模型構(gòu)建在“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”復(fù)習(xí)課中的應(yīng)用

范世一 張慶嶺

模型構(gòu)建體現(xiàn)了新課標(biāo)對(duì)學(xué)生理性思維的培養(yǎng)與要求，是生物學(xué)中一種常見(jiàn)的分析問(wèn)題的方法。根據(jù)適用對(duì)象的不同，常見(jiàn)的生物模型可分為數(shù)學(xué)模型、物理模型和概念模型三種。數(shù)學(xué)模型培養(yǎng)學(xué)生將數(shù)據(jù)處理成曲線或者總結(jié)成公式的建模能力;概念模型培養(yǎng)學(xué)生處理核心概念之間邏輯關(guān)系的建模能力;物理模型培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物質(zhì)或細(xì)胞的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行形象化的建模能力。學(xué)生需理清關(guān)鍵對(duì)象之間多維度的、科學(xué)立體的關(guān)系，將抽象的思維可視化，將被動(dòng)記憶轉(zhuǎn)化成深度學(xué)習(xí)與主動(dòng)提取應(yīng)用的過(guò)程，并適用于較復(fù)雜教學(xué)情境，促進(jìn)高階思維能力的提升。

本章節(jié)內(nèi)容從細(xì)胞結(jié)構(gòu)延伸到細(xì)胞功能的學(xué)習(xí)，層層深入。在教學(xué)中通過(guò)科學(xué)探究——深化拓展——總結(jié)提升三個(gè)建模活動(dòng)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)功能觀，形象具體展示跨膜運(yùn)輸過(guò)程，辨析多種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式，能夠有效提高學(xué)生參與的廣度與深度，有利于鞏固生物學(xué)概念，加深知識(shí)的理解與聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與創(chuàng)造性思維。

一、結(jié)合數(shù)學(xué)模型的科學(xué)探究

通過(guò)探究植物細(xì)胞的失水與吸水，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了探究實(shí)驗(yàn)的一般步驟和方法，章末復(fù)習(xí)中應(yīng)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，教師應(yīng)幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生分析問(wèn)題，最終通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)與模型構(gòu)建解決問(wèn)題。教師在教學(xué)時(shí)可以安排如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)思路：

沉水植物可修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體，凈化水質(zhì)，教師可選用常見(jiàn)的沉水植物黑藻作為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)檢測(cè)相同時(shí)間內(nèi)其對(duì)磷元素的吸收量，繪制曲線反映物質(zhì)吸收規(guī)律，分析物質(zhì)運(yùn)輸方式與限制因素等。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）選用長(zhǎng)勢(shì)相同的黑藻若干，從頂端一側(cè)切成10 cm備用。配制具有濃度梯度的磷酸二氫鉀溶液（0.01 mmol/L;0.1 mmol/L;0.25 mmol/L;0.5 mmol/L;1 mmol/L;1.5 mmol/L）作為自變量，分別在六個(gè)燒杯中放置500mL不同濃度溶液編號(hào)1～6。

（2）各組放入2條黑藻，在相同溫度濕度等環(huán)境條件下培養(yǎng)6小時(shí)后測(cè)量剩余溶液中磷酸二氫鉀濃度，統(tǒng)計(jì)表格數(shù)據(jù)，計(jì)算出平均每小時(shí)吸收磷的速率并填寫(xiě)表格。

結(jié)果處理及分析：

（1）繪制平均磷吸收速率曲線，根據(jù)生成曲線的趨勢(shì)判斷黑藻細(xì)胞吸收磷酸二氫鉀的方式（見(jiàn)圖1）。

圖1.某小組構(gòu)建黑藻吸收磷的數(shù)學(xué)模型

（2）已知黑藻細(xì)胞質(zhì)濃度小于0.01 mmol/L的磷酸二氫鉀溶液，推測(cè)該組黑藻細(xì)胞吸收磷的方式。

通過(guò)以上具有難度梯度的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生比較分析不同跨膜運(yùn)輸方式的條件與特點(diǎn)，不同階段的限制因素等，學(xué)生需要將數(shù)據(jù)表格處理成曲線，從質(zhì)壁分離的定性研究深入到定量研究。學(xué)生自主構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型清晰地反映了物質(zhì)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，利于分析出主動(dòng)運(yùn)輸與被動(dòng)運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別，同時(shí)為后面的模型構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。在這一過(guò)程中教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究黑藻細(xì)胞是否通過(guò)協(xié)助擴(kuò)散吸收磷酸二氫鉀，學(xué)生課后繼續(xù)探究并構(gòu)建模型分析結(jié)果，有助于學(xué)生逐步形成批判與質(zhì)疑的理性思維，培養(yǎng)其逐步形成生命觀念和生態(tài)保護(hù)的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

