“細胞滲透吸水原理”的教學設計

華 洋 杜玉芬

（1北京市第十四中學 北京 100053 2北京教育學院宣武分院 北京 100055）

1 學習內容分析

必修1《分子與細胞》的教學內容以細胞是最基本的生命系統為主線展開，依次講述細胞的物質組成、結構、功能及其發展變化。任何一個開放的生命系統，都需要與外界進行物質交換，“細胞的物質輸入和輸出”是細胞基本功能的體現，是細胞呼吸作用、光合作用等重要代謝活動的基礎。認識細胞中物質的輸入和輸出，對于學生理解細胞是最基本的生命系統，整體認識細胞結構功能的統一性有重要作用。“細胞滲透吸水原理”是學習這一部分的起始，教學內容包含細胞滲透吸水及其他物質跨膜運輸的實例，要求學生通過學習，認識到細胞滲透吸水的原理和共性特征，并對比水分子與其他物質跨膜運輸的差異，分析得出“物質以多種方式出入細胞”。這一結論不僅與前面的教學中“細胞膜的功能”相呼應，同時也為后面的“生物膜的流動鑲嵌模型”和“物質跨膜運輸的方式”的教學做出重要鋪墊。

從培養能力來說，借助顯微鏡對微觀動態的過程進行有針對性地觀察和判斷，是學生在高中階段需要培養的重要實驗技能。

2 學情分析

本教學面對高一年級學生，在之前的學習中，他們知道細胞膜可以控制物質進出細胞，有制作臨時裝片的經驗，學會了使用數碼顯微鏡并拍照。教學前，教師通過訪談得知，相當一部分學生認為各種物質都是以相同方式進入細胞的。由于學生處于高一年級的第1學期，認識微觀和動態過程對于他們來說有難度，往往需要感知大量同類事物才能抽象概括出共性特征，進而形成概念。

3 教學目標

1）知識目標：①描述滲透作用，說出滲透作用發生的條件；②舉例說明活細胞通過滲透作用吸水和失水；③說明生物膜與半透膜是有差異的。

2）能力目標：操作質壁分離的實驗。

3）情感態度與價值觀目標：①認同物質進出細胞與細胞代謝程度相關；②認同生物體與環境是相互影響的。

4 教學重、難點

1）教學重點：①操作質壁分離的實驗，觀察細胞的失水，說明活細胞通過滲透作用吸水和失水；②說明生物膜與半透膜有差異。

2）教學難點：①操作質壁分離實驗及對實驗結果的分析；②說明生物膜與半透膜有差異。

5 教學過程

圖1為本節課的主要教學流程。

圖1 教學過程

5.1 引入 為了更好地說明滲透裝置中半透膜的特性，也為了課堂開始吸引學生的注意，激發興趣，教師先用普通塑料袋與半透膜對比，通過演示實驗證實碘分子等小分子可以通過半透膜，而淀粉分子等大分子不能通過（如圖2所示）。

圖2 半透膜與塑料袋對比實驗

5.2 觀察事實，構建概念 該教學環節，是教師引導學生觀察實驗現象、構建概念的過程，本節課的目標是形成2個主要概念：活細胞可以通過滲透作用吸水和失水；生物膜不同于半透膜。

5.2.1 活細胞可以通過滲透作用吸水和失水為了構建“活細胞可以通過滲透作用吸水和失水”的概念，筆者設計了5組相關實驗，目的是讓學生通過觀察大量事實，并在教師提問引導下，逐步形成概念。

1）滲透裝置系列實驗。教師先利用半透膜制成滲透裝置，再用普通塑料膜替換半透膜制成類似裝置，請學生對比觀察現象。設計不同濃度的蔗糖溶液，并將其置于滲透裝置中觀察比較。將漏斗內蔗糖溶液和燒杯內清水置換，觀察液面變化，最終明確滲透作用的概念和發生條件是半透膜和膜兩側的濃度差。

2）植物細胞可以發生滲透作用。在確定滲透作用的條件后，教師設問：細胞是否具備這樣的條件？要求學生利用洋蔥或黑藻為材料完成質壁分離的實驗操作，并利用數碼顯微鏡拍出處理前、后的照片，觀察變化，嘗試解釋其原因并相互交流。學生在描述實驗現象時，會對發生變化的結構產生困惑，例如以紫色洋蔥為觀察材料時，學生會認為液泡縮小了；以黑藻為實驗材料時，學生通過葉綠體的位置可以判斷縮小的是以細胞膜為邊界的原生質體，但不能準確說出液泡的變化。學生之間通過交流照片和討論，認識到與細胞壁分離的是由細胞膜、細胞質和液泡膜構成的原生質層。此時教師利用細胞模式圖總結歸納原生質層和質壁分離的概念。通過對掃描電鏡下植物細胞壁的觀察，學生不難理解細胞壁對于分子來說幾乎是全透的，真正具備半透膜特性的結構應該是原生質層。借助微觀模式圖，師生分析當細胞處于較高濃度的蔗糖溶液中時，蔗糖分子可以通過細胞壁，但不能通過原生質層，原生質層兩側的濃度差導致水分子的總體運動趨勢是擴散出細胞，使原生質體縮小，發生質壁分離現象。類比滲透裝置，細胞失水的過程滿足具有半透膜（原生質層）和膜兩側濃度差的條件，師生共同總結質壁分離的原因是細胞發生滲透作用失水。教師此時提問：如何使細胞恢復到原來狀態？引導學生分析使質壁分離復原的實驗處理。最終達成共識：成熟的植物細胞構成一個滲透系統。

