基于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”教學(xué)設(shè)計(jì)

謝雯菁 荊林海 徐國(guó)艷

（1北京師范大學(xué)燕化附屬中學(xué) 北京 102500 2北京市基礎(chǔ)教育研究中心 北京 100088 3北京市燕山教研中心 北京 102500）

1 教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：“從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)”?！拔镔|(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”一節(jié)是高二學(xué)生所接觸的第1節(jié)探究?jī)?nèi)容的課程，如何“創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究的情境”，如何“基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維分析生命現(xiàn)象，樹立生命觀念”是設(shè)計(jì)這節(jié)課的指導(dǎo)思想。

2 教學(xué)分析

2.1 教材分析 本節(jié)是高中生物學(xué)（人民教育出版社）必修1第4章第1節(jié)的內(nèi)容，是知識(shí)體系中細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能2個(gè)部分的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，主要包括：“滲透裝置”“水分進(jìn)出動(dòng)、植物細(xì)胞的實(shí)例”“其他物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”3個(gè)部分的內(nèi)容。

2.2 學(xué)情分析 通過(guò)前幾章的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)，本節(jié)教學(xué)中應(yīng)注重對(duì)實(shí)例的分析探討，讓學(xué)生體會(huì)結(jié)構(gòu)與功能間的聯(lián)系。此外，本節(jié)涉及的實(shí)例較多，應(yīng)對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)和整合，有助于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，理解生命現(xiàn)象。

2.3 教學(xué)目標(biāo) 能通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，說(shuō)出水分滲透的原理；能通過(guò)實(shí)驗(yàn)類比，說(shuō)出動(dòng)、植物細(xì)胞失水或吸水的條件，體會(huì)穩(wěn)態(tài)與平衡的觀念；嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能舉例說(shuō)明原生質(zhì)層的選擇透過(guò)性，體會(huì)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

2.4 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：①動(dòng)、植物細(xì)胞失水或吸水的條件；②原生質(zhì)層的選擇透過(guò)性。

2）難點(diǎn)：原生質(zhì)層的選擇透過(guò)性。

3 教學(xué)過(guò)程

本節(jié)課主要通過(guò)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)照片及視頻資料，創(chuàng)設(shè)探究的情境；再基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析、推理、總結(jié)。考慮到課堂實(shí)驗(yàn)的條件所限及教學(xué)環(huán)節(jié)的完整性，本節(jié)課中所涉及的4組實(shí)驗(yàn)均由教師與部分學(xué)生在課前完成，錄制成視頻在課堂展示。

3.1 情境創(chuàng)設(shè) 以“輸液”的話題引入，讓學(xué)生思考“為什么要選用0.9%NaCl溶液作為注射用溶劑？”目的在于讓學(xué)生能根據(jù)自身生活經(jīng)驗(yàn)及原有知識(shí)儲(chǔ)備，基本了解本課所要探究的問(wèn)題，即水分的跨膜運(yùn)輸。

3.2 分析滲透實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透基本規(guī)律 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)組設(shè)置照片如圖1所示。裝置中長(zhǎng)頸漏斗一端用半透膜封住，內(nèi)部的液體模擬細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，并在其中加入了幾滴胭脂紅，使液面位置更加清晰，燒杯中液體模擬細(xì)胞外環(huán)境。與教材中的單一組實(shí)驗(yàn)不同，此處設(shè)置了3個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別呈現(xiàn)裝置失水、吸水、水分進(jìn)出平衡的現(xiàn)象，從照片中可清晰觀察到漏斗內(nèi)液面的變化。如此改進(jìn)，有利于學(xué)生形成實(shí)驗(yàn)對(duì)照的思想，并通過(guò)對(duì)比，更容易總結(jié)發(fā)現(xiàn)水分滲透的規(guī)律。

圖1 利用滲透裝置探究滲透原理

3.3 類比滲透裝置，分析動(dòng)物細(xì)胞滲透現(xiàn)象 讓學(xué)生觀察教材中紅細(xì)胞在3組不同濃度NaCl溶液中形態(tài)變化的圖片（高滲溶液中皺縮、低滲溶液中脹破、等滲溶液中保持原有形態(tài)），引導(dǎo)學(xué)生類比滲透裝置，探究動(dòng)物細(xì)胞失水和吸水的條件。

3.4 類比滲透裝置，分析植物細(xì)胞滲透現(xiàn)象 此環(huán)節(jié)用到的素材是洋蔥外表皮細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)視頻。為了讓學(xué)生類比滲透裝置時(shí)思路更清晰，這部分實(shí)驗(yàn)也是分成3個(gè)組。各實(shí)驗(yàn)組設(shè)置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 洋蔥外表皮細(xì)胞在不同濃度蔗糖溶液中失水或吸水的現(xiàn)象

