借助建構(gòu)模型深入理解物質(zhì)進出細(xì)胞的方式及拓展分析

孟凡龍 （江蘇省揚州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 江蘇揚州 225003）

借助建構(gòu)模型深入理解物質(zhì)進出細(xì)胞的方式及拓展分析

孟凡龍 （江蘇省揚州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 江蘇揚州 225003）

基于拼圖游戲的思維通過剪紙和軟磁鐵嘗試建構(gòu)物質(zhì)進出細(xì)胞方式的模型，結(jié)合意外性生成資源展開分析，并通過設(shè)置問題情境拓展分析模型，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)理性思維，提升科學(xué)素養(yǎng)。關(guān)鍵詞 建構(gòu)模型 跨膜運輸 拓展分析

模型和建模在生物學(xué)教學(xué)中有著重要的教育意義，也是生物學(xué)核心素養(yǎng)中理性思維的重要組成部分。“模型”就是模擬所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運動形態(tài)，是事物原型的抽象和概括。模型方法是通過構(gòu)建模型來研究、揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。高中生物學(xué)課程中的模型建構(gòu)活動，其主要價值在于讓學(xué)生通過嘗試建立模型，體驗建立模型中的思維過程，領(lǐng)悟建模方法，并獲得或鞏固有關(guān)生物學(xué)概念。模型建構(gòu)式教學(xué)方式有利于調(diào)動學(xué)生全員參與到教學(xué)活動中，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的精神，加深其對科學(xué)知識的理解，提高課堂教學(xué)效率。

“物質(zhì)進出細(xì)胞的方式”是蘇教版高中生物必修一第三章第三節(jié)的內(nèi)容，在高考中的等級要求為B級，該知識點與后續(xù)的細(xì)胞信號傳遞有直接聯(lián)系，對理解細(xì)胞的生存和生長至關(guān)重要。很多教師在對本節(jié)課進行公開教學(xué)的過程中，通常以物質(zhì)進出細(xì)胞的動畫和圖形來分析物質(zhì)進出細(xì)胞的方式，然后用表格總結(jié)比較這些方式的特點，這樣的教學(xué)設(shè)計由于學(xué)生比較被動地接受知識，使得部分學(xué)生經(jīng)常混淆幾種方式的特點，對幾種方式的本質(zhì)缺乏深入的理解，從而導(dǎo)致學(xué)生在解題應(yīng)用時錯誤率較高。為此，筆者嘗試基于拼圖游戲的思維依托軟磁鐵模型活動，深度建構(gòu)物質(zhì)進出細(xì)胞的方式及其特征。

1 基于拼圖思維，嘗試建構(gòu)模型

課前準(zhǔn)備：通過剪紙的方式為每個小組制作3張正常細(xì)胞膜模式圖、1張部分細(xì)胞膜凹陷的模式圖（模擬胞吞過程）、1張部分細(xì)胞膜凸出的模式圖（模擬胞吐過程）、10個O2分子、10個C6H12O6分子及其載體、10個氨基酸分子及其載體、2個大分子蛋白質(zhì)，將其都散亂放置在一張A3紙上（圖1），另提供3張A3紙。并將圖1中的所有剪紙都制作成稍大型的軟磁鐵模型教具貼在黑板右側(cè)。

圖1 模擬物質(zhì)進出細(xì)胞方式的材料

在新授課或者復(fù)習(xí)課中，首先要由教師或者學(xué)生先簡單介紹或復(fù)習(xí)物質(zhì)進出細(xì)胞的幾種方式，師生一起結(jié)合生活中的具體實例來分析這幾種方式的特點。然后，教師結(jié)合模擬物質(zhì)進出細(xì)胞方式的學(xué)具，提出下列問題：①細(xì)胞膜的主要化學(xué)成分有哪些？②細(xì)胞膜的基本支架是什么？細(xì)胞膜有幾層膜？③物質(zhì)進出細(xì)胞的方式分別體現(xiàn)了細(xì)胞膜有怎樣的結(jié)構(gòu)特點和功能特點？

