物質(zhì)跨膜運輸方式深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計

許豇羽

摘要：依托科學(xué)史，基于結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，自主建構(gòu)物理模型、數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對物質(zhì)跨膜運輸方式的深度學(xué)習(xí)，有效培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)跨膜運輸方式;模型;深度學(xué)習(xí)

一、教學(xué)設(shè)計理念

目前，深度學(xué)習(xí)越來越成為生物學(xué)教學(xué)的主流趨勢，深度學(xué)習(xí)對于發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)具有重要的價值和意義。深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是挖掘?qū)W生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的邏輯思維能力。依托科學(xué)史材料，基于結(jié)構(gòu)與功能觀自主建構(gòu)模型，可以更好地發(fā)展科學(xué)思維能力。

在對物質(zhì)跨膜運輸方式內(nèi)容學(xué)習(xí)以前，學(xué)生已掌握了細胞膜的結(jié)構(gòu)及特點?；趯W(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，本節(jié)教學(xué)定位在通過建構(gòu)模型，講授“細胞膜的結(jié)構(gòu)是如何決定物質(zhì)進出細胞的方式的”。教學(xué)設(shè)計上，補充科學(xué)史料，通過“問題-假說-演繹-檢驗-結(jié)論”的思維主線，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。通過對葡萄糖進出細胞方式的認(rèn)識，嘗試提出治療糖尿病的科學(xué)方法，培養(yǎng)基于生物學(xué)知識解決現(xiàn)實生活問題的社會責(zé)任感。

二、教學(xué)過程

（一）搭建模型，創(chuàng)設(shè)問題

教師課前在黑板上吸附代表磷脂分子、蛋白質(zhì)分子、多糖分子及細胞吸收的幾種物質(zhì)分子的磁貼模型，請學(xué)生到黑板構(gòu)建細胞膜的結(jié)構(gòu)模型，其他同學(xué)觀察評價以進一步完善模型。設(shè)置問題：①觀察模型，構(gòu)成細胞膜支架的是什么分子？它是如何分布的？為何這樣排布？②結(jié)合蛋白質(zhì)的功能猜測膜上的蛋白質(zhì)起到什么作用？③膜具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點？這些特點和膜上分子的運動有什么關(guān)系？④基于模型預(yù)測幾種物質(zhì)分子是如何跨膜運輸?shù)模?/p>

設(shè)計意圖：建構(gòu)模型復(fù)習(xí)細胞膜的結(jié)構(gòu)及特點，為預(yù)測物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞酱钅_手架。

（二）挖掘模型，提出假說

學(xué)生討論后作出假說：小分子的O₂、水可通過磷脂分子間的空隙進入細胞;脂肪酸是脂溶性物質(zhì)，與磷脂相似相溶跨膜運輸;較大的葡萄糖分子、水合離子可能需要膜上蛋白質(zhì)的協(xié)助進入細胞。

設(shè)計意圖：分析模型，運用“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念創(chuàng)設(shè)物質(zhì)跨膜運輸方式的假說，發(fā)展“創(chuàng)造性思維”能力。

（三）演繹推理，實驗檢驗

1.立足材料，演繹推理。教師呈示脂雙層膜對不同分子的通透性的示意圖，追問哪些分子能通過脂雙層膜，哪些分子不能通過以及如何驗證假說。

學(xué)生分析得出：O₂、甘油、CO₂能通過脂雙層膜，葡萄糖、水合離子不能通過，與假說一致;但水分子只有部分能通過脂雙層，可能其余部分需要膜上蛋白質(zhì)的協(xié)助。教師追問如何驗證觀點。學(xué)生討論后提出可依據(jù)“加法原理”，再做一組實驗，脂雙層上加上蛋白質(zhì)，如果水分子通透性增大了，說明其跨膜運輸需要蛋白質(zhì)的協(xié)助。

設(shè)計意圖：基于所給材料，推測物質(zhì)跨膜運輸方式，培養(yǎng)學(xué)生基于生物學(xué)事實演繹與推理的科學(xué)思維。

2.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，分析影響自由擴散的因素。教師演示紅墨水滴入燒杯很快擴散的現(xiàn)象，學(xué)生觀察得出擴散是由高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)的遷移。教師呈示概念：像O₂、甘油等直接穿過磷脂雙分子層向另一側(cè)運輸?shù)姆绞椒Q為自由擴散。學(xué)生觀察分析這些分子的特點：分子較小或呈脂溶性，所以能與磷脂相溶。教師展示O₂跨膜輸速率隨膜兩側(cè)濃度差的變化數(shù)據(jù)，學(xué)生繪制O₂跨膜運輸速率和膜兩側(cè)濃度差關(guān)系的曲線圖，得出結(jié)論：自由擴散速率與膜兩側(cè)濃度差大小成正比。

