基于模型拓展的“次位概念”教學策略
——以“滲透作用”為例

黃 新

（江蘇省南通市通州區(qū)石港中學 江蘇南通 226300）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出“內(nèi)容聚焦大概念”的教學理念。次位概念是抽象概括形成重要概念和大概念的基石，是構(gòu)建知識框架的基本單位，是課堂教學的重點，如何突破次位概念是教師迫切需要關(guān)注的問題。無論是動物細胞還是成熟的植物細胞均可構(gòu)成一個滲透系統(tǒng)，由于滲透過程中分子的運動在顯微鏡下不可見，學生對滲透作用的理解存在困難。下文將結(jié)合教學實踐進行闡述，以期為教師開展教學設計提供借鑒。

1 基于教材模型對滲透作用進行分析與拓展

為了幫助學生真正理解滲透作用的原理，更好地解答各類相關(guān)試題，教師對教材中滲透作用的模型進行分析至關(guān)重要（圖1）。在此基礎之上，教師應通過模型改編、創(chuàng)設系列問題等方式，引導學生積極思考。

圖1 滲透作用模型

教師結(jié)合教材經(jīng)典模型展開教學，引導學生觀察現(xiàn)象并思考：為何一段時間后，漏斗液面會上升？圍繞問題的關(guān)鍵點，教師可設置問題串：①引起漏斗液面升高的物質(zhì)是什么？②是不是水分子只能進入漏斗？③如何解釋漏斗內(nèi)水分子數(shù)會增多而引起的液面升高呢？三個問題層層遞進，學生根據(jù)問題②可得出單位時間內(nèi)透過半透膜進入漏斗的水分子數(shù)比滲出的多的緣由。

接著，教師可再次設置問題串：①為何單位時間內(nèi)透過半透膜進入漏斗的水分子比滲出的多呢？②溶液的濃度與滲透壓大小有何關(guān)聯(lián)？③漏斗中液面會無限上升嗎？其原因是什么？對于問題①，教師可結(jié)合滲透壓的概念加以解釋：漏斗內(nèi)溶質(zhì)（蔗糖）的存在，可加大對水的吸收。據(jù)此，教師可引導學生得出結(jié)論：溶液濃度與滲透壓成正比，單位時間內(nèi)進入漏斗的水分子多于進入燒杯的個數(shù)。對于水分子進出速度的變化，教師可設置引導性的問題串：①隨著水分進入漏斗，漏斗內(nèi)溶液對水分子的吸引力發(fā)生什么變化？②內(nèi)外液面差的增大對水分子進入燒杯的速率有何影響？基于這兩個問題，結(jié)合所學物理知識，學生能夠分析出液面不能無限上升的原因。

通過以上環(huán)節(jié)幫助學生掌握知識后，教師可以引導學生進行思維拓展訓練。教師追問：①液面差的大小與哪些因素有關(guān)？②達到平衡后，是否意味著膜兩側(cè)不存在濃度差？③液面達到平衡之后，半透膜的哪一側(cè)溶液濃度偏高？學生通過分析“蔗糖不能通過半透膜”，可得知上述問題的答案。

2 通過試題原創(chuàng)突破對滲透作用的理解

2.1 水分子進出半透膜速率及其對相關(guān)溶液濃度的影響

【例1】圖2中甲是滲透作用裝置示意圖，已知蔗糖不能穿過半透膜，圖3兩曲線圖的橫坐標代表時間，下列相關(guān)敘述不正確的是 （ ）

圖2 滲透作用裝置示意圖

圖3 與滲透作用有關(guān)的曲線

A.半透膜內(nèi)溶液的濃度變化可用曲線乙表示

B.水分子由半透膜外進入半透膜內(nèi)的速率變化可用曲線甲表示

C.玻璃管內(nèi)的液面高度變化可用曲線乙表示

D.半透膜內(nèi)外濃度差可用曲線甲表示

參考答案：A。

解析：據(jù)滲透壓概念可知，半透膜內(nèi)屬于高滲溶液，燒杯內(nèi)屬于低滲溶液，因此，水分子進入半透膜內(nèi)的速度大于進入燒杯的速度。隨著水分的滲入，半透膜內(nèi)溶液的濃度逐漸降低，內(nèi)外濃度差越來越小，水分進入半透膜的速率越來越小，直至水分進出平衡，半透膜內(nèi)液面高度不在上升。

2.2 可通過半透膜的溶質(zhì)對兩側(cè)液面高度差的影響

在有些滲透系統(tǒng)中，部分溶質(zhì)和水分子均可穿過半透膜，學生對該類復雜的情境存在理解困難。教師需要向?qū)W生展示整個動態(tài)過程，以幫助學生更好地理解現(xiàn)實生活中的滲透原理。

【例2】圖4中X、Y、Z分別為蒸餾水、質(zhì)量分數(shù)為30%的葡萄糖溶液、質(zhì)量分數(shù)為30%的淀粉溶液，且單糖能通過半透膜而二糖、多糖不能通過半透膜。下列相關(guān)敘述錯誤的是 （ ）

圖4 滲透系統(tǒng)示意圖

A.裝置A的現(xiàn)象是左側(cè)液面先下降后上升，最終左右液面持平

B.A裝置左右側(cè)替換為等量蔗糖溶液，左右側(cè)分別加入相等且適量的蔗糖酶、淀粉酶，左側(cè)液面逐漸上升，最后左側(cè)液面高于右側(cè)