活動要求：教師明確第1、3、5、7小組（即奇數(shù)組）的學(xué)生通過組內(nèi)成員的交流協(xié)作，分別在4張A3紙上一起建構(gòu)O2分子、C6H12O6分子、氨基酸分子、大分子蛋白質(zhì)這4種物質(zhì)進入細(xì)胞過程（即自由擴散、協(xié)助擴散、主動運輸和胞吞）的模型；第 2、4、6、8 小組（即偶數(shù)組）的學(xué)生分別在4張A3紙上一起建構(gòu)O2分子、C6H12O6分子、氨基酸分子、大分子蛋白質(zhì)這4種物質(zhì)輸出細(xì)胞過程（即自由擴散、協(xié)助擴散、主動運輸和胞吐）的模型。教師要提醒學(xué)生注意物質(zhì)輸入和輸出細(xì)胞時的區(qū)別。

小組活動1：物質(zhì)分配。每個小組的組長將4張A3紙分配給組內(nèi)的同學(xué)，并確定好每張A3紙模擬的是哪種物質(zhì)進入或輸出細(xì)胞的過程，然后將散亂分布的4種物質(zhì)分子分別分配到相應(yīng)的A3紙上；同時，請4位學(xué)生將黑板上的軟磁鐵模型進行分配。此時有的小組會出現(xiàn)兩種載體、蛋白質(zhì)、能量和細(xì)胞膜模式圖的混亂放置。教師及時把握這些意外性的生成資源，通過設(shè)置下列問題串來引導(dǎo)學(xué)生修正有關(guān)物質(zhì)的分配：① 哪些方式才需要載體？② 載體的化學(xué)本質(zhì)是什么？③ 運輸不同物質(zhì)的載體會有什么樣的區(qū)別？④ 大分子蛋白質(zhì)如何進出細(xì)胞？⑤ 哪些方式需要消耗能量？

小組活動2：建構(gòu)模型。通過交流討論分析，各小組成員的A3紙上一般都分配了正確的物質(zhì)。接著，學(xué)生在對應(yīng)的A3紙上通過移動相關(guān)剪紙來模擬相應(yīng)物質(zhì)進出細(xì)胞的過程模型，同時請4位學(xué)生通過移動黑板上的軟磁鐵模型來模擬相應(yīng)物質(zhì)進出細(xì)胞的過程（圖2、圖3）。在建構(gòu)物質(zhì)進出細(xì)胞模型的過程中會出現(xiàn)很多的問題，一般小組常出現(xiàn)以下錯誤：① 細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)分子的數(shù)目（模擬物質(zhì)濃度）擺放錯誤，尤其是氨基酸的數(shù)目；② 載體或蛋白質(zhì)的放置錯誤；③ 能量的放置錯誤。

圖2 模擬物質(zhì)進入細(xì)胞的方式

圖3 模擬物質(zhì)輸出細(xì)胞的方式

2 把握生成資源，修正建構(gòu)模型

針對這些意外生成資源，教師通過下列問題串來引導(dǎo)學(xué)生修正模型，同時深入分析模型：① 三種物質(zhì)跨膜運輸方式中細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)濃度有何區(qū)別？② 結(jié)合模型圖分析，除了物質(zhì)濃度外，還有哪些因素會影響物質(zhì)的跨膜運輸？③ 圖3中的a、b、c三幅圖在現(xiàn)實生活中可能發(fā)生嗎？若不可能，應(yīng)改成什么物質(zhì)？對于問題①，學(xué)生很容易回答出只有主動運輸是逆濃度梯度進行的，即由低濃度流向高濃度。學(xué)生嘗試?yán)L制三種跨膜運輸方式中物質(zhì)運輸速率與物質(zhì)濃度的關(guān)系曲線，教師要逐步引導(dǎo)學(xué)生注意曲線繪制中的坐標(biāo)軸含義、起點、終點和拐點。為了區(qū)分協(xié)助擴散和主動運輸，教師還可以引入細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)濃度與時間的關(guān)系曲線。對于問題②，教師引導(dǎo)學(xué)生逐個分析載體、能量和溫度對物質(zhì)的跨膜運輸?shù)挠绊懀瑫r請學(xué)生嘗試?yán)L制三種跨膜運輸方式中物質(zhì)運輸速率與氧氣濃度（以及呼吸速率）的關(guān)系曲線，并比較它們的異同點。對于問題③，教師結(jié)合具體生活實例引導(dǎo)學(xué)生修正相關(guān)物質(zhì)的名稱，同時對物質(zhì)進出細(xì)胞的幾種方式進行適當(dāng)?shù)耐卣狗治觥?/p>

