基于模型分析的高中生物學(xué)概念教學(xué)
——以人教版“主動(dòng)運(yùn)輸與胞吞、胞吐”為例

楊 旭

（無錫市第一中學(xué) 江蘇無錫 214031）

生物學(xué)概念在中學(xué)教材中占有較大的比重，它是學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)、理解生物學(xué)原理、領(lǐng)悟生物學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)，也是中學(xué)生物學(xué)日常課堂教學(xué)的重要內(nèi)容之一，還是發(fā)展生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。概念具有較強(qiáng)的抽象性和概括性，每一個(gè)概念背后都有著豐富的教學(xué)內(nèi)容。在傳統(tǒng)的概念教學(xué)中，教師往往注重對(duì)概念的程序化解讀，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)概念表述文字的機(jī)械式記憶，學(xué)生處于知識(shí)學(xué)習(xí)的被動(dòng)接受地位。師生看似在課堂上花費(fèi)了很多時(shí)間，教學(xué)效果卻是低效的，學(xué)生對(duì)相關(guān)概念沒有深層次的理解，不會(huì)在具體問題中應(yīng)用，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)水平提升。學(xué)科核心素養(yǎng)視域下的典型概念教學(xué)應(yīng)是基于事實(shí)和現(xiàn)象，幫助和促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)共建的過程。

在人教版《必修1·分子與細(xì)胞》的“主動(dòng)運(yùn)輸與胞吞、胞吐”一節(jié)教學(xué)中，教師圍繞“人體如何獲取葡萄糖”這一具體情境，以模型分析為教學(xué)指導(dǎo)思想，通過創(chuàng)設(shè)情境、構(gòu)建模型、驗(yàn)證模型、應(yīng)用模型等教學(xué)環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建主動(dòng)運(yùn)輸、胞吞、胞吐等基本概念，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)、科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生初步形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”等生命觀念。

1 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)概念萌生

教師聯(lián)系學(xué)生生活，創(chuàng)設(shè)情境：物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸是細(xì)胞維持正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)之一。例如，葡萄糖分子是生命活動(dòng)的能源物質(zhì)，而人是異養(yǎng)型生物，人體所需的葡萄糖都是來源于食物中糖類物質(zhì)的消化和吸收。通過上一節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道葡萄糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)可以通過協(xié)助擴(kuò)散的方式，順濃度梯度進(jìn)入組織細(xì)胞。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：細(xì)胞中是否存在逆濃度梯度的運(yùn)輸方式？

教師展示圖1，并提供資料：小腸上皮細(xì)胞膜上存在載體蛋白G和載體蛋白S。2種轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的載體蛋白：當(dāng)進(jìn)食一段時(shí)間后，隨著糖類物質(zhì)的消化，腸腔局部的葡萄濃度可以達(dá)到50～300 mmol/L(高于小腸上皮細(xì)胞內(nèi)),載體蛋白G數(shù)量增加。當(dāng)葡萄糖被大量吸收后，腸腔局部的葡萄糖濃度降低到2 mmol/L（低于腸上皮細(xì)胞內(nèi)），載體蛋白G數(shù)量減少，而載體蛋白S活性增強(qiáng)。教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：兩種載體蛋白功能上的差異是什么？載體蛋白S在發(fā)揮作用時(shí)，是否需要其他物質(zhì)的參與？小腸上皮細(xì)胞存在兩種葡萄糖載體蛋白的意義是什么？

圖1 小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖示意圖

設(shè)計(jì)意圖：教師創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用已有的協(xié)助擴(kuò)散的知識(shí)去分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、綜合分析、邏輯推理的能力。學(xué)生在分析過程中發(fā)現(xiàn)自己目前擁有的知識(shí)及其原理難以解釋面臨的問題，引發(fā)認(rèn)知和思維沖突，從而促進(jìn)嘗試推測(cè)另一種可以逆濃度梯度運(yùn)輸、需要消耗能量的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的存在。這有助于學(xué)生對(duì)主動(dòng)運(yùn)輸概念和特點(diǎn)的理解，讓學(xué)生從發(fā)現(xiàn)葡萄吸收方式的多樣性，體會(huì)到生命世界的復(fù)雜性。

2 構(gòu)建模型，生成概念要素

學(xué)生分組構(gòu)建被動(dòng)運(yùn)輸?shù)纳磉^程模型，并結(jié)合模型，討論主動(dòng)運(yùn)輸模型的基本內(nèi)容。教師給出討論的主要議題：①模型中需要包含哪些物質(zhì)分子，功能各是什么？②主動(dòng)運(yùn)輸?shù)纳磉^程模型與被動(dòng)運(yùn)輸?shù)纳磉^程模型相比，有何異同？③利用該模型解釋葡萄糖等物質(zhì)分子實(shí)現(xiàn)逆濃度梯度的運(yùn)輸。④總結(jié)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)囊话氵^程。學(xué)習(xí)小組根據(jù)上述4個(gè)議題，展開討論，最后小組代表發(fā)言，不同小組之間相互評(píng)價(jià)、相互補(bǔ)充。

