）核酸分子中的结构和功能观
新教材必修1的文字和配图都明确指出核酸是由核苷酸连接而成的长链，意指RNA在结构上与DNA具有一致性，都是由核苷酸以磷酸二酯键连接而成的。通过引导学生对DNA和RNA化学组成及其连接方式的层层分解，让学生认识到DNA和RNA的结构本质是核苷酸的排列顺序，顺序也属于结构，其中包含大量的信息，进而理解并感悟出遗传信息的本质，为进一步学习细胞分裂、遗传规律、基因工程等奠定基础。
结构与功能相统一的观念贯穿遗传学的始终，核酸的结构与功能相统一是基础，核酸的特异结构与其强大的功能密不可分，这是生物学结构与功能观的最好诠释，是培养学生结构与功能观的最好素材。核酸的结构与功能的统一在科学实践和卫生健康领域有广泛的应用。DNA指纹技术在如亲子鉴定、案件侦破、物种分类鉴定、防拐卖儿童等方面都发挥着巨大的作用。部分病毒的遗传信息储存在RNA中，如新型冠状病毒，现在应用核酸的特异性，通过采集人的咽拭子就可以快速检测有没有感染冠状病毒，这对疫情防控非常重要。
总之，纵观人教版新教材与实验版教材的变化，结构与功能观的强化与拓展是最显著的特征之一，而分子水平对学生进行结构与功能观的塑造和培养至关重要。我们通过对新教材的深刻理解、精心教学，让学生明白细胞是由各种各样的分子组成的，每种分子在细胞中都有自己独特的结构和重要的功能，他们共同组成细胞这个基本的生命系统，乃至更高层次的生命系统;让学生理解每个层次生命系统的结构与功能都是相互统一、相互适应的，这是生物与环境长期相互作用的结果，是生物进化的产物，从而逐步形成科学、全面、完整的结构与功能观，生物学科的核心素养也在此过程中得到充分培养和提高。
参考文獻：
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