“細(xì)胞滲透吸水原理”的教學(xué)設(shè)計

華 洋 杜玉芬

（1北京市第十四中學(xué) 北京 100053 2北京教育學(xué)院宣武分院 北京 100055）

1 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

必修1《分子與細(xì)胞》的教學(xué)內(nèi)容以細(xì)胞是最基本的生命系統(tǒng)為主線展開，依次講述細(xì)胞的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、功能及其發(fā)展變化。任何一個開放的生命系統(tǒng)，都需要與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”是細(xì)胞基本功能的體現(xiàn)，是細(xì)胞呼吸作用、光合作用等重要代謝活動的基礎(chǔ)。認(rèn)識細(xì)胞中物質(zhì)的輸入和輸出，對于學(xué)生理解細(xì)胞是最基本的生命系統(tǒng)，整體認(rèn)識細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的統(tǒng)一性有重要作用?！凹?xì)胞滲透吸水原理”是學(xué)習(xí)這一部分的起始，教學(xué)內(nèi)容包含細(xì)胞滲透吸水及其他物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗?，要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)，認(rèn)識到細(xì)胞滲透吸水的原理和共性特征，并對比水分子與其他物質(zhì)跨膜運輸?shù)牟町悾治龅贸觥拔镔|(zhì)以多種方式出入細(xì)胞”。這一結(jié)論不僅與前面的教學(xué)中“細(xì)胞膜的功能”相呼應(yīng)，同時也為后面的“生物膜的流動鑲嵌模型”和“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健钡慕虒W(xué)做出重要鋪墊。

從培養(yǎng)能力來說，借助顯微鏡對微觀動態(tài)的過程進(jìn)行有針對性地觀察和判斷，是學(xué)生在高中階段需要培養(yǎng)的重要實驗技能。

2 學(xué)情分析

本教學(xué)面對高一年級學(xué)生，在之前的學(xué)習(xí)中，他們知道細(xì)胞膜可以控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，有制作臨時裝片的經(jīng)驗，學(xué)會了使用數(shù)碼顯微鏡并拍照。教學(xué)前，教師通過訪談得知，相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)為各種物質(zhì)都是以相同方式進(jìn)入細(xì)胞的。由于學(xué)生處于高一年級的第1學(xué)期，認(rèn)識微觀和動態(tài)過程對于他們來說有難度，往往需要感知大量同類事物才能抽象概括出共性特征，進(jìn)而形成概念。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：①描述滲透作用，說出滲透作用發(fā)生的條件；②舉例說明活細(xì)胞通過滲透作用吸水和失水；③說明生物膜與半透膜是有差異的。

2）能力目標(biāo)：操作質(zhì)壁分離的實驗。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：①認(rèn)同物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞與細(xì)胞代謝程度相關(guān)；②認(rèn)同生物體與環(huán)境是相互影響的。

4 教學(xué)重、難點

1）教學(xué)重點：①操作質(zhì)壁分離的實驗，觀察細(xì)胞的失水，說明活細(xì)胞通過滲透作用吸水和失水；②說明生物膜與半透膜有差異。

2）教學(xué)難點：①操作質(zhì)壁分離實驗及對實驗結(jié)果的分析；②說明生物膜與半透膜有差異。

5 教學(xué)過程

圖1為本節(jié)課的主要教學(xué)流程。

圖1 教學(xué)過程

5.1 引入 為了更好地說明滲透裝置中半透膜的特性，也為了課堂開始吸引學(xué)生的注意，激發(fā)興趣，教師先用普通塑料袋與半透膜對比，通過演示實驗證實碘分子等小分子可以通過半透膜，而淀粉分子等大分子不能通過（如圖2所示）。

圖2 半透膜與塑料袋對比實驗

5.2 觀察事實，構(gòu)建概念 該教學(xué)環(huán)節(jié)，是教師引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象、構(gòu)建概念的過程，本節(jié)課的目標(biāo)是形成2個主要概念：活細(xì)胞可以通過滲透作用吸水和失水；生物膜不同于半透膜。

5.2.1 活細(xì)胞可以通過滲透作用吸水和失水為了構(gòu)建“活細(xì)胞可以通過滲透作用吸水和失水”的概念，筆者設(shè)計了5組相關(guān)實驗，目的是讓學(xué)生通過觀察大量事實，并在教師提問引導(dǎo)下，逐步形成概念。

1）滲透裝置系列實驗。教師先利用半透膜制成滲透裝置，再用普通塑料膜替換半透膜制成類似裝置，請學(xué)生對比觀察現(xiàn)象。設(shè)計不同濃度的蔗糖溶液，并將其置于滲透裝置中觀察比較。將漏斗內(nèi)蔗糖溶液和燒杯內(nèi)清水置換，觀察液面變化，最終明確滲透作用的概念和發(fā)生條件是半透膜和膜兩側(cè)的濃度差。

