類比在生物學教學中的應用

鄭賽彬 高育蒙 陳秉初

摘 要 基于TWA模式，以“物質出入細胞的方式”一節為例，通過教學設計來探討類比在生物學教學中的應用。

關鍵詞 類比 生物學教學 TWA模式

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

類比是一個將兩個不同領域的知識系統，借由彼此間某種結構的相似性，由已知系統（又稱類比物）推導至欲知系統（又稱目標物），從而獲取知識的過程。類比在科學教學中扮演著重要的角色，是一種有效的科學學習方式，可以促進學生科學知識的產生與精加工。近年來類比的相關研究逐漸受到重視，尤其國外學者對類比的設計、教科書中所含類比的內容分析等研究關注較多，而且證了實類比教學的有效性。此外，國外一些學者依據不同的理論，將類比應用于教學，提出了多種類比教學模式，其中比較典型的類比教學模式有GMAT模式和TWA模式。下面基于TWA模式，通過教學設計來體現類比在生物學教學中的應用。

1 TWA模式（Teaching with Analogies Model）

TWA模式是由Glynn提出的一種類比教學模式。TWA模式包括6個教學步驟：（1） 介紹將要學習的科學概念（即目標物）；（2） 喚起學生對類比概念（即類比物）的記憶；（3） 辨認類比物的特征；（4） 標出目標物和類比物的相似特征；（5） 得出科學概念的結論；（6） 指出非類比之處。

Glynn指出TWA模式具有下列優點：（1） 假如教科書中所使用的類比沒有清楚地解釋，或是安排方式不恰當，則TWA模式可為教師提供教學時的參考；（2） 若只提供類比教材讓學生自行閱讀，可能會因為學生對科學概念的了解不完整或不正確，而導致學生迷思概念的產生。此時，如果讓學生熟悉TWA模式，再讓他們自行閱讀或設計類比，可增加學生對科學概念的理解。

Glynn在TWA模式的教學步驟上，尤其強調教師應該將類比概念與科學概念之間的對應關系解說清楚。Duit也提到使用TWA模式時，要特別注意教學步驟2~5，留意學生們所了解的類比是否與教師所預想的一致，并且確定學生能真的了解類比的相似之處。TWA模式最重要的環節是步驟4和步驟6，因為只有當學習者清楚地了解目標物和類比物的相似之處時，才有助于映射的順利產生。教師還應該時刻提醒學生注意類比的失效之處，以免產生不恰當的過度推論。本研究認為Glynn的TWA模式，步驟清晰，適用于實際教學，可以為教師運用類比進行教學提供參考依據。下面以高中生物“物質出入細胞的方式”一節為例，通過課堂教學設計具體分析TWA的應用。

2 “物質出入細胞的方式”的教學設計

2.1 學習任務分析

細胞是生物體結構和功能的基本單位，它不僅與周圍的環境之間發生物質交換，而且與周圍的其他細胞之間也要發生物質交換。因此，學習“物質出入細胞的方式”非常重要，它不僅與第二章中質膜的結構和功能有著密切的聯系，而且與所有新陳代謝的活動密切相關，如葉綠體和線粒體代謝過程中的物質轉運方向,神經纖維上興奮傳導的實質等。學生對“物質出入細胞的方式”的順利掌握是準確理解生命活動實質的基礎。

2.2 學習者分析

學生已經掌握細胞膜的結構基礎，了解細胞是由一層具有選擇透過性的質膜包被著，這為本節課的學習打下了認知的基礎。同時，學生具備了一定的化學和物理知識，能理解濃度高的溶液滲透壓高，地勢高的物體具備的勢能大，這有助于通過分析“物體在河流上下游間的運輸”來類比學習“物質出入細胞的方式”。

2.3 教學目標

（1） 知識目標：簡述擴散的特點；闡明滲透的概念及原理；概述被動轉運和主動轉運的概念；區別被動轉運和主動轉運兩種不同的方式；概述胞吞和胞吐兩種方式。

（2） 能力目標：通過分析“物體在河流上下游間的運輸”來類比物質出入細胞的各種方式，初步學會用類比的思維理解生物學的重要概念；通過區別物質進出細胞的不同方式，學會分析問題。

（3） 情感、態度與價值觀目標：通過理解擴散和滲透作用的過程，知道生命活動不斷發展變化以及適應的特性，學會自覺地用發展變化的思維認識生命；通過聯系生產、生活等實際，產生學習生物學的興趣和關心社會生活的意識。

