學科核心素養視角下的高中生物教學分析

張國權

摘 要：本節教學設計對教材內容進行加工、充實和整合，實現實驗教學與知識教、學有機統一。假說演繹法的運用和兩次建構及分析數學模型將培養理性思維和科學探究核心素養融合一體。通過教師引導改進實驗材料與試劑，增強了學生的創新意識。利用問題導引，轉換視角使學生產生質疑，培養了學生的批判性思維。

關鍵詞：理性思維；科學探究；模型構建；細胞大小；物質運輸

一、教材分析

“細胞大小與物質運輸的關系”是人教版高中生物學教材“分子與細胞”模塊中在“細胞增殖”一節安排的一個模擬實驗。通過該實驗的探究，可以讓學生知道細胞不能無限長大的原因，引出細胞分裂的必要性，然后再學習細胞增殖，體現知識的系統性。本課內容還與后續模塊中微生物的代謝、細胞進化有著緊密聯系。

二、教學目標

1.能運用生命系統的物質代謝和系統控制的觀點，概述細胞不能無限長大的原因。

2.通過建構數學模型，運用理性思維理解細胞大小與物質進出的關系。

3.能夠從安全有效、環境保護和經濟易得的角度改進實驗材料和試劑。

4.能運用假說演繹法，按照科學探究的要求設計出模擬細胞大小與物質進出的關系實驗方案。

三、教學過程

1.課前準備

課前應準備好實驗用具和材料。如塑料刀，手套，毫米尺，塑料勺，紙巾，燒杯；直徑分別為1cm、2cm、3cm的瓊脂圓柱體，3cm×3cm×6cm的煮熟的白蘿卜塊，紅墨水，碘液。根據學生人數，每四人組成一個小組，上述實驗用具和材料與小組數量一致。

2.分析問題，提出理論假設

運用生命系統的物質代謝觀點，引導學生提出理論假設：細胞大小影響細胞的物質運輸效率，進而影響細胞代謝，從而限制了細胞的無限長大。再引導學生運用數學知識分別對正方體和圓柱體模型進行推理得出：y=1-（1-hx/3）3的函數關系，其中y為物質擴散進入細胞的體積與總體積之比，x為相對表面積，h為物質擴散深度。通過建立函數關系的數學模型，使學生體驗和學會從現象中揭示生命本質和活動規律，用縝密的理性思維分析問題。

3.實驗驗證，得出探究結論

（1）察“顏”觀“色”，選擇材料試劑

假說及推理是否正確，必須用實驗來檢驗。設問：用什么來模擬細胞和擴散進入細胞的物質，以及物質擴散進入細胞的證據呢？除了教材中提供的答案外，教師引導學生思考討論既安全又環保的材料和試劑，想出幾種組合方案，如含淀粉的瓊脂塊與碘液、石蕊瓊脂塊與白醋、豆腐塊與雙縮脲試劑、煮熟的白蘿卜與紅墨水等。此時，教師展示提供給學生的材料試劑。學生會發現并質疑：為什么提供的是圓柱體的瓊脂塊？讓學生思考回答這樣改動的好處。通過教師引導改進實驗材料與試劑，增強了學生的創新意識。

（2）“物”有所“依”，實施實驗步驟

將含淀粉的瓊脂塊與碘液、瓊脂圓柱體與紅墨水、煮熟的白蘿卜與紅墨水三種實驗材料試劑組合及用具分組提供給學生。先讓學生思考實驗設計思路，教師引導完善實驗步驟及提示注意事項。實驗步驟如下：（1）用塑料刀將已有的直徑分別為1cm、2cm、3cm的瓊脂圓柱體，分別切成高度為1cm、2cm、3cm的瓊脂圓柱體；將煮熟的白蘿卜切成3cm×3cm×6cm的白蘿卜塊，再切成邊長為1cm、2cm、3cm的正方體。（2）將同種三個大小不同的材料塊放在燒杯內，同時加入相應試劑浸沒材料塊，浸泡10min，用藥勺背不時翻動，并注意觀察材料塊和試劑溶液顏色的變化。（3）戴上手套，用藥勺同時取出3個材料塊，用紙巾把表面的試劑溶液吸干，再用塑料刀分別將三塊材料平行切成三等份（如圖1），取中間一塊測量并記錄其切面顏色變化的深度。（4）填寫表格并計算（見表1）。

