基于學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)組織實施

王妮莎 閆景娟

摘要 在“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健币还?jié)的教學(xué)中，通過對細胞膜結(jié)構(gòu)分析，讓學(xué)生對FI20、0s、葡萄糖、離子等物質(zhì)的跨膜運輸方式提出假說，并讓學(xué)生給出相應(yīng)證明的實驗思路。學(xué)生通過科學(xué)分析老師給予的相關(guān)實驗結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論，并和教師一起建立物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞降哪Ｐ?。本?jié)課通過提供實證材料、按照“現(xiàn)象一假說一證據(jù)一結(jié)論”的思維過程進行探究，旨在訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞 實證材料 自主探究科學(xué)思維

中圖分類號 G633.91

文獻標(biāo)志碼 B

1 教學(xué)設(shè)計理念及學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱課標(biāo)）提出“核心素養(yǎng)為宗旨、內(nèi)容聚焦大概念”等課程理念，凝練了“生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任”4個學(xué)科核心素養(yǎng)。在現(xiàn)行人教版必修1第四章“細胞的物質(zhì)輸入和輸出”中，集中體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和功能觀、物質(zhì)和能量觀的生命觀念?？茖W(xué)思維是一種建立在證據(jù)和邏輯推理上的思維方式，基于學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)設(shè)計，應(yīng)重視事實證據(jù)，強調(diào)從事實到觀點、規(guī)律的邏輯思維過程。

課標(biāo)中關(guān)于第四章的概念層級關(guān)系，可抽提為以下幾個部分：①大概念：細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)。②重要概念：物質(zhì)通過被動運輸或主動運輸方式進出細胞，以維持細胞的正常代謝活動。③一般概念：闡明質(zhì)膜具有選擇透過性;舉例說明有些物質(zhì)順濃度梯度進出細胞，不需要額外提供能量;有些物質(zhì)逆濃度梯度進出細胞，需要能量和載體蛋白;舉例說明大分子物質(zhì)可以通過胞吞、胞吐進出細胞。觀念是在理解概念的基礎(chǔ)上通過進一步抽象而形成，具體的形成路徑可簡化為“生物學(xué)事實一一般概念一重要概念一大概念一生命觀念”的4個環(huán)節(jié)。據(jù)此，構(gòu)建了如圖l所示的單元概念框架。

2 教學(xué)目標(biāo)及重難點分析

教學(xué)目標(biāo)：①通過資料分析，說明三種物質(zhì)跨膜運輸方式及其特點，從而認同生物在分子層面、細胞層面存在結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng);②運用概念圖及示意圖的方式，比較自由擴散、協(xié)助擴散、主動運輸?shù)漠愅?，并建立章?jié)概念圖;③能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)，進行合理的邏輯推理，分析判斷相關(guān)的結(jié)論，并用科學(xué)語言表達自己觀點。

教學(xué)重點：自由擴散、協(xié)助擴散、主動運輸、胞吞與胞吐的特點和區(qū)別。

教學(xué)難點：概念圖的構(gòu)建。

3 教學(xué)過程

課標(biāo)倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，交流與合作的能力及創(chuàng)新精神與實踐能力;倡導(dǎo)全面提高學(xué)生素養(yǎng)，注重學(xué)生在現(xiàn)實生活的背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生解決來自社會、生產(chǎn)和生活實際的問題。在新課程標(biāo)準(zhǔn)理念指導(dǎo)下，本節(jié)課教學(xué)流程設(shè)計如下。

3.1 滲透物質(zhì)能量觀，引發(fā)學(xué)生新思考

細胞作為一個開放的生命系統(tǒng)，每時每刻都與環(huán)境進行物質(zhì)交換，而物質(zhì)進出細胞都要經(jīng)過它的邊界——細胞膜。教師提出問題：當(dāng)物質(zhì)分子通過細胞膜的時候，是暢通無阻的嗎？細胞膜及其他生物膜的生理特性是什么？生物膜為什么具有選擇透過性？它是怎樣對物質(zhì)進行選擇的？從而引出本節(jié)課主題——物質(zhì)跨膜運輸方式。