在利用黑藻做實驗時，教師發現除了可以觀察到質壁分離現象外，葉綠體的運動也明顯減弱。由于葉綠體運動所體現的胞質環流與細胞代謝密切相關，失水導致難以觀察到胞質環流，表明了水分子對新陳代謝活動的影響。于是，教師將這一過程拍攝記錄并在課堂上播放，提示學生有針對性地觀察，將水分出入細胞與細胞代謝相聯系，與前面的教學形成呼應。

3）多種生物細胞均可以發生滲透作用。如果實驗只停留在植物細胞，學生會對其他細胞的情況產生疑問，也難以將滲透作用的概念擴展到其他種類的細胞。教師在課前選用真菌細胞（根霉見圖3，雙孢菇見圖4）和動物細胞（豬血細胞見圖5）做實驗材料并進行相同處理，并拍下實驗結果，課上與學生一起觀察，歸納共性特征，最終概括出細胞吸水和失水的共同特點：當外界溶液濃度低于細胞內部溶液時，細胞發生滲透作用吸水，反之，細胞發生滲透作用失水。

圖3 根霉細胞的“質壁分離”

圖4 雙孢菇細胞的“質壁分離”

圖5 豬血細胞（示紅細胞）相關實驗

4）只有活細胞才可以發生滲透作用。只有活細胞的膜結構才具有選擇透過性，但本節課從開始就是在用細胞膜與不具備生物活性的半透膜進行類比，由于學生此時還未學習細胞膜的結構，也沒有意識到細胞死活對物質跨膜運輸的影響。因此教師設計了用鹽酸處理細胞后再加30%蔗糖溶液的實驗，學生不僅觀察到細胞無法質壁分離，還觀察到了視野變紅的現象。在教師引導下，學生分析死細胞的細胞膜不能阻止蔗糖分子的出入，因而不會出現質壁分離；而視野變紅是死細胞不完整的液泡膜和細胞膜都不能阻止細胞內色素向外擴散的結果。這時，學生認識到活細胞的膜才能控制物質的進出。同時也傳遞給學生一個信息，細胞膜有別于半透膜，從另一個角度也提示了質壁分離實驗可以檢驗植物細胞的死活。

5）生物與環境相互影響。生物具有多樣性，這種多樣性也體現在質壁分離現象中。教師根據預實驗，選擇了15%的蔗糖溶液分別處理黑藻和洋蔥，通過對比，學生發現2種細胞質壁分離的程度不同（圖6）。在問題的引導下，學生不僅比較出兩者細胞液濃度的高低，并深入思考細胞液濃度為何不同。用生物與環境的視角分析就會發現：不同的生存環境造就了細胞間的差異，而最終形成的特征也是對環境適應的體現。

圖6 相同濃度蔗糖溶液下黑藻（左）和洋蔥表皮細胞（右）質壁分離的情況

5.2.2 生物膜不同于半透膜 該環節的教學希望學生能直接或間接觀察到其他物質以不同于水分子的方式進出細胞，對比發現“生物膜不同于半透膜”。

首先用5%硝酸鉀溶液和洋蔥進行實驗，引導學生通過一系列照片觀察到質壁分離自動復原的現象，并分析質壁分離復原的原因，在教師引導下判斷鉀離子或硝酸根離子可以進入細胞。在此基礎上進一步設問：鉀離子等又以何種方式進入細胞？

實物展示研究中常用的平行人工膜滲透模型（PAMPA），并介紹原理，說明水分子可以通過，而鉀離子和硝酸根離子不能通過這一模型（圖7）。表面上與學生剛形成的認知“鉀離子或硝酸根離子可以進入細胞”形成沖突。請學生利用所學比較人工膜與生物膜成分的差異，并利用已有知識分析得出：鉀離子等以不同于水分子的其他方式進入細胞；這一過程可能需要蛋白質的協助。從而形成認識：生物膜可選擇性地允許某些分子出入，因而不同于半透膜。這也為后面“生物膜的流動鑲嵌模型”和“物質跨膜運輸的方式”的教學埋下伏筆。

圖7 平行人工膜滲透模型及原理

6 教學反思

觀察現象、構建概念是本節課設計的重要環節,本教學設計的主要實驗內容及目的如圖8所示。

雖然本節課涉及多個實驗，但它們之間是層層遞進的。從物理模型到生命現象，從多種植物細胞到其他真核細胞，從活細胞到死細胞，從細胞的共性到細胞間的差異，從水分子出入細胞到其他物質進出細胞，從簡單的觀察現象到利用先進研究工具測量的結果。在這樣的事實面前，教學才可以層層深入，師生每一個結論的得出都有證據的支持，充分體現了科學課以事實為依據的特點。在此基礎上構建的概念才能被學生真正理解，并能夠遷移。

本節課的學習需要應用相關的生物學方法和技能，發現現象和事實，在大量事實面前形成觀點和態度，最終形成概念。在教學中注重應以事實做為引導學生構建的依據，對每一個問題的解答，都利用實驗發現答案。最終由特殊 （個例）到一般（共性），形成概念。更重要的是，形成以事實和實驗為依據的良好思維習慣，即生物學科素養。

興趣是最好的老師。本節課在實驗的基礎上，展示了大量的微觀現象，激發了學生的興趣。即使是微小的生物學現象，也能體現生物學科基本觀點。教師在教學中經常敏銳地捕捉和滲透，勢必會對學生學科素養的養成產生深遠和積極的影響。

主要參考文獻

［1］朱正威.教學設計重在“學”的設計.生物學通報，2011,46(11):20.