3 設(shè)置問題情境，拓展分析模型

（1）除了模型中的氧氣，還有哪些物質(zhì)能以簡單擴散方式進出細(xì)胞？它們進出細(xì)胞的速率相同嗎？

在簡單擴散的跨膜轉(zhuǎn)運中，不需要細(xì)胞提供能量和膜蛋白的協(xié)助，其通透性主要取決于分子的大小和極性，疏水的小分子、小的不帶電荷的極性分子更容易跨膜運輸。所以不同的物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的速率差異極大，即不同分子的通透系數(shù)有很大差異，如氧氣、氮氣和苯等物質(zhì)極易通過細(xì)胞膜，水分子較容易通過，尿素的通透性比水分子低100倍。然而即使這種低速的轉(zhuǎn)運在細(xì)胞生命活動中也具有一定的生理功能。

（2）細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)都是載體蛋白嗎？一種載體蛋白只能運輸一種物質(zhì)嗎？

各種細(xì)胞膜結(jié)合蛋白中，有15%～30%是膜轉(zhuǎn)運蛋白，用來介導(dǎo)物質(zhì)的跨膜運輸。膜轉(zhuǎn)運蛋白可分為兩類：一類是載體蛋白，它與特異性的溶質(zhì)結(jié)合后，通過自身構(gòu)象的改變以實現(xiàn)物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運，既可介導(dǎo)被動運輸，又可介導(dǎo)逆濃度或電化學(xué)梯度的主動運輸；另一類是通道蛋白，它不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合，橫跨膜形成親水通道實現(xiàn)對適宜大小的分子和帶電荷離子的跨膜轉(zhuǎn)運，只能介導(dǎo)順濃度或電化學(xué)梯度的被動運輸。多數(shù)情況下，離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)，只有在膜電位變化、化學(xué)信號或壓力刺激后才會開啟，在神經(jīng)元與肌細(xì)胞沖動傳遞過程中起重要作用，含羞草的閉葉反應(yīng)、草履蟲的快速轉(zhuǎn)向運動、內(nèi)耳聽覺的感應(yīng)等都與離子通道有關(guān)。

載體蛋白在參與協(xié)助擴散或主動運輸?shù)倪^程時,可能是單向運輸（即只運輸一種分子由膜的一側(cè)到另一側(cè)）或協(xié)同運輸（即運輸兩種物質(zhì)，若它們的運輸方向相同，稱為同向運輸；若它們的運輸方向相反，稱為反向運輸）。如Na+-K+泵就是一個跨脂膜的Na+-K+ATP酶，通過水解ATP提供的能量以反向運輸方式主動向外運輸Na+，向內(nèi)運輸K+來維持細(xì)胞內(nèi)外的離子梯度差。葡萄糖進入小腸或腎細(xì)胞中是依靠膜外高濃度Na+沿電化學(xué)梯度流向膜內(nèi)的同向運輸完成的。大腸桿菌運輸一個乳糖分子進入細(xì)胞伴隨著一個H+的同向運輸。線粒體和低等真核細(xì)胞膜中也存在協(xié)同運輸。

（3）離子都是以主動運輸方式跨膜運輸?shù)膯幔?/p>

離子跨膜運輸?shù)姆绞街饕c細(xì)胞的生理狀態(tài)、細(xì)胞膜電位的變化、膜內(nèi)外的離子電化學(xué)濃度梯度等要素有關(guān)，一般有兩種方式：① 通過離子通道進行協(xié)助擴散；② 通過載體蛋白進行主動運輸。前者的實例有神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位（內(nèi)負(fù)外正）時K+外流的滲漏通道、動作電位（內(nèi)正外負(fù)）時Na+經(jīng)離子通道內(nèi)流、靜息電位的恢復(fù)時K+經(jīng)離子通道外流、乙酰膽堿與突觸后膜上受體接觸時Ca+經(jīng)離子通道內(nèi)流等。后者的實例有Na+-K+泵、鈣泵、質(zhì)子泵（即H+泵）等維持細(xì)胞內(nèi)外相關(guān)離子的平衡均需要消耗一定的能量。