3.2 提出合理假設(shè)，理性分析資料，得出實驗結(jié)論

3.2.1 基于細胞膜結(jié)構(gòu)特征，提出物質(zhì)運輸兩種途徑，并提出合理的實驗方案

教師出示細胞膜結(jié)構(gòu)模型圖2，引導(dǎo)學(xué)生分析：細胞膜的基本結(jié)構(gòu)是什么？基本支架是什么？膜上的蛋白質(zhì)起到什么作用？物質(zhì)要跨細胞膜進入細胞具有什么途徑？如何設(shè)計實驗證明某物質(zhì)跨膜進出細胞到底是直接通過磷脂雙分子層還是通過轉(zhuǎn)運蛋白運輸?shù)模?/p>

學(xué)生觀察圖1發(fā)現(xiàn)，細胞膜基本支架是磷脂雙分子層，膜蛋白也可起到運輸?shù)淖饔谩W(xué)生猜想有兩種運輸方式：直接通過磷脂雙分子層或者通過轉(zhuǎn)運蛋白進行跨膜運輸。學(xué)生分析這兩種途徑的區(qū)別在于有無轉(zhuǎn)運蛋白（實驗自變量），要知道某物質(zhì)到底走的哪一途徑跨膜運輸應(yīng)對比其在去轉(zhuǎn)運蛋白膜（人工脂雙層膜）和生物膜運輸效率的區(qū)別。

3.2.2 分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)果

教師給出實驗結(jié)果（圖3），小組討論：圖中物質(zhì)跨膜運輸呈現(xiàn)什么特點？它們都是通過什么方式跨膜運輸?shù)?？?jīng)小組討論，學(xué)生找出具有相同特點的物質(zhì)，并將這些信息與前面的通透性方式對應(yīng)：①甘油、C02、02等物質(zhì)通過人工膜與生物膜的通透性相同，它們應(yīng)該是直接跨磷脂雙分子層運輸。②K+、Na+、Cl等物質(zhì)在人工膜的通透性非常低，而在生物膜的通透性要遠高于前者。它們的運輸應(yīng)該是需要轉(zhuǎn)運蛋白的參與。③H20在兩種膜的運輸都比較大，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，其既能跨磷脂雙分子層運輸，也能經(jīng)轉(zhuǎn)運蛋白運輸。

教師演示02、C02跨膜運輸?shù)膭赢?，并引?dǎo)學(xué)生總結(jié)得出：02、C02等氣體分子，水、乙醇、甘油等溶劑分子直接跨磷脂雙分子層從一側(cè)到另一側(cè)的運輸稱為自由擴散。自由擴散的動力來自物質(zhì)的濃度差，擴散的方向是從高濃度向低濃度進行。教師再分析：能自由擴散的分子通常分子量小能直接通過脂雙層縫隙，或者是脂溶性分子，相似相容。在此過程中，磷脂雙分子層在發(fā)揮屏障作用的同時，表現(xiàn)出選擇透過性。

3.2.3 提供水通道蛋白研究的資料，佐證學(xué)生論證

（l）教師給出關(guān)于2003年諾貝爾化學(xué)獎得主美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)的細胞膜水通道蛋白部分研究結(jié)果的資料：阿格雷在分離純化紅細胞膜蛋白時發(fā)現(xiàn)了一個跨膜蛋白AQPI，他將含有AQPI蛋白和不含此蛋白的細胞進行了對比實驗。當(dāng)將這兩種細胞放在同一種水溶液中時，膜中含有AQP1蛋白的細胞通過滲透作用不斷吸收水分而發(fā)生腫脹，不含該蛋白的細胞則沒有變化。這說明水的運輸方式除了自由擴散，也有需要轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)助的運輸。

