“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗钡念惐冉虒W(xué)設(shè)計

張 進

(江蘇省鄭集高級中學(xué)城區(qū)校區(qū) 221116)

1 教材分析

“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗笔侨私贪娓咧猩飳W(xué)教材必修1第4章第1節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)是在學(xué)生學(xué)習(xí)了第2章“組成細胞的分子”和第3章“細胞的基本結(jié)構(gòu)”后，同時又是在學(xué)習(xí)“流動鑲嵌模型”“物質(zhì)跨膜運輸方式”知識之前，讓學(xué)生通過對水分及其他物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗治觯贸錾锬ぞ哂羞x擇透過性這一結(jié)論。與以往教材不同的是，本節(jié)沒有將“細胞的吸水失水”放在“新陳代謝”一章，而是將水的跨膜運輸作為一個實例來分析，由物理現(xiàn)象過渡到細胞，先分析動物細胞的水分進出，然后通過一個探究性實驗來說明植物細胞的水分進出情況，得出水是順相對含量梯度運輸?shù)慕Y(jié)論。通過對其他物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗治龅贸鑫镔|(zhì)的跨膜運輸并不都是順濃度梯度進行，最終得出生物膜具有選擇透過性這一結(jié)論。另外，教材安排的“探究──植物細胞的吸水和失水”活動，是必修課中的第一個“探究”，重在使學(xué)生對探究性學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)能夠有所體驗和感悟，從而為以后的探究活動打下基礎(chǔ)。

2 教學(xué)目標

2.1 知識目標 描述半透膜的特征；舉例說明動物細胞膜和植物原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜。

2.2 能力目標 進行關(guān)于滲透作用、動植物細胞吸水和失水的實驗設(shè)計和操作。

2.3 情感態(tài)度與價值觀目標 體驗科學(xué)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、類比、遷移、創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度和精神。

3 教學(xué)過程

將教學(xué)內(nèi)容分成三個知識主題：物理滲透模型中的滲透現(xiàn)象、動物細胞的吸水和失水、植物細胞的吸水和失水。按照類比遷移的方法以滲透現(xiàn)象發(fā)生的條件為參照點，與動物細胞的結(jié)構(gòu)、吸水失水的條件做類比，形成動物細胞膜是一層選擇透過性膜的知識結(jié)構(gòu)，再以物理滲透模型和動物細胞的吸水失水的條件作為參照點，類比學(xué)習(xí)植物細胞的吸水和失水條件，完成植物細胞的原生質(zhì)層是一層選擇透過性膜的核心知識建構(gòu)。

3.1 情境引入 以蘿卜條在清水和食鹽水中的形態(tài)變化這一生活實例，即泡在鹽水里的蘿卜條軟縮了、泡在清水里的蘿卜條更加硬挺了的現(xiàn)象，作為情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并引發(fā)學(xué)生思考：蘿卜條出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是什么？(是由細胞的吸水和失水引起的)接著，教師再次引導(dǎo)學(xué)生思考：水分子是如何出入細胞的呢？指導(dǎo)學(xué)生研究物理滲透模型。

3.2 物理滲透模型的研究 教師首先展示物理滲透模型(圖1)：在一個長頸漏斗口外密封一層玻璃紙，漏斗內(nèi)注入蔗糖溶液，然后將漏斗浸入盛有清水的燒杯中，使漏斗內(nèi)外的液面高度相等。指導(dǎo)學(xué)生觀察，一段時間后漏斗頁面上升。教師出示滲透裝置的分析圖并引導(dǎo)學(xué)生思考：①漏斗管內(nèi)的液面為什么會升高?②如果用一層紗布代替玻璃紙,漏斗管內(nèi)的液面還會升高嗎?③如果燒杯中不是清水,而是同樣濃度的蔗糖溶液結(jié)果會怎樣?

圖1 物理滲透模型

學(xué)生進行自主知識建構(gòu)：先研究左側(cè)裝置，通過分析得出漏斗內(nèi)液面升高的宏觀“質(zhì)變”是水分子進入漏斗內(nèi)“量變”的結(jié)果。教師引導(dǎo)學(xué)生進一步思考：微觀上在漏斗底部半透膜的兩側(cè)水分子是如何運動的呢？教師出示右側(cè)漏斗底部、半透膜兩側(cè)微觀放大圖，通過此圖學(xué)生可以看到在半透膜兩側(cè)單位體積內(nèi)清水中的水分子數(shù)多于蔗糖溶液中的水分子數(shù)，其分子是運動的，在單位時間內(nèi)通過半透膜向蔗糖溶液中擴散的水分子數(shù)多于擴散進入清水中的分子個數(shù)，而蔗糖分子是大分子，不能透過半透膜，因此得出如下結(jié)論：①漏斗內(nèi)液面升高的原因是由于單位時間內(nèi)透過半透膜進入長頸漏斗的水分子數(shù)量多于滲出的的水分子數(shù)量；②若用紗布代替玻璃紙液面不會升高，紗布的孔隙很大，蔗糖分子也可以自由通透；③如果燒杯中的不是清水而是同樣濃度的蔗糖溶液，液面也不會升高，半透膜兩側(cè)溶液的濃度相等時，單位時間內(nèi)透過半透膜進入長頸漏斗的水分子數(shù)量等于滲出的水分子數(shù)量。引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：滲透作用發(fā)生的條件是有半透膜、半透膜兩側(cè)有濃度差。進一步引導(dǎo)：若將漏斗換成一個動物細胞，又會發(fā)生什么現(xiàn)象？

3.3 動物細胞吸水和失水的研究 展示紅細胞(動物細胞)吸水和失水實驗(圖2)。

圖2 動物細胞吸水和失水實驗

引導(dǎo)學(xué)生思考：①將紅細胞分別放入高濃度和低濃度溶液后出現(xiàn)的現(xiàn)象是什么？②導(dǎo)致以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是什么？③由該實驗可以得出的結(jié)論是什么？

