挖掘“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸”的“能量本質(zhì)”的教學(xué)探討

肖巧玲 李越

生命系統(tǒng)存在于無機(jī)世界之中，必然遵循萬物之理——物理。教師將生物學(xué)知識放在物理情境下解釋，將有助于學(xué)生更加準(zhǔn)確地把握知識點(diǎn)?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》中要求：初步形成生物體的結(jié)構(gòu)與功能、局部與整體、多樣性與統(tǒng)一性的觀點(diǎn)。把生命活動(dòng)在局部的結(jié)構(gòu)和功能的多樣性建立在整個(gè)自然的結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一性的物理學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)之上，這也有助于學(xué)生形成科學(xué)的世界觀和辯證唯物主義的自然觀。下面以“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸”一節(jié)教學(xué)為例探討如何在生物學(xué)課堂中滲透物質(zhì)運(yùn)輸?shù)哪芰勘举|(zhì)。

1 “物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”教材分析

1.1 教材分析

人教版從《必修1·分子與細(xì)胞》“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”一節(jié)開始介紹細(xì)胞的功能，承接了前面3章所介紹的細(xì)胞的分子組成和細(xì)胞結(jié)構(gòu)。這一章圍繞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，由淺入深，由感性到理性，循序漸進(jìn)地向?qū)W生說明了細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，以及二者相統(tǒng)一的觀點(diǎn)?！拔镔|(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”這一教學(xué)內(nèi)容一個(gè)重要的知識點(diǎn)是滲透的原理，教材中采用半透膜的物理裝置通過液柱的移動(dòng)來呈現(xiàn)滲透現(xiàn)象。

1.2 對“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”常用的教學(xué)方式分析

（1） 常用的教學(xué)方式：

利用物理滲透裝置介紹滲透的相關(guān)原理，再引入對哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞以及成熟的植物細(xì)胞吸水和失水現(xiàn)象的分析比較是教師對這部分內(nèi)容常見的教學(xué)程序：① 教師從生活經(jīng)驗(yàn)入手，用墨水在清水中的擴(kuò)散等為例，吸引學(xué)生注意力，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)情境。對于物理滲透裝置，多數(shù)教師的處理方式是圍繞滲透作用發(fā)生的兩個(gè)條件——具有半透膜、存在濃度差，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或圍繞課本“問題探討”中的三個(gè)問題設(shè)計(jì)問題串。傳統(tǒng)教學(xué)中，部分的學(xué)習(xí)以學(xué)生認(rèn)識到滲透作用發(fā)生的兩個(gè)條件為最終目標(biāo)，然后教師以這一學(xué)習(xí)結(jié)果為前提，幫助學(xué)生理解動(dòng)植物細(xì)胞的滲透實(shí)驗(yàn)；② 通過回憶以哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞為材料制備細(xì)胞膜的實(shí)驗(yàn)，教師帶領(lǐng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、條件等，然后將其與物理滲透裝置進(jìn)行類比，得出哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的細(xì)胞膜相當(dāng)于一層半透膜，并繼續(xù)推廣到其他動(dòng)物細(xì)胞；隨后，對于成熟植物細(xì)胞，教師引導(dǎo)學(xué)生分析成熟植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)合前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生提出問題：“水分跨成熟植物細(xì)胞的運(yùn)輸是通過滲透作用完成的嗎？”然后，用滲透的觀點(diǎn)作出假設(shè)；最后師生通過完成成熟植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)以及類比前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證假說。

（2） 教學(xué)分析：

以上教學(xué)看似完美，但在訪談中仍發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)過“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”一節(jié)后仍有這樣的疑惑：從物理學(xué)概念“力”的角度看，支持上升的這一段液柱的力是什么力？從“能量”的角度看，物理學(xué)中的重要思想——能量守恒定律講的是能量不可能憑空產(chǎn)生，也不可能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，那么，上升的一段液柱所帶來的重力勢能的增加是從何而來？由于漏斗內(nèi)是蔗糖溶液，燒杯里是清水，即漏斗內(nèi)的蔗糖溶液濃度始終高于燒杯中溶液，按照課本上的思路，水分子理應(yīng)持續(xù)不斷的從燒杯中向漏斗中滲透，那么，水分子的運(yùn)動(dòng)究竟怎樣能夠達(dá)到平衡呢？

這些疑問說明學(xué)生并沒有真正理解滲透現(xiàn)象的科學(xué)原理，只是暫時(shí)記住了滲透作用發(fā)生的兩個(gè)條件，而對于為什么滿足了這兩個(gè)條件就會(huì)有液面升高沒有深刻的認(rèn)識，也不能深刻地理解這兩個(gè)條件的意義。教材所隱含的大量教學(xué)資源也需要被挖掘，如對于物理滲透裝置中涉及到的能量、滲透壓等概念。只有當(dāng)學(xué)生將新知識與原有的能量、壓強(qiáng)等知識結(jié)合起來，對這液柱進(jìn)行深入的討論，上述隱藏在學(xué)生思維深處的困惑才會(huì)外顯出來，所以對這段上升液注的討論是突破現(xiàn)象看本質(zhì)的鑰匙。

