基于真實(shí)情境和合作探究的“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

劉怡晴

（安徽省合肥市第八中學(xué) 安徽合肥 230071）

1 單元教材分析及設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)分裂實(shí)現(xiàn)增殖”是2019年人教版《必修1·分子與細(xì)胞》的大概念。該教材以“細(xì)胞是基本的生命系統(tǒng)”為主線(xiàn)展開(kāi)，闡述細(xì)胞作為基本的生命系統(tǒng)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、功能和發(fā)展?！凹?xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”單元是樹(shù)立生命觀(guān)念中結(jié)構(gòu)與功能觀(guān)、物質(zhì)與能量觀(guān)極其重要的一個(gè)單元。該單元的內(nèi)容是由結(jié)構(gòu)到功能的過(guò)渡，是在第三單元基礎(chǔ)上對(duì)細(xì)胞功能的深入認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的理解。該單元首先通過(guò)水分子進(jìn)出細(xì)胞的方式，引出滲透作用的概念，概括被動(dòng)運(yùn)輸?shù)母拍?；在此基礎(chǔ)上區(qū)分自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散，為進(jìn)一步介紹主動(dòng)運(yùn)輸打下基礎(chǔ)，并介紹了大分子物質(zhì)通過(guò)胞吞、胞吐的方式進(jìn)出細(xì)胞；最后，對(duì)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式進(jìn)行總結(jié)，闡明質(zhì)膜具有選擇透過(guò)性。學(xué)生通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，能夠構(gòu)建“物質(zhì)通過(guò)被動(dòng)運(yùn)輸、主動(dòng)運(yùn)輸?shù)确绞竭M(jìn)出細(xì)胞，以維持細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)”的重要概念。在保留舊教材主體知識(shí)結(jié)構(gòu)不變的情況下，本單元部分課題的編排順序發(fā)生改變，部分概念更加細(xì)致完善，符合知識(shí)由易到難的邏輯，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，強(qiáng)調(diào)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

本單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。第二、三個(gè)次位概念是建立第一個(gè)次位概念的基礎(chǔ)，通過(guò)課題1“被動(dòng)運(yùn)輸”建構(gòu)次位概念1和2，通過(guò)課題2“主動(dòng)運(yùn)輸與胞吞、胞吐”建立次位概念1和3。

圖1 單元知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際教學(xué)中，本單元教學(xué)有3個(gè)困境：滲透作用原理的學(xué)習(xí)易出現(xiàn)紙上談兵現(xiàn)象；探究實(shí)驗(yàn)易形式化；物質(zhì)運(yùn)輸方式中有些概念較抽象。本單元的任務(wù)與活動(dòng)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。本著反向建構(gòu)原則，將本單元課題對(duì)應(yīng)4個(gè)基本課時(shí)劃分成4個(gè)任務(wù)以建立重要概念，4個(gè)任務(wù)進(jìn)一步劃分成12個(gè)活動(dòng)和1次單元評(píng)價(jià)測(cè)試。

表1 單元任務(wù)與活動(dòng)設(shè)計(jì)

教師采用3種教學(xué)策略應(yīng)對(duì)3個(gè)困境。（1）模型建構(gòu)法。建構(gòu)物理和數(shù)學(xué)模型直觀(guān)理解抽象的物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程。任務(wù)③中用實(shí)物構(gòu)建流動(dòng)鑲嵌模型，直觀(guān)有效地完成轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能學(xué)習(xí)。（2）合作探究法。學(xué)生為主導(dǎo)，以小組為單位重新設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)課題，自主完成完整的合作探究活動(dòng)。任務(wù)②中完成質(zhì)壁分離基本觀(guān)察操作后，嘗試用質(zhì)壁分離現(xiàn)象解決新的問(wèn)題。（3）情境教學(xué)法。所有問(wèn)題的引出均通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境而來(lái)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣并進(jìn)行深層次思考分析以形成更直觀(guān)有效的記憶。任務(wù)④中情境導(dǎo)入，結(jié)合當(dāng)下熱點(diǎn)分析某品牌飲料是否存在糖類(lèi)物質(zhì)，激發(fā)學(xué)生思考動(dòng)力。教師創(chuàng)設(shè)情境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)交流方式進(jìn)行科學(xué)探究，融合新舊知識(shí)，在實(shí)踐中加深對(duì)知識(shí)的理解并運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決生活中的問(wèn)題，建構(gòu)概念，發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