讓學(xué)生自主建構(gòu)知識：①現(xiàn)象：紅細胞出現(xiàn)膨脹和皺縮；②原因：紅細胞吸水和失水。指導(dǎo)學(xué)生進一步思考：紅細胞吸水和失水的原理是什么？教師出示滲透裝置與動物細胞的類比模型(圖3)，引導(dǎo)學(xué)生找出物理滲透裝置與紅細胞吸水和失水裝置的相似性，即紅細胞相當(dāng)于底部密封玻璃紙并盛放了一定濃度蔗糖溶液的漏斗，細胞膜相當(dāng)于漏斗底部的半透膜，細胞質(zhì)相當(dāng)于漏斗內(nèi)的溶液，燒杯內(nèi)的液體相當(dāng)于外界溶液。將紅細胞置入一定濃度的外界溶液中，紅細胞發(fā)生了滲透吸水或失水。通過以上研究得出結(jié)論：當(dāng)外界溶液濃度>細胞質(zhì)的濃度，細胞將通過滲透作用失水皺縮；當(dāng)由于外界溶液濃度<細胞質(zhì)的濃度，細胞將通過滲透作用吸水膨脹，甚至漲破。動物細胞的細胞膜相當(dāng)于是一層半透膜(選擇透過性膜)。

圖3 類比物理滲透模型與動物細胞的吸水和失水

3.4 植物細胞吸水和失水的研究 展示紫色洋蔥表皮細胞發(fā)生質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離實驗視頻，并截圖(圖4)，引導(dǎo)學(xué)生思考：①將紫色洋蔥表皮細胞裝片首先浸入30%的蔗糖溶液后出現(xiàn)的現(xiàn)象是什么？然后再浸入清水中又發(fā)生了什么現(xiàn)象？②導(dǎo)致以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是什么？③由該實驗可以得出的結(jié)論是什么？

圖4 植物細胞吸水和失水實驗

由于已有自主建構(gòu)的動物細胞吸水和失水的知識作為前提，學(xué)生不難解決以上問題：①現(xiàn)象：紫色洋蔥表皮細胞在30%的蔗糖溶液中出現(xiàn)失水皺縮；然后再浸入清水中，細胞又恢復(fù)原來的狀態(tài)；②原因：紫色洋蔥表皮細胞在一定濃度的溶液中發(fā)生了滲透吸水或失水，同時由于原生質(zhì)層是伸縮性大于細胞壁的伸縮性，導(dǎo)致原生質(zhì)層與細胞壁的分離和質(zhì)壁分離的復(fù)原。教師指導(dǎo)學(xué)生進一步思考：紫色洋蔥表皮細胞吸水和失水的原理是什么？并出示滲透裝置與植物細胞的類比模型(圖5)。

類比遷移學(xué)習(xí)：通過觀察圖5右側(cè)成熟植物細胞結(jié)構(gòu)模式圖可以發(fā)現(xiàn)，成熟植物細胞中大液泡的體積幾乎占到細胞總體積的90%以上，植物細胞吸收的水分大部分都進入細胞液，丟失的水分也幾乎都來自細胞液，導(dǎo)致了成熟植物細胞的質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離的復(fù)原。它與滲透裝置之間在結(jié)構(gòu)上又具有怎樣的相似性呢？學(xué)生通過分析明確細胞壁是由纖維素和果膠構(gòu)成，是全透性的，而細胞膜和液泡膜是具有選擇透過性的膜。接著，引導(dǎo)學(xué)生找出物理滲透裝置與植物細胞吸水和失水裝置的相似性，即洋蔥表皮細胞相當(dāng)于底部蒙有半透膜的盛放了一定濃度蔗糖溶液的漏斗，細胞膜、液泡膜以及兩層膜之間的細胞質(zhì)(原生質(zhì)層)相當(dāng)于漏斗底部的半透膜、細胞液相當(dāng)于漏斗內(nèi)的溶液、蔗糖溶液和清水相當(dāng)于外界溶液。該裝置滿足滲透作用發(fā)生的條件，因此植物細胞發(fā)生了滲透吸水或失水；由此得出結(jié)論：當(dāng)外界溶液濃度>細胞液的濃度，細胞將通過滲透作用失水皺縮；當(dāng)外界溶液濃度<細胞液的濃度，細胞將通過滲透作用吸水膨脹，這也正是植物根細胞吸水的主要方式。植物細胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于是一層半透膜(選擇透過性膜)。

圖5 類比物理滲透模型與植物細胞的吸水和失水

4 教學(xué)反思

以上設(shè)計利用學(xué)生對物理滲透作用發(fā)生的條件這個“源問題”進行綜合分析和概括得到“滲透作用發(fā)生的條件是半透膜和半透膜兩側(cè)具有濃度差”以此作為新知識學(xué)習(xí)的 “圖式”，利用這個圖式幫助學(xué)生找到需要解決的“靶問題”——“動植物細胞吸水和失水的原理”進行類比遷移研究的方法[1]。在教學(xué)過程中輔以學(xué)生感興趣的紅細胞的吸水和失水、紫色洋蔥表皮細胞的質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離的復(fù)原現(xiàn)象加以推動，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、降低學(xué)習(xí)梯度、培養(yǎng)學(xué)生由物理現(xiàn)象研究到生命規(guī)律探索的自主學(xué)習(xí)、類比推理及知識遷移的能力。但是，類比遷移學(xué)習(xí)中要抓住兩個或多個主題之間的共同屬性和本質(zhì)屬性，既要利用類比遷移策略進行優(yōu)化教學(xué)，同時還要避免盲目和錯誤。