2.4 教學重點和難點

（1） 教學重點：滲透作用的原理。

（2） 教學難點：被動轉運和主動轉運的區別。

2.5 教學過程

（1） 介紹要學習的概念。

概念介紹：

① 細胞膜是選擇透過性膜；

② 擴散：H2O、CO2、O2、甘油、乙醇等小分子物質僅依賴濃度差通過細胞膜；水分子的擴散即為滲透。

③ 易化擴散：葡萄糖等從高濃度溶液到低濃度溶液的擴散需要載體協助，但不需要額外提供能量。如葡萄糖進入紅細胞。

④ 主動轉運：離子、氨基酸等物質從低濃度運輸到高濃度既需要載體的幫助，又需要克服濃度差做功，并且需要消耗能量。

⑤ 胞吞和胞吐:大分子蛋白質等物質出入細胞不需要載體,但需要消耗能量并依賴細胞膜的流動性,形成具膜小泡,通過膜的融合方式完成。

（2） 喚起學生對類比物的記憶。

先展示一張河流圖和一張拱橋圖（圖1）。

教師引導學生回憶及討論：

① 河流上游和下游的特點：

② 水流的方向。

學生討論的結果：

① 上游：在河流的上段，地勢較高。下游：在河流的下段，地勢較低。

② 水流從上游到下游。

（3） 確認類比物的相關特征。

教師設計一系列問題串：

① 假設一個乒乓球要從河流的上游經過橋洞運送到下游,最簡單的辦法是什么？是否需要載體？是否需要人額外對其施加動力？

② 假設一個鐵球要從河流的上游經過橋洞運送到下游,最簡單的辦法是什么？是否需要載體?是否需要人額外對其施加動力？

③ 假設一個鐵球要從河流的下游經過橋洞運送到上游,最簡單的辦法是什么？是否需要載體?是否需要人額外對其施加動力？

學生討論，并得出結果。

① 乒乓球可直接從上游經過橋洞漂向下游。

② 鐵球需借助載體如小船從上游漂到下游。

③ 鐵球從下游運往上游需要載體如小船,還需要劃動船槳消耗能量才可以克服勢能。

（4） 對應目標物與類比物兩者的相似性。

類比：物質出入細胞的方式，如擴散、滲透、協助擴散、主動運輸，可以類比為物體在河流上下游間的運輸。物質跨膜運輸過程中膜兩側具有濃度差的溶液可類比為河流的上游和下游，上游和下游之間的拱橋可類比為細胞膜，橋洞就是物質穿過的通道，不同大小的橋洞代表不同物質經過的通道。具體目標物和類比物對應如表1。

概念類比：“擴散”可類比為把乒乓球從河流的上游經橋洞運送到下游，“易化擴散”可類比為把鐵球從上游經橋洞運送到下游，“主動轉運”可類比為把鐵球從下游經橋洞運送到上游。

學生討論： 根據類比物的特點,討論擴散、滲透、易化擴散、主動轉運的特點。

學生討論結果見表2。

（5） 歸納目標物的重點。

教師歸納提升：歸納各概念之間的相同點和不同點：如載體的需要、能量的消耗、物質的移動方向、穿過膜的層數等。再讓學生試著用“滑滑梯”方式來類比物質的跨膜運輸，再次建構新知識，深化對概念的理解。

（6） 指出類比的限制。

教師引導學生反思：指出以上的類比只是幫助理解的比喻，有局限性。

學生討論：分別討論擴散、滲透、易化擴散、主動轉運的類比物的局限性。

學生討論的結果：

① 擴散:河水只能從上游流向下游，但擴散的過程是一個動態變化過程，低濃度溶液中的溶質分子可以擴散到高濃度溶液中，但由于高濃度溶液的溶質分子擴散到低濃度溶液的分子數遠遠大于低濃度擴散至高濃度的分子數，因此總體表現出高濃度的溶質分子向低濃度溶液擴散的結果。

② 滲透：當擴散的對象為水分子時，則是低濃度溶液中水分子向高濃度溶液擴散的量大于高濃度溶液中水分子向低濃度溶液擴散的量。

③ 易化擴散與主動轉運：小船類比為載體，但載體是位于細胞膜上，構成細胞膜的組成成分，不能像小船一樣主動到碼頭載人或物；且載體具有專一性，不同的物質需要不同的載體。

教師補充：當需要跨膜運輸的物質是大分子物質如蛋白質等物質的時候，細胞膜上的載體或磷脂雙分子層都不允許它穿過，大分子物質只能通過胞吞和胞吐的方式進出細胞。

類比：胞吐可類比為吹泡泡的過程，可以把嘴巴里面的口香糖類比為一個細胞，每吹出一個泡泡就相當于送出一個蛋白質分子。

教師提問：吹泡泡的過程需要消耗能量嗎？送出蛋白質分子的過程需要載體嗎？蛋白質分子有沒有穿過細胞膜？

教師總結：歸納出胞吞胞吐是一個不需要載體，但需要能量ATP，并且沒有穿過細胞膜的運輸過程。

2.6 教學反思

生物學課堂中類比方法的應用是普遍存在的，當教師試圖把一個新概念向學生解釋清楚時，總是會去尋找與之相關的知識或相關的生活經驗，以幫助學生了解不熟悉的概念，協助他們在已有知識的基礎上順利建構新知識。例如在本節課的教學中，利用學生已有的化學和物理知識，再結合學生自身的生活經驗來幫助其理解擴散、易化擴散、主動轉運和胞吞、胞吐現象，學生就能較輕松地理解這些抽象的微觀概念。但因為類比物和目標物不可能完全對應，若教師沒能及時提醒，學生又會過度引申，導致產生誤解。如從物理學的角度考慮，如果沒有外力作用，物質只能從勢能高的地方往勢能低的地方跑，那么水分子只能從上游向下游移動，但在滲透過程中，水分子也會從水分子少的溶液向水分子多的溶液方向運動，這可能會影響學生正確理解物質的跨膜運輸是一個動態平衡的過程。因此，在使用類比的過程中，教師尤其要關注容易引起學生誤解的方面并加以提醒和引導，告訴學生類比的局限性。雖然類比教學存在著不足之處，但其優點是不容忽視的，本文以淺薄的教學經驗為大家提供一個類比的教學范例以供參考，望不吝指正。

參考文獻：

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