二、完善物理模型訓(xùn)練科學(xué)思維

主動(dòng)運(yùn)輸需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與能量，能量來(lái)源并非只是ATP。教師可以給出如下兩個(gè)例題帶領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)物理模型。

例題一：有關(guān)光合作用中化學(xué)滲透理論的知識(shí)應(yīng)用。將離體類囊體放置于PH=4的緩沖液中，待平衡后轉(zhuǎn)移至含有ADP與磷酸的PH=8緩沖液中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在黑暗中，順濃度梯度運(yùn)輸氫離子積累電化學(xué)勢(shì)能可供給ATP的合成。請(qǐng)?jiān)趫D2中兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白處補(bǔ)充箭頭表示氫離子運(yùn)輸?shù)姆较?，分析兩種運(yùn)輸方式的區(qū)別。

例題二：小腸上皮細(xì)胞利用SGLT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收葡萄糖是與順濃度梯度運(yùn)輸鈉離子共同完成的，屬于特殊形式的主動(dòng)運(yùn)輸。請(qǐng)?jiān)趫D3中SGLT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及鈉鉀泵處補(bǔ)充箭頭來(lái)標(biāo)注鈉離子運(yùn)輸?shù)姆较?，分析電化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸與鈉鉀泵中鈉離子運(yùn)輸方式的區(qū)別。

細(xì)胞借助順濃度梯度物質(zhì)運(yùn)輸積累的電化學(xué)勢(shì)能，可同時(shí)為另一物質(zhì)主動(dòng)運(yùn)輸供能。這是2019年人教版教材未提及的知識(shí)，也是學(xué)生理解上的難點(diǎn)。教師給出一定的圖解，讓學(xué)生結(jié)合信息繼續(xù)完善物理模型，化繁為簡(jiǎn)的同時(shí)增強(qiáng)了趣味性，初步培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)能量觀。

三、細(xì)化知識(shí)框架，構(gòu)建概念模型

章末復(fù)習(xí)整合中，學(xué)生需要對(duì)知識(shí)有整體的把握，對(duì)概念形成內(nèi)在的邏輯關(guān)系。教師可引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建本章思維導(dǎo)圖（見(jiàn)圖4），通過(guò)科學(xué)探究過(guò)程與科學(xué)思維的建成，立足于關(guān)鍵概念構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)框架，結(jié)合文字及圖片表示知識(shí)屬性及涵蓋內(nèi)容，用箭頭及括號(hào)等形成多維度的聯(lián)系，便于在較為復(fù)雜的情境中準(zhǔn)確提煉知識(shí)點(diǎn)及應(yīng)用。教師可對(duì)學(xué)生進(jìn)行多元化評(píng)價(jià)，把知識(shí)與愛(ài)好相結(jié)合，將透徹理解的知識(shí)放入記憶宮殿，力求做到活學(xué)活用，事半功倍。

模型構(gòu)建是養(yǎng)成學(xué)生理性思維的重要途徑之一。作為復(fù)習(xí)課，教師從生態(tài)情景入手進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，借助一系列模型構(gòu)建將微觀的細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸可視化、形象化，便于學(xué)生較為透徹而全面地理解和辨析多種運(yùn)輸方式。本節(jié)課的最后教師給學(xué)生小組提供超輕黏土與卡紙、膠水等材料，用于課下進(jìn)一步領(lǐng)悟建模方法，小組之間相互評(píng)價(jià)并展出較為全面準(zhǔn)確有創(chuàng)意的物理模型，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與創(chuàng)造性，落實(shí)對(duì)生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王圣瑞，趙海超，金相燦，等.沉水植物黑藻對(duì)不同磷化合物的轉(zhuǎn)化與吸收[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2005（6）.

[2]翟中和，王喜忠，丁明孝.細(xì)胞生物學(xué)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011：6，73.

見(jiàn)習(xí)編輯/張婷婷