在此環(huán)節(jié)中，還應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)探究的設(shè)計(jì)思想。所以，呈現(xiàn)B組實(shí)驗(yàn)之前，設(shè)置了一個(gè)問(wèn)題：將常態(tài)的植物細(xì)胞置于清水中，會(huì)觀察到怎樣的現(xiàn)象？面對(duì)不明顯的吸水現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考得出“先使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，再將其置于清水中觀察吸水現(xiàn)象”的實(shí)驗(yàn)思路。

最后的C組，也設(shè)置了一個(gè)疑問(wèn)：“使水分進(jìn)出平衡的蔗糖濃度是多少？”學(xué)生能答出“與細(xì)胞液的濃度一致”，但是“細(xì)胞液的濃度也是未知的”，由此給學(xué)生留下一個(gè)課后探究的問(wèn)題：“利用質(zhì)壁分離的原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定細(xì)胞液濃度”。這樣設(shè)計(jì)目的在于維持學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行探究的興趣，也讓學(xué)生更加充分體會(huì)穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念。

3.5 問(wèn)題延伸：其他物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一環(huán)節(jié)向?qū)W生展示洋蔥外表皮細(xì)胞在KNO3溶液中的質(zhì)壁分離和自動(dòng)復(fù)原的實(shí)驗(yàn)（圖3）。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，學(xué)生理解原生質(zhì)層的選擇透過(guò)性。

為了引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)探究的設(shè)計(jì)思想，在展示此實(shí)驗(yàn)之前，也設(shè)置了一系列的問(wèn)題：蔗糖分子能否進(jìn)出細(xì)胞？若不能則如何驗(yàn)證？這是一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生無(wú)法給出完美的方案。繼而引導(dǎo)逆向思維：如果蔗糖能進(jìn)出細(xì)胞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果又將如何？在學(xué)生提出猜想后，再展示“能進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)——K+和NO3-”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在對(duì)比“KNO3溶液與蔗糖溶液中，細(xì)胞能否發(fā)生質(zhì)壁分離與復(fù)原的現(xiàn)象”后，學(xué)生很容易得出“K+和NO3-可以進(jìn)入細(xì)胞，而蔗糖不能的結(jié)論”，進(jìn)而順利推導(dǎo)出“細(xì)胞膜/原生質(zhì)層具有選擇透過(guò)性”的結(jié)論。

圖3 洋蔥外表皮細(xì)胞在1mol／L KNO3溶液中發(fā)生質(zhì)壁分離及自動(dòng)復(fù)原

3.6 總結(jié) 為了完善本節(jié)課的結(jié)論：活的原生質(zhì)層才具有選擇透過(guò)性，教師補(bǔ)充了最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)：用NaOH處理已發(fā)生質(zhì)壁分離的洋蔥外表皮細(xì)胞，觀察原生質(zhì)層透性的變化。實(shí)驗(yàn)利用了花青素遇堿變綠的顏色變化反映液泡內(nèi)物質(zhì)的擴(kuò)散情況（圖4）。在視頻最后的畫面里，可清晰觀察到，花青素充滿了細(xì)胞壁內(nèi)的全部區(qū)域，而原生質(zhì)層的位置還處于原先質(zhì)壁分離時(shí)的狀態(tài)，從而能判斷該細(xì)胞并非發(fā)生了質(zhì)壁分離復(fù)原，而是失去了原生質(zhì)層的選擇透過(guò)性。由此學(xué)生也能體會(huì)結(jié)構(gòu)與功能的一致性：原生質(zhì)層的微觀結(jié)構(gòu)被強(qiáng)堿破壞后，其相應(yīng)的選擇透過(guò)的功能也隨之不復(fù)存在了。

圖4 0.5 mol／L NaOH處理對(duì)洋蔥外表皮細(xì)胞選擇透過(guò)性的影響

4 教學(xué)反思

本節(jié)課完成的4組實(shí)驗(yàn)向?qū)W生呈現(xiàn)了更為清晰、直觀、動(dòng)態(tài)的生命現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，更容易激起學(xué)生探究的熱情。這4個(gè)實(shí)驗(yàn)貫穿整節(jié)課，使每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析引導(dǎo)學(xué)生形成概念。學(xué)生能夠基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，運(yùn)用科學(xué)思維進(jìn)行探究，并樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀、結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念。

本節(jié)課仍有待改進(jìn)，從開放性課后實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題“利用質(zhì)壁分離的原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定細(xì)胞液濃度”的反饋情況來(lái)看，大部分學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想把握基本到位，但對(duì)實(shí)驗(yàn)的“實(shí)際”問(wèn)題考慮并不充分，這也反映出探究實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，僅有教師的示范是不夠的，學(xué)生需要在親身體驗(yàn)中感受實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，獨(dú)立面對(duì)可能遇到的問(wèn)題，并思考與解決。