2）植物細(xì)胞可以發(fā)生滲透作用。在確定滲透作用的條件后，教師設(shè)問：細(xì)胞是否具備這樣的條件？要求學(xué)生利用洋蔥或黑藻為材料完成質(zhì)壁分離的實驗操作，并利用數(shù)碼顯微鏡拍出處理前、后的照片，觀察變化，嘗試解釋其原因并相互交流。學(xué)生在描述實驗現(xiàn)象時，會對發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生困惑，例如以紫色洋蔥為觀察材料時，學(xué)生會認(rèn)為液泡縮小了；以黑藻為實驗材料時，學(xué)生通過葉綠體的位置可以判斷縮小的是以細(xì)胞膜為邊界的原生質(zhì)體，但不能準(zhǔn)確說出液泡的變化。學(xué)生之間通過交流照片和討論，認(rèn)識到與細(xì)胞壁分離的是由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和液泡膜構(gòu)成的原生質(zhì)層。此時教師利用細(xì)胞模式圖總結(jié)歸納原生質(zhì)層和質(zhì)壁分離的概念。通過對掃描電鏡下植物細(xì)胞壁的觀察，學(xué)生不難理解細(xì)胞壁對于分子來說幾乎是全透的，真正具備半透膜特性的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是原生質(zhì)層。借助微觀模式圖，師生分析當(dāng)細(xì)胞處于較高濃度的蔗糖溶液中時，蔗糖分子可以通過細(xì)胞壁，但不能通過原生質(zhì)層，原生質(zhì)層兩側(cè)的濃度差導(dǎo)致水分子的總體運動趨勢是擴(kuò)散出細(xì)胞，使原生質(zhì)體縮小，發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。類比滲透裝置，細(xì)胞失水的過程滿足具有半透膜（原生質(zhì)層）和膜兩側(cè)濃度差的條件，師生共同總結(jié)質(zhì)壁分離的原因是細(xì)胞發(fā)生滲透作用失水。教師此時提問：如何使細(xì)胞恢復(fù)到原來狀態(tài)？引導(dǎo)學(xué)生分析使質(zhì)壁分離復(fù)原的實驗處理。最終達(dá)成共識：成熟的植物細(xì)胞構(gòu)成一個滲透系統(tǒng)。

在利用黑藻做實驗時，教師發(fā)現(xiàn)除了可以觀察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象外，葉綠體的運動也明顯減弱。由于葉綠體運動所體現(xiàn)的胞質(zhì)環(huán)流與細(xì)胞代謝密切相關(guān)，失水導(dǎo)致難以觀察到胞質(zhì)環(huán)流，表明了水分子對新陳代謝活動的影響。于是，教師將這一過程拍攝記錄并在課堂上播放，提示學(xué)生有針對性地觀察，將水分出入細(xì)胞與細(xì)胞代謝相聯(lián)系，與前面的教學(xué)形成呼應(yīng)。

3）多種生物細(xì)胞均可以發(fā)生滲透作用。如果實驗只停留在植物細(xì)胞，學(xué)生會對其他細(xì)胞的情況產(chǎn)生疑問，也難以將滲透作用的概念擴(kuò)展到其他種類的細(xì)胞。教師在課前選用真菌細(xì)胞（根霉見圖3，雙孢菇見圖4）和動物細(xì)胞（豬血細(xì)胞見圖5）做實驗材料并進(jìn)行相同處理，并拍下實驗結(jié)果，課上與學(xué)生一起觀察，歸納共性特征，最終概括出細(xì)胞吸水和失水的共同特點：當(dāng)外界溶液濃度低于細(xì)胞內(nèi)部溶液時，細(xì)胞發(fā)生滲透作用吸水，反之，細(xì)胞發(fā)生滲透作用失水。

圖3 根霉細(xì)胞的“質(zhì)壁分離”

圖4 雙孢菇細(xì)胞的“質(zhì)壁分離”

圖5 豬血細(xì)胞（示紅細(xì)胞）相關(guān)實驗

4）只有活細(xì)胞才可以發(fā)生滲透作用。只有活細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)才具有選擇透過性，但本節(jié)課從開始就是在用細(xì)胞膜與不具備生物活性的半透膜進(jìn)行類比，由于學(xué)生此時還未學(xué)習(xí)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，也沒有意識到細(xì)胞死活對物質(zhì)跨膜運輸?shù)挠绊憽Ｒ虼私處熢O(shè)計了用鹽酸處理細(xì)胞后再加30%蔗糖溶液的實驗，學(xué)生不僅觀察到細(xì)胞無法質(zhì)壁分離，還觀察到了視野變紅的現(xiàn)象。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生分析死細(xì)胞的細(xì)胞膜不能阻止蔗糖分子的出入，因而不會出現(xiàn)質(zhì)壁分離；而視野變紅是死細(xì)胞不完整的液泡膜和細(xì)胞膜都不能阻止細(xì)胞內(nèi)色素向外擴(kuò)散的結(jié)果。這時，學(xué)生認(rèn)識到活細(xì)胞的膜才能控制物質(zhì)的進(jìn)出。同時也傳遞給學(xué)生一個信息，細(xì)胞膜有別于半透膜，從另一個角度也提示了質(zhì)壁分離實驗可以檢驗植物細(xì)胞的死活。