C.裝置B燒杯中溶液液面下降的速率逐漸減緩

D.裝置B達到滲透平衡后，水分子向半透膜兩側(cè)擴散的速度相同

參考答案：B。

解析：對于裝置A而言，在起始階段右側(cè)是質(zhì)量分數(shù)為30%的葡萄糖溶液，左側(cè)是蒸餾水，右側(cè)為高滲溶液，對水分子的吸引力較大，故單位時間內(nèi)水分子向右側(cè)流動的數(shù)量遠大于流向?qū)?cè)。所以，右側(cè)液面逐漸升高，隨著葡萄糖向左側(cè)擴散，左側(cè)滲透壓逐漸升高，從而加速水分子向左側(cè)擴散，同時減慢了水分子向右側(cè)擴散的速率，最終導致左側(cè)液面開始上升。在此過程中，教師設問：單糖和水分子均可通過半透膜，那為何在一定時間內(nèi)會存在這樣的濃度差？學生根據(jù)分子大小的不同，分析出相關(guān)原因，從而為半透膜兩側(cè)具有不同大小分子的擴散速率存在差異做好鋪墊。教師引導學生解決兩個問題：①蔗糖酶水解蔗糖后所引起左側(cè)滲透壓變化情況如何？②平衡之后生成單糖在膜兩側(cè)濃度的大小有何關(guān)聯(lián)？學生明晰這兩個問題，即可明確選項B錯誤的原因：平衡之后，右側(cè)液面高于左側(cè)。

2.3 對教材滲透裝置模型的拓展研究

利用較為復雜的情景，考查學生綜合運用能力，一直是新高考的改革的終極目標。研究教材模型有助于更好地輔助學生理解滲透原理。

【例3】圖5為滲透實驗裝置示意圖，蔗糖不能透過半透膜，滲透平衡時燒杯中液面高度為，漏斗中液面高度為，液面差為。下列有關(guān)敘述正確的是 （ ）

圖5 滲透實驗裝置示意圖

A.若向燒杯中滴入清水，則重新平衡時將增大

B.若向漏斗中滴入清水，則重新平衡時將增大

C.若向漏斗中加入蔗糖分子，則重新平衡時保持不變

D.把段內(nèi)的液體吸出后，重新平衡時將減小

參考答案：D。

解析：液面差的大小取決于內(nèi)外濃度差，而且與濃度差成正比，故分別向漏斗內(nèi)加入清水、蔗糖分子時，漏斗內(nèi)溶液滲透壓分別降低和升高，最終導致值分別減小、增大。吸出漏斗中高出燒杯液面的溶液，液面由于滲透作用會繼續(xù)上升，上升的時候?qū)⒙┒返娜芤合♂專瑵B透壓下降，因此減??；但若向燒杯中滴加清水，短時間內(nèi)導致減小，打破了漏斗內(nèi)滲透壓對水分子吸引力與液面差產(chǎn)生水壓對水分子外排的平衡，水分子則會更多地進入漏斗，使增大，維持新的平衡，與原來相比，漏斗內(nèi)水分增加，致使漏斗內(nèi)滲透壓降低，故液面差也隨之減少。

2.4 對教材滲透原理的應用研究

學生將概念應用到實踐中去，學會用概念解釋生物學現(xiàn)象、解決實際生活中的生物學問題，有助于形成生物學學科的價值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力。

【例4】將紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞放入一定濃度的NaCl溶液中，發(fā)現(xiàn)其原生質(zhì)體（即植物細胞中細胞壁以內(nèi)的部分）的體積變化趨勢如圖6所示。下列敘述正確的是 （ ）

圖6 原生質(zhì)體體積變化趨勢圖

A.0～2 h內(nèi)，細胞吸水能力逐漸變小

B.2～4 h內(nèi)，NaCl通過細胞膜進入細胞

C.4 h時，NaCl溶液的濃度等于洋蔥細胞液的濃度

D.原點處，NaCl溶液的濃度大于洋蔥細胞液的濃度

參考答案：D。

解析：如圖6所示，紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞先發(fā)生質(zhì)壁分離，后自動復原。教師提出問題：發(fā)生這種現(xiàn)象的前提條件是什么？引導學生明確此現(xiàn)象發(fā)生的外在必要條件：具有適宜濃度的可被細胞吸收的外界溶液，適宜濃度是關(guān)鍵。教師還可以就此引導學生展開分析：0～2 h內(nèi)，細胞處于失水的過程，細胞液濃度逐漸升高，濃度的變化，有細胞液原溶質(zhì)濃度的升高，也存在NaCl被細胞吸收進入的過程，在該時間內(nèi)，發(fā)生質(zhì)壁分離的過程，此時細胞液濃度小于外界溶液。2～4 h內(nèi)，原生質(zhì)體的體積逐漸增大，最終恢復原狀，屬于質(zhì)壁分離復原的過程，此時細胞液濃度大于外界溶液。2 h時，二者濃度相同。完全復原的4 h時，由于存在細胞壁伸縮性較小的限制，原生質(zhì)體的體積無法進一步增大，但存在繼續(xù)增的趨勢，因此，此時刻NaCl溶液的濃度小于洋蔥細胞液的濃度。

高中生物學課程已經(jīng)進入核心素養(yǎng)時代，“大概念”教學的研究刻不容緩。教師只有在教學中引導學生一步一個腳印地理解各個次位概念，學科核心素養(yǎng)才能真正地在課堂中落地生根。