2 相關(guān)文獻(xiàn)探討

通過對中國知網(wǎng)收錄的相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，共收集到三篇關(guān)于對該節(jié)內(nèi)容教學(xué)策略進(jìn)行探討的論文。① 汪忠教授（2006年）關(guān)于這一節(jié)教學(xué)的研究，建議通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，從現(xiàn)象中得出結(jié)論，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到結(jié)論的過程，并且改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論的科學(xué)素養(yǎng)。② 劉小平（2011年）以杠桿平衡演示實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，以問題為導(dǎo)向進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，通過層層鋪墊、巧設(shè)“路標(biāo)”引領(lǐng)學(xué)生自主提出問題、探究問題、獲得結(jié)論。③ 洪永清（2015年）提出通過觀察滲透現(xiàn)象，探究動(dòng)物細(xì)胞在不同濃度溶液中形態(tài)發(fā)生變化的原因，實(shí)施“植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”實(shí)驗(yàn)等教學(xué)過程，使學(xué)生在習(xí)得相關(guān)知識的同時(shí)領(lǐng)悟科學(xué)探究的一般過程和方法。這三種教學(xué)策略各有特點(diǎn)，教學(xué)目標(biāo)都以領(lǐng)悟探究過程、培養(yǎng)探究能力為主，但都是局限在生物學(xué)這一范疇進(jìn)行討論。這使得這一部分內(nèi)容成為了知識海洋中的一個(gè)孤島，學(xué)生回憶起這一內(nèi)容時(shí)，很難和其他學(xué)科知識建立聯(lián)系。

文獻(xiàn)查閱還可知有教師也發(fā)現(xiàn)學(xué)生對動(dòng)態(tài)平衡機(jī)理產(chǎn)生疑惑，但對此的教學(xué)建議是用化學(xué)反應(yīng)中的動(dòng)態(tài)平衡原理來類比解釋，并沒有解答與該現(xiàn)象發(fā)生有關(guān)的能量的原理。這樣的教學(xué)處理易導(dǎo)致學(xué)生通過淺層表象來記憶，根本上沒有擺脫機(jī)械記憶的桎梏。只有當(dāng)學(xué)生能夠從“滲透壓”與“能量轉(zhuǎn)化”關(guān)系這一知識層次解釋這一現(xiàn)象時(shí)，知識框架才會(huì)在學(xué)生腦子里建立起來，形成真正的科學(xué)知識體系。

2 基于跨學(xué)科教學(xué)角度的教學(xué)建議

2.1 理解“滲透”的科學(xué)過程

在科學(xué)術(shù)語中，擴(kuò)散是指物質(zhì)中的分子由高濃度向低濃度運(yùn)動(dòng)，直至均勻分布、達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的現(xiàn)象。很多教師從擴(kuò)散的概念出發(fā)，將水的運(yùn)動(dòng)方向總結(jié)為：水分子的運(yùn)動(dòng)是順著濃度梯度而流動(dòng)。這一解釋并未觸及擴(kuò)散的本質(zhì)。無論是在氣體、液體或者是固體中，凡存在濃度差即存在能量，物質(zhì)的擴(kuò)散本質(zhì)上是在能量的推動(dòng)下進(jìn)行的。人教版中關(guān)于滲透壓的定義是“所謂溶液滲透壓，簡單地說，是指溶液中溶質(zhì)微粒對水的吸引力”，這一描述學(xué)生不容易理解。事實(shí)上，滲透壓是溶液的固有屬性，在數(shù)值上等于施加于濃溶液液面上的恰好能阻止?jié)B透繼續(xù)發(fā)生的額外壓強(qiáng)。范托夫公式表示，在一定溫度下，溶液的滲透壓與單位體積溶液中所含不能通過半透膜的溶質(zhì)的粒子數(shù)（分子數(shù)或離子數(shù)）成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。

典型的滲透裝置（圖1）中有三種狀態(tài)要注意分析。圖1a所示滲透作用剛開始，此時(shí)，漏斗內(nèi)蔗糖溶液的滲透壓遠(yuǎn)大于燒杯中的滲透壓。水分子進(jìn)入漏斗的速率大于出來的速率，從而導(dǎo)致漏斗內(nèi)液面升高，繼而升高的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)越來越大，同時(shí)隨著水分子進(jìn)入漏斗，漏斗內(nèi)的溶液濃度降低，滲透壓降低。圖1b所示漏斗內(nèi)滲透壓降低到與上升的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等時(shí)，水分子進(jìn)出漏斗的速率一致。此時(shí)漏斗內(nèi)稀溶液的滲透壓等于漏斗中高出燒杯液面的液注產(chǎn)生的壓強(qiáng)，即1b圖中，漏斗內(nèi)溶液的滲透壓的大小等于高度為h的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)。如圖1c所示，也可以用一個(gè)外力來抵消滲透壓的作用，使水分子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，以上三個(gè)圖示的分析，便能把滲透壓的概念量化成一定高度的水柱或者是一個(gè)固定大小的外力產(chǎn)生的壓強(qiáng)，便于學(xué)生理解。同時(shí)這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了由滲透壓產(chǎn)生的能量向水柱的重力勢能的轉(zhuǎn)化。