5）生物與環(huán)境相互影響。生物具有多樣性，這種多樣性也體現(xiàn)在質(zhì)壁分離現(xiàn)象中。教師根據(jù)預(yù)實驗，選擇了15%的蔗糖溶液分別處理黑藻和洋蔥，通過對比，學(xué)生發(fā)現(xiàn)2種細(xì)胞質(zhì)壁分離的程度不同（圖6）。在問題的引導(dǎo)下，學(xué)生不僅比較出兩者細(xì)胞液濃度的高低，并深入思考細(xì)胞液濃度為何不同。用生物與環(huán)境的視角分析就會發(fā)現(xiàn)：不同的生存環(huán)境造就了細(xì)胞間的差異，而最終形成的特征也是對環(huán)境適應(yīng)的體現(xiàn)。

圖6 相同濃度蔗糖溶液下黑藻（左）和洋蔥表皮細(xì)胞（右）質(zhì)壁分離的情況

5.2.2 生物膜不同于半透膜 該環(huán)節(jié)的教學(xué)希望學(xué)生能直接或間接觀察到其他物質(zhì)以不同于水分子的方式進(jìn)出細(xì)胞，對比發(fā)現(xiàn)“生物膜不同于半透膜”。

首先用5%硝酸鉀溶液和洋蔥進(jìn)行實驗，引導(dǎo)學(xué)生通過一系列照片觀察到質(zhì)壁分離自動復(fù)原的現(xiàn)象，并分析質(zhì)壁分離復(fù)原的原因，在教師引導(dǎo)下判斷鉀離子或硝酸根離子可以進(jìn)入細(xì)胞。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)問：鉀離子等又以何種方式進(jìn)入細(xì)胞？

實物展示研究中常用的平行人工膜滲透模型（PAMPA），并介紹原理，說明水分子可以通過，而鉀離子和硝酸根離子不能通過這一模型（圖7）。表面上與學(xué)生剛形成的認(rèn)知“鉀離子或硝酸根離子可以進(jìn)入細(xì)胞”形成沖突。請學(xué)生利用所學(xué)比較人工膜與生物膜成分的差異，并利用已有知識分析得出：鉀離子等以不同于水分子的其他方式進(jìn)入細(xì)胞；這一過程可能需要蛋白質(zhì)的協(xié)助。從而形成認(rèn)識：生物膜可選擇性地允許某些分子出入，因而不同于半透膜。這也為后面“生物膜的流動鑲嵌模型”和“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健钡慕虒W(xué)埋下伏筆。

圖7 平行人工膜滲透模型及原理

6 教學(xué)反思

觀察現(xiàn)象、構(gòu)建概念是本節(jié)課設(shè)計的重要環(huán)節(jié),本教學(xué)設(shè)計的主要實驗內(nèi)容及目的如圖8所示。

雖然本節(jié)課涉及多個實驗，但它們之間是層層遞進(jìn)的。從物理模型到生命現(xiàn)象，從多種植物細(xì)胞到其他真核細(xì)胞，從活細(xì)胞到死細(xì)胞，從細(xì)胞的共性到細(xì)胞間的差異，從水分子出入細(xì)胞到其他物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，從簡單的觀察現(xiàn)象到利用先進(jìn)研究工具測量的結(jié)果。在這樣的事實面前，教學(xué)才可以層層深入，師生每一個結(jié)論的得出都有證據(jù)的支持，充分體現(xiàn)了科學(xué)課以事實為依據(jù)的特點。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的概念才能被學(xué)生真正理解，并能夠遷移。

本節(jié)課的學(xué)習(xí)需要應(yīng)用相關(guān)的生物學(xué)方法和技能，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象和事實，在大量事實面前形成觀點和態(tài)度，最終形成概念。在教學(xué)中注重應(yīng)以事實做為引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建的依據(jù)，對每一個問題的解答，都利用實驗發(fā)現(xiàn)答案。最終由特殊 （個例）到一般（共性），形成概念。更重要的是，形成以事實和實驗為依據(jù)的良好思維習(xí)慣，即生物學(xué)科素養(yǎng)。

興趣是最好的老師。本節(jié)課在實驗的基礎(chǔ)上，展示了大量的微觀現(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)生的興趣。即使是微小的生物學(xué)現(xiàn)象，也能體現(xiàn)生物學(xué)科基本觀點。教師在教學(xué)中經(jīng)常敏銳地捕捉和滲透，勢必會對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成產(chǎn)生深遠(yuǎn)和積極的影響。

主要參考文獻(xiàn)

［1］朱正威.教學(xué)設(shè)計重在“學(xué)”的設(shè)計.生物學(xué)通報，2011,46(11):20.