2 單元教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的真實(shí)情境的分析和物理、數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)，闡釋生物膜的選擇透過(guò)性，樹(shù)立科學(xué)的結(jié)構(gòu)與功能觀(guān)、物質(zhì)與能量觀(guān)。

②運(yùn)用類(lèi)比推理、歸納與概括、模型與建模等科學(xué)思維方法，分析物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞郊疤攸c(diǎn)，并能夠預(yù)測(cè)給定新情境下的物質(zhì)運(yùn)輸規(guī)律。

③熟練掌握顯微鏡觀(guān)察植物細(xì)胞吸水和失水現(xiàn)象的技能，運(yùn)用科學(xué)研究的思路和方法，針對(duì)給定的探究情境能夠獨(dú)立完成探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，提高動(dòng)手操作能力和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

④能夠運(yùn)用物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)闹R(shí)，解釋生活中常見(jiàn)的生物學(xué)現(xiàn)象，分析和解決如蔬菜腌制、合理施肥、治療胃酸等實(shí)踐問(wèn)題，關(guān)注環(huán)境保護(hù)等社會(huì)議題。

3 部分單元教學(xué)過(guò)程

3.1 情境和實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入，分析滲透作用和動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水

活動(dòng)①擴(kuò)散現(xiàn)象和滲透作用裝置的分析。教師利用燒杯中紅墨水色素分子的運(yùn)動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生思考擴(kuò)散現(xiàn)象。教師課堂演示燒杯——漏斗滲透作用裝置，引導(dǎo)學(xué)生分析滲透作用的概念和條件。

活動(dòng)②觀(guān)看動(dòng)物細(xì)胞吸水與失水真實(shí)情境的視頻。教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合觀(guān)看的視頻進(jìn)行類(lèi)比推理。學(xué)生總結(jié)：動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜相當(dāng)于一層半透膜，動(dòng)物細(xì)胞可發(fā)生滲透作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)模擬情境的分析，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納滲透作用的原理和條件。學(xué)生分析擴(kuò)散現(xiàn)象和滲透作用的真實(shí)情境，運(yùn)用類(lèi)比推理、歸納與概括的科學(xué)思維方法，對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水進(jìn)行闡釋?zhuān)醪綐?shù)立結(jié)構(gòu)與功能觀(guān)。

3.2 直觀(guān)展示蒜苗的吸水和失水情境，激發(fā)探究欲望

活動(dòng)③觀(guān)察植物細(xì)胞的吸水和失水現(xiàn)象。教師課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，課堂演示相對(duì)較硬的蒜苗剖開(kāi)后的吸水和失水的現(xiàn)象。一段幾秒鐘的蒜苗“開(kāi)花”的動(dòng)態(tài)視頻立刻抓住了學(xué)生的注意力。

教師提出問(wèn)題：植物細(xì)胞的吸水或失水取決于什么條件？植物細(xì)胞是否會(huì)吸水脹破？植物細(xì)胞的水分主要集中在哪個(gè)結(jié)構(gòu)？水分子進(jìn)出細(xì)胞需要經(jīng)過(guò)哪些膜結(jié)構(gòu)？學(xué)生主動(dòng)思考和解釋?zhuān)瑲w納總結(jié)出植物細(xì)胞吸水和失水的條件與動(dòng)物細(xì)胞的相似之處、植物細(xì)胞壁的功能和特性。于是，教師引出新概念“原生質(zhì)層”。結(jié)合教材中成熟的植物細(xì)胞模式圖，學(xué)生類(lèi)比滲透作用，推理出成熟植物細(xì)胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜。

設(shè)計(jì)意圖：教師展示宏觀(guān)的蒜苗的吸水和失水的真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比推理、分析和總結(jié)，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。