學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，教師通過圖片、動(dòng)畫、視頻等形式，與學(xué)生共同總結(jié)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)囊话氵^程（圖2）：①被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)分子與載體蛋白特定部位結(jié)合；②ATP供能，載體蛋白空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將其運(yùn)向高濃度一側(cè)；③隨后，載體蛋白空間結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀，繼續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)同種物質(zhì)。在對(duì)生理過程模型的分析過程中，學(xué)生對(duì)于逆濃度梯度、載體蛋白、細(xì)胞代謝提供能量主動(dòng)運(yùn)輸概念的3個(gè)關(guān)鍵要素有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。

圖2 主動(dòng)運(yùn)輸生理過程模型

設(shè)計(jì)意圖：模型方法是現(xiàn)代科學(xué)方法的核心內(nèi)容之一，是解決復(fù)雜問題的有效手段。教師采取了小組討論學(xué)習(xí)的形式，基于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”設(shè)計(jì)討論議題，進(jìn)行模型建構(gòu)，讓學(xué)生明確主動(dòng)運(yùn)輸模型中的3個(gè)基本要素，鍛煉了學(xué)生解讀圖解、類比分析、語言表達(dá)等方面的能力。

3 驗(yàn)證模型，促進(jìn)概念生成

教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證模型：上述主動(dòng)運(yùn)輸生理過程模型的構(gòu)建是基于對(duì)小腸腸腔內(nèi)葡萄糖濃度變化理論的分析推測(cè)，理論是否正確需要科學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。學(xué)生分組討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，證明主動(dòng)運(yùn)輸需要載體蛋白的協(xié)助、需要消耗ATP。教師補(bǔ)充“抑制劑”在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中作用的內(nèi)容：通過加入抑制某種物質(zhì)功能或生理過程的抑制劑，可以對(duì)相關(guān)生理過程進(jìn)行科學(xué)研究。

在小組交流討論的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步展示科學(xué)家的研究思路：將離體的小腸上皮細(xì)胞置于不同濃度的葡萄糖溶液中，分別加入載體蛋白抑制劑、ATP合成抑制劑，葡萄糖運(yùn)輸速率均下降；科學(xué)家還分別測(cè)定了在不同的外界葡萄糖濃度條件下，載體蛋白G和載體蛋白S對(duì)葡萄糖的運(yùn)輸速率，分別加入ATP合成抑制劑后，載體蛋白S的運(yùn)輸速率明顯下降（圖3）。

圖3 兩種葡萄糖載體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)速率曲線

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主動(dòng)運(yùn)輸生理過程模型的正確性。學(xué)生綜合該模型中的3個(gè)關(guān)鍵要素，歸納出主動(dòng)運(yùn)輸這一概念的核心內(nèi)容：物質(zhì)逆濃度梯度進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，需要載體蛋白的協(xié)助，同時(shí)還需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量。

設(shè)計(jì)意圖：模型驗(yàn)證的環(huán)節(jié)讓學(xué)生體會(huì)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)的能力，鍛煉科學(xué)思維。在模型的構(gòu)建、驗(yàn)證等學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在頭腦中逐步生成主動(dòng)運(yùn)輸概念的基本表述和內(nèi)在含義，體驗(yàn)到了概念的認(rèn)知和構(gòu)建的過程，學(xué)會(huì)了像科學(xué)家一樣進(jìn)行思考。

4 應(yīng)用模型，加深概念理解

教師展示相關(guān)生理過程圖解（圖4），引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識(shí)的基礎(chǔ)，結(jié)合主動(dòng)運(yùn)輸生理過程模型嘗試解釋葡萄糖從腸腔運(yùn)輸?shù)絻?nèi)環(huán)境中的過程。并提供問題串：①圖中涉及到幾種載體蛋白，與被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)之間是否存在選擇性？②葡萄糖分子從腸腔運(yùn)輸?shù)襟w內(nèi)中要直接穿過幾層生物膜？③葡萄糖在進(jìn)行跨膜運(yùn)輸時(shí)分別是逆濃度梯度，還是順濃度梯度？④葡萄糖逆濃度運(yùn)輸時(shí)所需能量是否直接來源于ATP？⑤葡萄糖逆濃度進(jìn)入細(xì)胞的運(yùn)輸方式是否屬于主動(dòng)運(yùn)輸？⑥鈉、鉀離子如何進(jìn)出細(xì)胞，是否屬于主動(dòng)運(yùn)輸？⑦鈉、鉀離子和葡萄糖的跨膜運(yùn)輸之間存在怎樣的關(guān)系？⑧主動(dòng)運(yùn)輸?shù)目缒み\(yùn)輸方式對(duì)生命生存的意義是什么？