2.2 將科學(xué)過程轉(zhuǎn)化為教學(xué)過程

物理滲透裝置是整節(jié)課的開始，也是最直觀，最簡潔的展示科學(xué)過程的教學(xué)內(nèi)容。如何在物理滲透裝置部分幫助學(xué)生理解科學(xué)過程是教學(xué)成敗的關(guān)鍵。建議教師以效果顯著的課堂實(shí)驗(yàn)為開端輔以課件展示，以學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)和知識為基礎(chǔ)，圍繞能量概念和原理鋪設(shè)問題、解釋滲透作用，引導(dǎo)學(xué)生用滲透作用解釋動(dòng)植物細(xì)胞的吸水和失水，最終將復(fù)雜的生物新知識與學(xué)生已有的能量等物理知識相結(jié)合，從而幫助學(xué)生建構(gòu)自身的知識體系。

第一環(huán)節(jié)：問題驅(qū)動(dòng)引出“能量”本質(zhì)。

教師利用自制的物理滲透裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，教師依次拋出3個(gè)問題：實(shí)驗(yàn)前后，實(shí)驗(yàn)裝置都發(fā)生了哪些變化？驅(qū)使液面上升的力是什么力？能量不可能憑空產(chǎn)生，也不可能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，那么，上升的這一段液柱所帶來的重力勢能的增加從何而來？由于受到知識儲(chǔ)備的限制，高中生往往很難把濃度的改變和液注上升聯(lián)系起來。這就需要教師幫助學(xué)生突破限制，指出上升的液柱所產(chǎn)生的重力勢能來自于蔗糖溶液和清水之間的濃度差產(chǎn)生的能量，并且說明半透膜在這一過程中允許水分子通過，而不允許蔗糖分子通過，從而造成漏斗液面升高，引導(dǎo)學(xué)生嘗試?yán)梦锢韺W(xué)中的能量守恒的觀點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)和歸納。教師還可以通過概括的方式，在更多的科學(xué)事實(shí)下幫助學(xué)生得到一個(gè)觀點(diǎn)：凡存在濃度差，即存在能量，如香水分子在空氣中的傳播等。

第二環(huán)節(jié)：類比方法直觀認(rèn)識“能量”。

教師通過課件的形式，幫助學(xué)生回顧以哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞為材料制備細(xì)胞膜的實(shí)驗(yàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生利用濃度差即為能量這一觀點(diǎn)分別解釋在低滲、高滲溶液中水分子發(fā)生滲透的方向以及紅細(xì)胞的行為變化，進(jìn)而學(xué)生可以將其與物理滲透裝置進(jìn)行類比，從細(xì)胞體積形態(tài)的變化，直觀感受能量帶來的細(xì)胞膜的伸縮運(yùn)動(dòng)。

第三環(huán)節(jié)：圍繞“能量”探究學(xué)習(xí)。

教師從生活現(xiàn)象入手進(jìn)行提問，結(jié)合前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題：植物細(xì)胞吸水和失水是通過滲透作用完成的嗎？教師引導(dǎo)學(xué)生用物理概念和規(guī)律對植物細(xì)胞失水現(xiàn)象進(jìn)行解釋，即做出假設(shè)的過程。教師要求學(xué)生結(jié)合成熟植物細(xì)胞的模式圖解生理解細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)、液泡等結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中所起到的作用，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)施實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假說，得出結(jié)論。這樣做的目的是使學(xué)生能夠剝離出非本質(zhì)的因素，在成熟植物細(xì)胞這一特定的情景下利用概括性更大的原理解釋質(zhì)壁分離與復(fù)原實(shí)驗(yàn)。

4 反思

德國物理學(xué)家普朗克曾經(jīng)說過：“科學(xué)是內(nèi)在的統(tǒng)一體，它被分解為獨(dú)立的部門不是由于事物的本質(zhì)，而是由于人類認(rèn)識能力的局限性，實(shí)際上存在著從物理到化學(xué)，通過生物學(xué)和人類學(xué)到社會(huì)學(xué)的連續(xù)鏈條?！庇捎诟鲗W(xué)科內(nèi)部自成體系，對同一問題的解釋常出現(xiàn)表達(dá)的不同，各學(xué)科教學(xué)中也常常出現(xiàn)知識重疊、知識點(diǎn)前后銜接不上、教學(xué)資源的浪費(fèi)等。教學(xué)過程中，教師需要站在多學(xué)科的角度思考生物知識，運(yùn)用學(xué)生熟悉的其他領(lǐng)域的知識解釋生物概念往往能取得意想不到的效果。

參考文獻(xiàn)：

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