（2）教師提供資料，提出問題：水的運輸除了自由擴散外，的確還有通過轉(zhuǎn)運蛋白的運輸。為什么呢？以尿液形成過程為例，正常成年人每天產(chǎn)生的原尿約為180 L，可最終只有約1.5 L的尿液排出。其他的水去哪兒了？被腎小管細胞吸收進入血液了。該過程需要水分子大量、快速通過細胞膜進入腎臟細胞，自由擴散的運輸速率遠不能滿足生命活動的需要，而水通道蛋白能提高水的轉(zhuǎn)運速率。研究人員發(fā)現(xiàn)這些細胞的細胞膜上含有大量水通道蛋白。

（3）教師出示協(xié)助擴散的模式動態(tài)圖，并對結(jié)果進行總結(jié)：人們把小分子物質(zhì)通過轉(zhuǎn)運蛋白（通道蛋白、載體蛋白）從高濃度向低濃度擴散的運輸方式稱為協(xié)助擴散。圖中另一種物質(zhì)為什么不能被轉(zhuǎn)運蛋白運輸呢？從中可以發(fā)現(xiàn)通道蛋白、載體對物質(zhì)的運輸具有專一性。

3.3 制造學(xué)生認知沖突，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維

3.3.1 主動運輸?shù)膶W(xué)習(xí)

教師出示典型哺乳動物細胞內(nèi)外離子濃度比較表（表1），提出問題：前面通過分析，我們知道K+、Na+、Cl等離子的運輸需要轉(zhuǎn)運蛋白。這些離子的運輸也是協(xié)助擴散嗎？

教師繼續(xù)提出問題：細胞吸K+排Na+，使膜內(nèi)、外保持一定的濃度差，這對神經(jīng)信號的傳遞、血壓、心律的維持有非常重要的作用。吸K+排Na+通過什么方式進行的？學(xué)生對比發(fā)現(xiàn)細胞吸K_排Na+是逆濃度梯度進行的，肯定不是協(xié)助擴散。教師提示：逆濃度梯度運輸就像卡車載貨上坡克服重力勢能，必須消耗能量。人們把小分子物質(zhì)通過轉(zhuǎn)運蛋白從低濃度向高濃度運輸?shù)姆绞椒Q為主動運輸，這個過程需要轉(zhuǎn)運蛋白和能量。

3.3.2 3種跨膜運輸方式的分類和總結(jié)

教師展示3種跨膜運輸方式的示意圖，引導(dǎo)學(xué)生比較，激發(fā)學(xué)生對相關(guān)知識的回顧。學(xué)生自主完成表2，掌握不同跨膜運輸方式的異同點。

3.3.3 學(xué)習(xí)細胞的非跨膜運輸

教師播放白細胞攻擊細菌的視頻，要求學(xué)生思考：并不是所有的物質(zhì)進出細胞都屬于上述三種跨膜運輸方式。人體的白細胞是如何吞噬入侵的細菌、細胞碎片及衰老的紅細胞的？這對于人體有什么意義？大分子物質(zhì)、顆粒物進出細胞并沒有跨越膜，而是利用細胞膜具有的流動性的結(jié)構(gòu)特點，如分泌蛋白的釋放、白細胞吞噬細菌等過程。

3.4 總結(jié)提升，建立結(jié)構(gòu)功能觀和物質(zhì)能量觀

教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①你能否解釋細胞膜是如何實現(xiàn)選擇透過性的？②胞吞胞吐的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是什么，與膜的什么特性有關(guān)？③物質(zhì)輸入輸出對細胞有什么意義？

學(xué)生回顧思考表達：①細胞膜的選擇透過性主要通過轉(zhuǎn)運蛋白的專一性和磷脂雙分子層只允許氣體、溶劑、脂溶性小分子進出而體現(xiàn)專一性。②胞吞、胞吐的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是細胞膜具有一定流動性，膜的流動性的體現(xiàn)是由于構(gòu)成膜的這些分子能夠運動。③物質(zhì)輸入、輸出能為細胞提供能量來源，排出細胞代謝廢物，清除入侵的異物，維持細胞和個體正常的生命活動。