3.3 回到細(xì)胞本身，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作并歸納概括

活動(dòng)④觀(guān)察植物細(xì)胞的吸水和失水現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)在教材中為探究性實(shí)驗(yàn)，但探究實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題、結(jié)果和結(jié)論均在教材直接呈現(xiàn)，學(xué)生探究欲望不強(qiáng)，易做成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。筆者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)操訓(xùn)練，完成植物細(xì)胞吸水和失水的操作步驟的學(xué)習(xí)，并對(duì)動(dòng)手操作能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生的技能。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，帶著真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，反思實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題：在質(zhì)量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液中植物細(xì)胞發(fā)生了什么變化？更換到清水中植物細(xì)胞又發(fā)生了什么變化？質(zhì)壁分離中的“質(zhì)”和“壁”分別指什么？質(zhì)壁分離發(fā)生的基本條件有哪些？學(xué)生主動(dòng)思考和解答系列問(wèn)題，進(jìn)而描述總結(jié)質(zhì)壁分離的現(xiàn)象特征。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，熟練掌握使用顯微鏡觀(guān)察植物細(xì)胞吸水和失水現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)操作技能，由真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)情境提出問(wèn)題并進(jìn)行知識(shí)的歸納與概括、解釋和總結(jié)，發(fā)展科學(xué)思維，并樹(shù)立科學(xué)的結(jié)構(gòu)與功能觀(guān)。

3.4 體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程并解決實(shí)際問(wèn)題

活動(dòng)⑤探究不同條件下的植物細(xì)胞的吸水和失水。教師給每組準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄單，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)提出新的探究問(wèn)題。學(xué)生提出的問(wèn)題主要有：不同濃度的高濃度溶液處理植物細(xì)胞，質(zhì)壁分離程度和時(shí)間是否有差異？什么樣的植物細(xì)胞可以發(fā)生質(zhì)壁分離？不同種類(lèi)的溶液處理植物細(xì)胞，質(zhì)壁分離的現(xiàn)象是否相同？具體探究之前，教師對(duì)科學(xué)探究的一般步驟進(jìn)行規(guī)范說(shuō)明：提出問(wèn)題——作出假設(shè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——實(shí)施實(shí)驗(yàn)——分析實(shí)驗(yàn)——得出結(jié)論。接著，學(xué)生分組根據(jù)提出的問(wèn)題自主設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案，動(dòng)手實(shí)踐完成，并對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)和評(píng)價(jià)。學(xué)生參與積極性高，不同組別選擇了不同探究課題，自變量分別為不同濃度的外界溶液、不同類(lèi)型的植物材料、不同種類(lèi)的溶質(zhì)。

以不同濃度為自變量的探究小組，發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間內(nèi)植物細(xì)胞失水情況差異明顯。以不同材料為自變量的探究小組，自行選擇了洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞、水綿細(xì)胞（學(xué)生在學(xué)校附近水溝打撈而來(lái)）、菠菜葉下表皮細(xì)胞、番茄表皮細(xì)胞進(jìn)行滲透失水現(xiàn)象觀(guān)察。以番茄表皮細(xì)胞為材料時(shí)，學(xué)生沒(méi)有觀(guān)察到現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和推理，學(xué)生自己得出必須是有液泡的成熟細(xì)胞才能觀(guān)察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象的結(jié)論。以不同溶質(zhì)為自變量的探究小組，有學(xué)生希望能觀(guān)察到質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原的現(xiàn)象，教師引導(dǎo)該學(xué)生課后繼續(xù)觀(guān)察，結(jié)合數(shù)碼顯微鏡的成像完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的視頻化輸出，學(xué)生自己錄制的視頻中自動(dòng)復(fù)原現(xiàn)象清晰可見(jiàn)。后續(xù)課堂上，教師對(duì)該學(xué)生的主動(dòng)探究精神進(jìn)行了肯定和表?yè)P(yáng)。

