基于實驗改進的“物質跨膜運輸的實例”教學設計

謝雯菁 荊林海 徐國艷

（1北京師范大學燕化附屬中學 北京 102500 2北京市基礎教育研究中心 北京 100088 3北京市燕山教研中心 北京 102500）

1 教學設計指導思想

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出：“從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發展學生的學科核心素養”。“物質跨膜運輸的實例”一節是高二學生所接觸的第1節探究內容的課程，如何“創設科學探究的情境”，如何“基于實驗事實，引導學生運用科學思維分析生命現象，樹立生命觀念”是設計這節課的指導思想。

2 教學分析

2.1 教材分析 本節是高中生物學（人民教育出版社）必修1第4章第1節的內容，是知識體系中細胞結構與功能2個部分的聯結點，主要包括：“滲透裝置”“水分進出動、植物細胞的實例”“其他物質跨膜運輸的實例”3個部分的內容。

2.2 學情分析 通過前幾章的學習，學生對細胞的基本結構有了一定的認識，本節教學中應注重對實例的分析探討，讓學生體會結構與功能間的聯系。此外，本節涉及的實例較多，應對相應的實驗進行適當改進和整合，有助于引導學生進行實驗分析，理解生命現象。

2.3 教學目標 能通過實驗分析，說出水分滲透的原理；能通過實驗類比，說出動、植物細胞失水或吸水的條件，體會穩態與平衡的觀念；嘗試進行實驗設計，能舉例說明原生質層的選擇透過性，體會結構與功能相適應的觀念。

2.4 教學重、難點

1）重點：①動、植物細胞失水或吸水的條件；②原生質層的選擇透過性。

2）難點：原生質層的選擇透過性。

3 教學過程

本節課主要通過呈現實驗照片及視頻資料，創設探究的情境；再基于實驗事實，引導學生分析、推理、總結。考慮到課堂實驗的條件所限及教學環節的完整性，本節課中所涉及的4組實驗均由教師與部分學生在課前完成，錄制成視頻在課堂展示。

3.1 情境創設 以“輸液”的話題引入，讓學生思考“為什么要選用0.9%NaCl溶液作為注射用溶劑？”目的在于讓學生能根據自身生活經驗及原有知識儲備，基本了解本課所要探究的問題，即水分的跨膜運輸。

3.2 分析滲透實驗，發現滲透基本規律 實驗裝置及實驗組設置照片如圖1所示。裝置中長頸漏斗一端用半透膜封住，內部的液體模擬細胞內環境，并在其中加入了幾滴胭脂紅，使液面位置更加清晰，燒杯中液體模擬細胞外環境。與教材中的單一組實驗不同，此處設置了3個實驗組，分別呈現裝置失水、吸水、水分進出平衡的現象，從照片中可清晰觀察到漏斗內液面的變化。如此改進，有利于學生形成實驗對照的思想，并通過對比，更容易總結發現水分滲透的規律。

圖1 利用滲透裝置探究滲透原理

3.3 類比滲透裝置，分析動物細胞滲透現象 讓學生觀察教材中紅細胞在3組不同濃度NaCl溶液中形態變化的圖片（高滲溶液中皺縮、低滲溶液中脹破、等滲溶液中保持原有形態），引導學生類比滲透裝置，探究動物細胞失水和吸水的條件。

3.4 類比滲透裝置，分析植物細胞滲透現象 此環節用到的素材是洋蔥外表皮細胞的實驗視頻。為了讓學生類比滲透裝置時思路更清晰，這部分實驗也是分成3個組。各實驗組設置及實驗結果見圖2。

圖2 洋蔥外表皮細胞在不同濃度蔗糖溶液中失水或吸水的現象

在此環節中，還應該注重引導學生理解實驗探究的設計思想。所以，呈現B組實驗之前，設置了一個問題：將常態的植物細胞置于清水中，會觀察到怎樣的現象？面對不明顯的吸水現象，引導學生思考得出“先使細胞發生質壁分離，再將其置于清水中觀察吸水現象”的實驗思路。

最后的C組，也設置了一個疑問：“使水分進出平衡的蔗糖濃度是多少？”學生能答出“與細胞液的濃度一致”，但是“細胞液的濃度也是未知的”，由此給學生留下一個課后探究的問題：“利用質壁分離的原理設計實驗測定細胞液濃度”。這樣設計目的在于維持學生繼續進行探究的興趣，也讓學生更加充分體會穩態與平衡的生命觀念。

3.5 問題延伸：其他物質跨膜運輸的實驗驗證這一環節向學生展示洋蔥外表皮細胞在KNO3溶液中的質壁分離和自動復原的實驗（圖3）。通過對實驗現象的分析，學生理解原生質層的選擇透過性。

為了引導學生理解實驗探究的設計思想，在展示此實驗之前，也設置了一系列的問題：蔗糖分子能否進出細胞？若不能則如何驗證？這是一個難點，學生無法給出完美的方案。繼而引導逆向思維：如果蔗糖能進出細胞，實驗結果又將如何？在學生提出猜想后，再展示“能進出細胞的物質——K+和NO3-”的實驗過程。在對比“KNO3溶液與蔗糖溶液中，細胞能否發生質壁分離與復原的現象”后，學生很容易得出“K+和NO3-可以進入細胞，而蔗糖不能的結論”，進而順利推導出“細胞膜/原生質層具有選擇透過性”的結論。

圖3 洋蔥外表皮細胞在1mol／L KNO3溶液中發生質壁分離及自動復原

3.6 總結 為了完善本節課的結論：活的原生質層才具有選擇透過性，教師補充了最后一個實驗：用NaOH處理已發生質壁分離的洋蔥外表皮細胞，觀察原生質層透性的變化。實驗利用了花青素遇堿變綠的顏色變化反映液泡內物質的擴散情況（圖4）。在視頻最后的畫面里，可清晰觀察到，花青素充滿了細胞壁內的全部區域，而原生質層的位置還處于原先質壁分離時的狀態，從而能判斷該細胞并非發生了質壁分離復原，而是失去了原生質層的選擇透過性。由此學生也能體會結構與功能的一致性：原生質層的微觀結構被強堿破壞后，其相應的選擇透過的功能也隨之不復存在了。

圖4 0.5 mol／L NaOH處理對洋蔥外表皮細胞選擇透過性的影響

4 教學反思

本節課完成的4組實驗向學生呈現了更為清晰、直觀、動態的生命現象，創設了真實的實驗情境，更容易激起學生探究的熱情。這4個實驗貫穿整節課，使每個教學環節都是通過實驗分析引導學生形成概念。學生能夠基于相關實驗事實，運用科學思維進行探究，并樹立穩態與平衡觀、結構與功能觀等生命觀念。

本節課仍有待改進，從開放性課后實驗設計題“利用質壁分離的原理設計實驗測定細胞液濃度”的反饋情況來看，大部分學生對于實驗設計的思想把握基本到位，但對實驗的“實際”問題考慮并不充分，這也反映出探究實驗的學習，僅有教師的示范是不夠的，學生需要在親身體驗中感受實驗的細節，獨立面對可能遇到的問題，并思考與解決。