3.5 小組合作，梳理概念，構(gòu)建概念圖

教師給出以下概念，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念圖：控制物質(zhì)進出、保持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定、細胞膜的流動鑲嵌模型、細胞膜是系統(tǒng)的邊界、物質(zhì)輸入輸出的方式、細胞間信息交流、自由擴散、協(xié)助擴散、主動運輸、胞吞胞吐、能量、轉(zhuǎn)運蛋白、膜的流動性、膜的選擇透過性、磷脂雙分子層、糖蛋白、蛋白質(zhì)。學(xué)生必須先通過討論，弄清楚各概念的層級關(guān)系，找出概念主線，建立這些概念之間的聯(lián)系，從而建立跨章節(jié)的概念圖。

4 教學(xué)反思

4.1 基于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維而展開教學(xué)設(shè)計

科學(xué)思維是指學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹和推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。本設(shè)計具體體現(xiàn)在，讓學(xué)生基于細胞膜模型，通過科學(xué)推理，自己提出“跨膜運輸?shù)姆绞健钡募僬f，并討論得出可以證明該假說的實驗方案;再根據(jù)對相應(yīng)實驗結(jié)果的分析，通過推理、歸納，從而建立自由擴散、協(xié)助擴散的概念模型。通過提供水通道蛋白研究的資料，教師引導(dǎo)學(xué)生進一步證實學(xué)生之前的推測：水存在協(xié)助擴散的運輸方式。利用水重吸收的實例說明協(xié)助擴散存在的意義和生物體結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生物學(xué)觀念。在學(xué)生建立主動運輸?shù)母拍钅Ｐ蜁r，提供的細胞內(nèi)外Na+、K+濃度和細胞保K+排Na+資料，來制造學(xué)生認知的沖突，從而激發(fā)學(xué)生批判性思維，使學(xué)生順勢習(xí)得主動運輸?shù)母拍睢?/p>

4.2 厘清概念層級關(guān)系，繪制概念框架圖，聚焦大概念，達成生命觀念

生命觀念是在理解概念的基礎(chǔ)上通過進一步抽象而形成，具體的形成路徑可簡化為“生物學(xué)事實一一般概念一重要概念一大概念一生命觀念”的四個環(huán)節(jié)。教師通過分析單元內(nèi)容間的相互聯(lián)系、深入挖掘?qū)W科思想。在備課時，建構(gòu)概念框架圖，有助于教師從整體把握本節(jié)教學(xué)內(nèi)容在整章中乃至整個模塊中的地位。而學(xué)生在構(gòu)建概念圖的過程中會思考這些概念外延和內(nèi)涵，辨別概念之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，并通過意義聯(lián)接，能理解和找到某概念的上位概念、下位概念及組合關(guān)系的概念，從而建構(gòu)生物學(xué)概念知識體系。本環(huán)節(jié)采用小組合作的方式，在討論、合作中，學(xué)生的思維能力、與他人分工合作能力能得以鍛煉，有助于學(xué)生形成在真實情境中解決問題所應(yīng)品格與能力，逐步形成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.3 將學(xué)生的思維過程外顯化有助于提高學(xué)生的問題解決能力

本設(shè)計在課上設(shè)置的大多數(shù)問題都是不良結(jié)構(gòu)問題。例如，對于物質(zhì)在人工膜和生物膜的通透性對比圖。教師先提問：從這個圖表你能獲取什么信息？通過這樣的提問，教師能清晰的捕捉到學(xué)生的思維路徑：他是如何分析圖表的？找到這些物質(zhì)跨膜的異同點了嗎？當(dāng)他發(fā)現(xiàn)了這些特征，那能否清晰、全面到位的進行表達？學(xué)生的思維過程外顯化，教師才能有針對性地引導(dǎo)評價，對他們思維的診斷和修正。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]譚永平.發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)一為何及如何建立生命觀念[J].生物學(xué)教學(xué)，2017，42（10）：7-10.

[3]宋心琦，郭躍華.2003年諾貝爾科學(xué)獎解析：化學(xué)篇[J].國外科技動態(tài)，2003.（11）：16.

[4]翟中和，王喜忠，丁明孝.細胞生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007：101.

[5]樊婷婷，劉家武.基于生命觀念的高中生物學(xué)單元教學(xué)設(shè)計[J].武漢：華中師范大學(xué)，2018.