（4）主動運輸時所需能量都是由ATP提供的嗎？

主動運輸是由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)電化學(xué)梯度由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)跨膜轉(zhuǎn)運的方式。轉(zhuǎn)運分子的自由能變化為正值，因此需要與某種釋放能量的過程相偶聯(lián)。主動運輸過程所需能量來源一般有3種類型：ATP直接提供能量、離子電化學(xué)濃度梯度協(xié)同的ATP間接提供能量、光能驅(qū)動。

（5）胞吞胞吐不需要任何蛋白質(zhì)的協(xié)助嗎？

真核細(xì)胞通過胞吞作用和胞吐作用完成蛋白質(zhì)、多聚核苷酸、多糖等大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸。胞吞作用是細(xì)胞從外界攝入的大分子或顆粒，逐漸被質(zhì)膜的一小部分包圍內(nèi)陷，其后從質(zhì)膜上脫落下來形成含有攝入物質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)囊泡的過程。胞吞主要有3種類型：① 吞噬作用，如原生動物變形蟲攝取細(xì)菌和食物顆粒、高等動物體內(nèi)巨噬細(xì)胞內(nèi)吞入侵的細(xì)菌等；② 胞飲作用，胞吞物為液體，形成的囊泡較小，絕大多數(shù)細(xì)胞都具有；③ 受體介導(dǎo)的胞吞作用，如動物細(xì)胞攝取膽固醇的時需要LDL受體蛋白的識別和網(wǎng)格蛋白的參與攝取、胰島素與靶細(xì)胞表面受體結(jié)合進入細(xì)胞、巨噬細(xì)胞通過表面受體對免疫球蛋白及其復(fù)合物的識別和攝入等。胞吐作用是將細(xì)胞內(nèi)的分泌泡或其他膜泡中的物質(zhì)通過細(xì)胞質(zhì)膜運出細(xì)胞的過程。所有真核細(xì)胞都有組成型的胞吐途徑，特化的分泌細(xì)胞還有一種調(diào)節(jié)型胞吐途徑。

真核細(xì)胞中的胞吞作用和胞吐作用都是通過膜泡運輸?shù)姆绞竭M行的，并且轉(zhuǎn)運的囊泡只與特定的靶膜融合。目前，已通過實驗鑒定有膜融合蛋白參與催化，以克服質(zhì)膜融合過程中的能量障礙，從而保證了物質(zhì)有序地進出細(xì)胞，這種動態(tài)過程對質(zhì)膜更新和維持細(xì)胞的生存和生長是必要的。

（6）只有細(xì)胞膜才能控制物質(zhì)進出細(xì)胞？

目前已經(jīng)認(rèn)識到植物細(xì)胞壁中含有許多生理活性物質(zhì)，參與許多生命活動過程，如物質(zhì)的吸收、運輸、分泌，細(xì)胞間的相互識別等。革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁主要由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的肽聚糖組成，對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收有一定的影響，相對分子量大于10 000的葡聚糖難以通過這類細(xì)菌的細(xì)胞壁。革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁由外膜和很薄的肽聚糖組成，外膜上存在非特異性孔蛋白，并形成通道，允許相對分子量小于800～900的溶質(zhì)（如單糖、二糖氨基酸、二肽等）通過。真菌和酵母菌的細(xì)胞壁只允許相對分子量較小的物質(zhì)通過。由此可見不只有細(xì)胞膜能控制物質(zhì)進出細(xì)胞，細(xì)胞壁也在一定程度上參與。

G633.91

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本文是2016年江蘇省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“蘇派教育在培養(yǎng)中學(xué)生核心素養(yǎng)中的探究與實踐”（課題編號為D/2016/02/41）的研究成果。

文件編號：1003-7586(2017)10-0034-03