類比推理在《物質跨膜運輸的實例》教學中的實施與反思

徐陽

【摘要】本文旨在呈現通過建構滲透模型后進行類比推理，再通過實驗驗證得出“細胞膜及其他生物膜是選擇透過性膜”這一核心概念的科學研究思路。

【關鍵詞】模型建構 類比推理 高中生物教學設計

【中圖分類號】G632 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）15-0163-02

科學模型是人們按照科學研究的特定目的，在一定的假設條件下，用物質形式或思維形式再現原型客體的某種本質特征，諸如關于客體的某種結構（整體或部分的）、功能、屬性、關系、過程等等[1]。例如DNA分子雙螺旋結構模型，種群增長模型等等。

科學研究的宗旨是把認識對象的內在機制由全然未知的“ 黑箱” 轉化為半透明的“灰箱”直到全透明的“白箱”[2]。要達到這一目的， 一個非常有效的方法就是進行類比推理。類比推理是科學研究中常用的方法之一。例如薩頓將看不見的基本與看得見的染色體的行為進行類比，根據其驚人的一致性，提出基因位于染色體上的假說。

因此，本節教學設計重點在于建構滲透模型后進行類比推理并實驗驗證后得出“細胞膜及其他生物膜是選擇透過性膜”這一核心概念。

一、設計思想

本節課的教學是從上一章“細胞膜—系統的邊界”一節中細胞膜的功能出發，提出“細胞膜為什么能夠控制物質的出入呢？”這個核心問題展開，由滲透裝置進行類比推理動物細胞及植物細胞，認識到動物細胞的細胞膜相當于半透膜，植物細胞的原生質層相當于半透膜。然后對類比推理得到的結論進行進一步的實驗檢驗，即通過資料分析中番茄和水稻對不同離子的吸收柱形圖，分析得出細胞膜并不是單純的半透膜，而是可以根據細胞需要進行主動選擇的膜。然后討論這種選擇性是普遍存在于各個生物體內的，最終得出核心概念“細胞膜及其他生物膜都是選擇透過性膜”。至始至終本節內容都是圍繞核心問題和核心概念來進行探究性地學習。

二、教學過程

1.引入

教師以細胞壁不是系統邊界，細胞膜有控制物質進出的功能引入核心問題：為什么細胞膜可以控制物質的進出？

2.教師實驗展示：蘿卜的吸水失水實驗

實驗準備：取三只大小形狀基本一致的紅蘿卜分別標記為A組B組和C組，并分別在側面挖1個長寬均約為1cm，深度為2cm的方形坑。其中A組坑內加入半坑清水，B組坑內加入半坑高濃度的蔗糖溶液，C組坑內不做任何處理。三組紅蘿卜放在培養皿上在同樣的條件下靜置6小時。學生可以觀察到ABC三組紅蘿卜坑中溶液的體積變化，用手也能感覺到紅蘿卜的軟硬程度變化。

教師引導學生思考為什么會出現這樣的變化，并提出問題：A組清水坑里的水少了，水去哪兒了？B組蔗糖坑里的水變多了，多出來的水又是從哪里來的？

學生通過思考可以得出，清水坑里的水進入了蘿卜里，所以變少了，即發生了細胞的吸水。B組蘿卜細胞里的水出來了所以蔗糖坑里的水變多了，即發生了細胞的失水。正因為細胞的吸水和失水，所以A組蘿卜變硬，B組蘿卜變軟。

教師繼續提出問題并引出物理模型——滲透裝置：那為什么植物細胞會發生這樣的吸水和失水？水是怎樣進出細胞的呢？在解決這個問題之前，我們先來看一個跟這個實驗現象很相似的實驗裝置。

3.構建物理模型——滲透裝置

教師按照教材設置滲透裝置，并引導學生觀察，一段時間后漏斗內的液面變化。通過問題串設計引導學生分析實驗現象并得出發生滲透作用的條件。

師：漏斗管內的液面為什么升高？

師：為什么水會從清水進入到蔗糖溶液中呢？清水和蔗糖溶液相比，水分子的相對含量是否有差異？

師：這屬于物理學上的什么現象？

師：但水分子的這種擴散是經過了一層半透膜的，這種特殊的擴散稱作滲透作用。

師：要使漏斗管內液面升高，裝置需滿足什么條件？

師：如果把半透膜換成紗布/保鮮膜，液面還會升高嗎？如果內外都是清水？都是蔗糖溶液呢？如果漏斗內是清水，外面是蔗糖溶液呢？

總結滲透作用發生的條件：①需要有半透膜 ②膜兩側溶液有濃度差

教師引導學生回到蘿卜實驗中關注水分子的移動是否也是擴散現象。學生通過分析水分子的相對含量能夠理解水分子的移動也屬于擴散現象。

師：這兩個實驗的現象如此相似，是否細胞就相當于這里的滲透裝置呢？

師：為了解決這個問題，我們需要走進細胞中，去看看細胞吸水失水過程中發生了怎樣的變化。

三、教學反思與建議

本節教學過程的實施大約需要兩節課的時間，本文內容屬理論課，建議于教室中完成，第二節是探究細胞吸水和失水的實驗，于實驗室內完成。

1.探究實驗的處理

本節課的教學設計是旨在將一種科學研究的一般方法相對完整地呈現給學生，重在呈現對“細胞膜是如何控制物質進出”這一核心問題和“細胞膜及其他生物膜都是選擇透過性膜”這一核心概念的邏輯推理上。為了完整地呈現這種邏輯推理的設計思想，從而選擇性地弱化了本節課中的探究實驗“植物細胞的吸水和失水”的研究方法——假說演繹法的體驗，將這個探究實驗處理成根據實驗現象類比推理滲透裝置，完成模型的構建。對假說演繹法中提出假說、設計實驗、預測實驗現象及結論這一部分內容將放在第5章第1節《降低化學反應活化能的酶》中的探究實驗“影響酶活性的條件”中在實驗室完成。

2. 蘿卜實驗需知

蘿卜的吸水失水實驗需要教師至少提前6個小時完成。處理后實驗現象可以保持很久。所以建議教師上課前一天的晚上臨睡前做好，早上起來后直接放在培養皿里就可以帶去實驗室里給學生觀察了。

3. 滲透裝置實驗需知

滲透裝置中半透膜的選擇至關重要。教材中選擇的是玻璃紙這種半透膜，可以用生物材料雞蛋的卵殼膜代替，實際效果很好。雞蛋卵殼膜簡稱蛋膜，在生雞蛋稍尖的一端，輕輕敲出直徑大小約1.2 cm的小孔，倒出蛋清和蛋黃，留下蛋殼用清水洗凈，浸泡在質量分數為15%的鹽酸中15～20 min。處理期間需經常翻動蛋殼，以使蛋殼能均勻浸泡在液體中，待蛋殼變薄變脆后，輕輕用力剝出蛋膜。對于以蛋膜為半透膜材料的裝置，將溫度控制在35℃—40℃時，用質量分數為0.4—0.5/mL的蔗糖溶液，實驗效果較好[3]。

整個實驗所需要的時間為6—8 Inin，準備簡單，操作方便，實驗現象明顯，便于課堂的演示。

參考文獻：

[1]孫小禮.科學方法中的十大關系[M].北京：學術出版社，197.

[2]李玉蘭.類比推理的機制與功能[N].武漢大學學報，1995（3）.

[3]蔣素梅.對“滲透作用”實驗的幾點改進[J].中學生物學，2012（5）.