圖4 小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖生理過程圖解

設(shè)計(jì)意圖：教師利用問題串，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用模型解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主動(dòng)運(yùn)輸?shù)哪Ｐ腿シ治銎咸烟欠肿尤绾未┻^小腸上皮細(xì)胞進(jìn)入人體這一關(guān)鍵問題：在運(yùn)輸部位方面，通過小腸上皮細(xì)胞面向腸腔一側(cè)和面向內(nèi)環(huán)境一側(cè)兩個(gè)部位，分析葡萄糖分子進(jìn)、出小腸上皮細(xì)胞在過程上的差異；在能量來源方面，通過分析鈉鉀離子進(jìn)出細(xì)胞方式、與葡萄糖運(yùn)輸之間的關(guān)系，了解主動(dòng)運(yùn)輸所需的能量既可以直接來源于ATP，也可以來源于消耗ATP所建立起來的離子梯度；在載體蛋白功能方面，比較兩種葡萄糖載體蛋白、鈉鉀泵功能上的差異，理解“載體蛋白只能運(yùn)輸一種或一類離子或分子”，加深對(duì)膜的“選擇透過性”的理解。通過梳理葡萄糖運(yùn)輸與離子運(yùn)輸之間的關(guān)系，學(xué)生能夠用聯(lián)系的思想來分析問題，體會(huì)生命系統(tǒng)的整體性、結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一等生物學(xué)的基本觀念。

在明確葡萄糖進(jìn)入小腸上皮細(xì)胞的方式之后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析：消化道內(nèi)的葡萄糖主要來自淀粉等多糖類物質(zhì)的消化，淀粉的消化是在淀粉酶、麥芽糖酶的作用下完成，而這些酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，屬于大分子物質(zhì)，它們是在細(xì)胞內(nèi)合成的。細(xì)胞如何實(shí)現(xiàn)大分子物質(zhì)的輸入和輸出？教師引導(dǎo)學(xué)生回顧分泌蛋白的合成分泌過程引出“胞吐”的概念，展示吞噬細(xì)胞吞噬病原體的過程引出“胞吞”的概念，師生合作對(duì)胞吞和胞吐這兩種物質(zhì)運(yùn)輸模型進(jìn)行分析，從運(yùn)輸方向、是否需要膜蛋白參與、能量需求等內(nèi)容進(jìn)行分析和總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)胞吞、胞吐的基本概念。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課以“人體如何獲取葡萄糖”為情境，巧妙地將主動(dòng)運(yùn)輸、協(xié)助擴(kuò)散、胞吞和胞吐等概念串聯(lián)起來，結(jié)合文字、圖解、視頻、實(shí)驗(yàn)等學(xué)習(xí)資料，通過模型分析的方法，鍛煉了學(xué)生構(gòu)建概念、應(yīng)用概念的能力，加深了學(xué)生對(duì)概念的理解。同時(shí)，本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容不是獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，整合本章的內(nèi)容，在弄清了小分子、大分子等各類物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的基本過程后，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起總結(jié)本章的知識(shí)要點(diǎn)，構(gòu)建以大概念統(tǒng)領(lǐng)的概念體系圖（圖5），總結(jié)、展現(xiàn)概念之間的邏輯關(guān)系。

圖5 物質(zhì)跨膜運(yùn)輸概念體系

本節(jié)課的概念教學(xué)在生物學(xué)事實(shí)情境中展開，教師引導(dǎo)學(xué)生基于模型分析的方法總結(jié)出“被動(dòng)運(yùn)輸、主動(dòng)運(yùn)輸、胞吞和胞吐”等次位概念，進(jìn)而形成“物質(zhì)通過被動(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)”等重要概念。最終，學(xué)生理解“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”這一大概念。本節(jié)課充分體現(xiàn)了內(nèi)容聚焦大概念的新課程基本理念。

筆者注重運(yùn)用“模型建構(gòu)”的方法，將概念的要點(diǎn)融入模型的科學(xué)理性分析過程中，順理成章地生成概念的基本表述，讓學(xué)生更加深入地理解了概念的內(nèi)涵和外延，以科學(xué)思維引領(lǐng)科學(xué)探究，以科學(xué)探究促進(jìn)科學(xué)思維，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”等生命觀念。