在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生自主提出問(wèn)題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行結(jié)果分析，思考并解決問(wèn)題：什么樣的植物細(xì)胞會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離？隨著外界濃度的增大，植物細(xì)胞吸水和失水的程度呈現(xiàn)怎樣的變化？為什么硝酸鉀溶液中的植物細(xì)胞質(zhì)壁分離后會(huì)自動(dòng)復(fù)原？教師總結(jié)延伸，學(xué)生思考、歸納完成質(zhì)壁分離的條件和復(fù)原的機(jī)制。由此，教師聯(lián)系生活實(shí)際，提出問(wèn)題：“燒苗”是什么原因造成的？給植物澆水施肥時(shí)應(yīng)注意什么？腌制食品時(shí)為什么會(huì)產(chǎn)生水分？植物細(xì)胞液的濃度無(wú)法直接測(cè)量，有無(wú)測(cè)量的辦法？如何判斷一個(gè)成熟的植物細(xì)胞是否死亡？學(xué)生分組討論，在已有知識(shí)背景下提出解決思路。

設(shè)計(jì)意圖：教師基于教材實(shí)驗(yàn)又創(chuàng)生教材實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)提出新的問(wèn)題，在規(guī)范科學(xué)探究的一般步驟的基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生自主設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)并動(dòng)手實(shí)踐，評(píng)價(jià)展示與歸納概括，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，提高動(dòng)手操作能力和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，有效提升邏輯思維和批判性思維能力，訓(xùn)練科學(xué)思維，并進(jìn)行遷移應(yīng)用解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，落實(shí)社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。

3.5 歸納概括被動(dòng)運(yùn)輸?shù)母拍詈吞攸c(diǎn)

活動(dòng)⑥歸納水分子進(jìn)出細(xì)胞的方式和特點(diǎn)。結(jié)合動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞的吸水與失水的探討，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類(lèi)比推理：水分子進(jìn)出植物細(xì)胞通過(guò)擴(kuò)散作用，原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜；水分子進(jìn)出動(dòng)物細(xì)胞通過(guò)擴(kuò)散作用，細(xì)胞膜相當(dāng)于半透膜。教師指出水分子進(jìn)出細(xì)胞的方式稱(chēng)為被動(dòng)運(yùn)輸，提出問(wèn)題：被動(dòng)運(yùn)輸具有什么特點(diǎn)？與擴(kuò)散現(xiàn)象相聯(lián)系，學(xué)生歸納總結(jié)“被動(dòng)運(yùn)輸不需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量，且順濃度梯度進(jìn)行”。

設(shè)計(jì)意圖：教師綜合水分子進(jìn)出植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的方式，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)出被動(dòng)運(yùn)輸?shù)母拍詈吞攸c(diǎn)，從而建構(gòu)物質(zhì)運(yùn)輸方式的概念，發(fā)展科學(xué)思維，樹(shù)立生命觀(guān)念。

4 單元教學(xué)反思

本單元教學(xué)內(nèi)容是“分子與細(xì)胞”模塊的重要組成部分。學(xué)生在初中階段對(duì)植物細(xì)胞的吸水和失水有感性認(rèn)識(shí)，對(duì)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能有初步認(rèn)識(shí)，為本單元內(nèi)容學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在能力方面，學(xué)生具備科學(xué)推理和探究能力，但設(shè)計(jì)完整科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析復(fù)雜情境的原理及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作能力有待發(fā)展。本單元教學(xué)中，完整的探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程鍛煉學(xué)生的科學(xué)探究能力。教師所使用的情境全部是真實(shí)情境，涉及到的實(shí)驗(yàn)是教師提前完成或?qū)W生課上自主完成，所使用資料等情境來(lái)源于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，契合新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)的“基于事實(shí)和證據(jù)形成概念”思想，落實(shí)了生命觀(guān)念的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維的訓(xùn)練和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。學(xué)生在實(shí)踐中加深概念理解并將知識(shí)遷移應(yīng)用以解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。除采用課時(shí)校本作業(yè)、單元評(píng)測(cè)等常規(guī)評(píng)價(jià)方式之外，教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)采集結(jié)果評(píng)價(jià)、合作小組評(píng)價(jià)、課堂即時(shí)評(píng)價(jià)等進(jìn)行多元化教學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)教學(xué)效果及時(shí)反饋，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。此外，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)中，教師還需更進(jìn)一步完善細(xì)節(jié)；在部分探究中學(xué)生參與度低；學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的規(guī)范上仍存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步鍛煉。