（3）依“據”善“思”，分析實驗結果

學生完成實驗表格相關數據計算（見表1），發現各小組的實驗結果基本相同，即物質擴散的深度大致相同，說明之前假說及推理正確。教師提出問題：（1）表中表面積和體積的比值有什么規律？（2）物質擴散的體積與整個材料塊的體積之比有什么規律？（3）細胞大小與物質運輸有什么關系？進一步引導學生得出實驗結論：（1）材料塊的表面積與體積之比隨著材料塊的增大而減小。（2）物質擴散的體積與整個材料塊的體積之比隨著材料塊的增大而減小。（3）細胞的體積越大，相對表面積就越小，細胞的物質運輸效率越低。所以，細胞表面積與體積的關系限制了細胞的長大。

4.轉換視角，引發質疑批判

追問1：這個模擬實驗能否完全模擬細胞物質運輸的真實狀況？

提醒學生觀察燒杯中試劑溶液顏色的變化，發現并比較出含淀粉的瓊脂圓柱體與碘液這種組合的優勢是能體現物質運輸雙向性。再從細胞結構和物質跨膜運輸方式引導學生思考本實驗的缺陷。

能否運用幾何模型更直觀地、科學地分析細胞表面積與體積的關系限制細胞長大的因素呢？教師通過設問引起學生的發散性思維，通過建構幾何圖形解釋限制細胞長大的因素。如圖2所示，兩圓代表大小不同的細胞，各截取極小的相同面積的細胞膜作為底，與細胞中心建立圓錐體，圓錐體的體積與半徑成正比。圓錐體的體積代表了所截取的細胞膜需要承擔的細胞與外界物質交換的量與空間。由圖2可以看出，隨著細胞的增大，單位細胞膜所承擔的任務愈重，細胞內部物質轉運時空變長，從而影響了細胞代謝，限制了細胞無限長大。通過建構幾何圖形的數學模型，體現了數學知識在解決生物學問題中的重要性，拓寬了學生的思維，培養了學生多角度解決問題的能力。

教師再次設問引導學生聯系實例，遷移運用知識分析實際問題。為什么卵細胞體積比較大，小腸上皮細胞為何具有很多微絨毛？卵細胞貯存了大量的營養物質，與外界交換的物質較少。小腸上皮細胞與外界物質交換頻繁，通過微絨毛可以增加與外界的接觸面積，適應其吸收的功能，從而使學生進一步理解細胞大小與物質運輸的關系，并可升華為結構與功能相適應的生物學思想。

追問2：限制細胞長大的主要因素只有這一種嗎？細胞是不是越小越好？

通過設置開放性和逆向思維的問題，發散學生思維，引導學生從多角度去分析問題，深化知識，培養學生批判性思考的能力。

四、教學反思

本節內容看似簡單，實則開放性很大。對假說演繹法的科學探究過程、利用數學模型解決生物學問題給予了足夠的重視，將培養學生理性思維和科學探究核心素養融為一體。注意聯系生活實際，從生活中獲取安全有效、經濟易得的材料，使學生回歸生活、增強創新意識和社會責任感。教學中讓學生獨立思考，積極合作，親自操作，主動構建，培養了觀察、分析、交流、總結和遷移等能力，同時養成良好的思考習慣，形成科學嚴謹的治學精神。

參考文獻：

[1]楊智勇，吳玲.探究細胞大小與物質運輸之間關系的實驗教學[J].生物學教學，2014，39（6）：51-52.

[2]俞如旺，劉薇.“細胞大小與物質運輸的關系”實驗的改進研究[J].生物學通報，2013，48（3）：45-46.endprint