3.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，分析協(xié)助擴散的影響因素。教師播放《開講啦》顏寧教授關(guān)于葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（GLUT蛋白）的介紹：GLUT蛋白就像膜上的一道道“旋轉(zhuǎn)門”，將細胞外的葡萄糖快速轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)。而糖尿病發(fā)病的原理就是膜上缺少GLUT蛋白，導(dǎo)致細胞吸收葡萄糖的能力下降。教師追問：如果你是一名致力于攻克糖尿病問題的科學(xué)家，你有好的見解么？學(xué)生討論后得出可以采用增加膜上GLUT蛋白數(shù)量的方法。教師表揚學(xué)生基于生物知識解決現(xiàn)實生活問題的社會責(zé)任感，同時勉勵學(xué)生理論轉(zhuǎn)化成實踐需要不斷地實驗探索。教師圖表展示葡萄糖進入紅細胞時運輸速率隨濃度差改變而變化，學(xué)生據(jù)此繪制曲線圖，分析曲線得到結(jié)論：一定濃度范圍內(nèi)，協(xié)助擴散速率隨膜兩側(cè)濃度差升高而變大;超過一定范圍后，運輸速率將不受轉(zhuǎn)運蛋白數(shù)量的限制。教師指出這種需要轉(zhuǎn)運蛋白（通道蛋白和載體蛋白）介導(dǎo)的擴散方式稱為協(xié)助擴散。

4.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，分析主動運輸?shù)挠绊懸蛩?。教師追問：是不是所有物質(zhì)都是順濃度梯度進出細胞的？學(xué)生大多持懷疑意見。教師展示資料一：進食后不久，淀粉被分解成大量的葡萄糖散布在小皮細胞表面。由于小腸細胞靠近腸腔的一端呈“刷”狀，大大增加了細胞膜表面積，使得小腸細胞膜外葡萄糖濃度遠小于細胞內(nèi)濃度，但小腸細胞依然在快速地吸收葡萄糖。教師追問：小腸上皮細胞以什么方式吸收葡萄糖？需要什么條件？如何設(shè)計實驗驗證你的假說？學(xué)生討論得出：小腸上皮細胞逆濃度梯度吸收葡萄糖，不僅需要蛋白質(zhì)協(xié)助，可能還需要消耗能量。學(xué)生依據(jù)“減法原理”設(shè)計出兩組實驗，一組停止能量供應(yīng)，其他條件不變，一組去除載體蛋白，其他條件不變。分別研究小腸上皮細胞吸收葡萄糖的速率變化，若都變慢，說明假說正確，反之錯誤。

教師展示科學(xué)史實：科學(xué)家分別給離體的小腸上皮細胞培養(yǎng)液加入呼吸酶抑制劑（抑制能量供應(yīng)）和載體蛋白抑制劑，小腸細胞吸收葡萄糖的速率均下降。學(xué)生的猜想得到驗證。教師指出像小腸上皮細胞吸收葡萄糖這種既需要能量供應(yīng)也需要蛋白質(zhì)協(xié)助的運輸方式稱為主動運輸，小腸細胞對大多數(shù)水合離子的吸收也是通過這種方式。

教師展示葡萄糖進入小腸上皮細胞時運輸速率隨耗氧量變化曲線，學(xué)生分析得出：一定范圍內(nèi)，主動運輸速率與能量多少（教師提示無氧呼吸釋放能量遠少于有氧呼吸）成正比，超過一定范圍后，運輸速率受到載體蛋白數(shù)量的限制。

教師追問：同種物質(zhì)跨膜運輸方式一定相同么？思考這對于細胞有何意義？學(xué)生交流得出：同種物質(zhì)跨膜運輸方式不一定相同。紅細胞缺少線粒體，無氧呼吸產(chǎn)生能量少，協(xié)助擴散是一種節(jié)能的方式。而小腸上皮細胞需要大量吸收葡萄糖供給組織細胞，主動運輸有利于細胞能不受濃度限制，選擇性地吸收物質(zhì)來維持生命活動的需要。

設(shè)計意圖：展示科學(xué)史前半段資料，引導(dǎo)創(chuàng)設(shè)物質(zhì)跨膜運輸方式的假說，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力;基于假說設(shè)計實驗并預(yù)測實驗結(jié)果，發(fā)展演繹與推理能力;展示科學(xué)史后半段資料，檢驗假說的正確性得出結(jié)論，培養(yǎng)歸納與概括能力;對推測性結(jié)論提出質(zhì)疑，培養(yǎng)批判性思維能力;建構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析物質(zhì)跨膜運輸速率的影響因素，發(fā)展建模解決問題的思維能力。

（四）建構(gòu)模型，歸納概括

教師請學(xué)生用同種磁貼數(shù)量的多少代表物質(zhì)濃度，星形磁貼代表能量，用箭頭、文字輔助模擬不同物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞?，分析細胞膜結(jié)構(gòu)是如何影響物質(zhì)進出細胞的方式。

三、反思

本節(jié)教學(xué)通過補充科學(xué)史料，建構(gòu)物理模型和數(shù)學(xué)模型，發(fā)展了學(xué)生多元化的科學(xué)思維，培養(yǎng)了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念，多維立體地落地了生物學(xué)科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)了對物質(zhì)跨膜運輸方式的深度學(xué)習(xí)。