基于學生科學思維發展的教學組織實施

王妮莎 閆景娟

摘要 在“物質跨膜運輸的方式”一節的教學中，通過對細胞膜結構分析，讓學生對FI20、0s、葡萄糖、離子等物質的跨膜運輸方式提出假說，并讓學生給出相應證明的實驗思路。學生通過科學分析老師給予的相關實驗結果，得出相應結論，并和教師一起建立物質跨膜運輸的方式的模型。本節課通過提供實證材料、按照“現象一假說一證據一結論”的思維過程進行探究，旨在訓練學生的科學思維。

關鍵詞 實證材料 自主探究科學思維

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

1 教學設計理念及學習內容分析

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）提出“核心素養為宗旨、內容聚焦大概念”等課程理念，凝練了“生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任”4個學科核心素養。在現行人教版必修1第四章“細胞的物質輸入和輸出”中，集中體現出結構和功能觀、物質和能量觀的生命觀念。科學思維是一種建立在證據和邏輯推理上的思維方式，基于學生科學思維發展的教學設計，應重視事實證據，強調從事實到觀點、規律的邏輯思維過程。

課標中關于第四章的概念層級關系，可抽提為以下幾個部分：①大概念：細胞的生存需要能量和營養物質。②重要概念：物質通過被動運輸或主動運輸方式進出細胞，以維持細胞的正常代謝活動。③一般概念：闡明質膜具有選擇透過性;舉例說明有些物質順濃度梯度進出細胞，不需要額外提供能量;有些物質逆濃度梯度進出細胞，需要能量和載體蛋白;舉例說明大分子物質可以通過胞吞、胞吐進出細胞。觀念是在理解概念的基礎上通過進一步抽象而形成，具體的形成路徑可簡化為“生物學事實一一般概念一重要概念一大概念一生命觀念”的4個環節。據此，構建了如圖l所示的單元概念框架。

2 教學目標及重難點分析

教學目標：①通過資料分析，說明三種物質跨膜運輸方式及其特點，從而認同生物在分子層面、細胞層面存在結構與功能的適應;②運用概念圖及示意圖的方式，比較自由擴散、協助擴散、主動運輸的異同，并建立章節概念圖;③能夠基于生物學事實和證據，進行合理的邏輯推理，分析判斷相關的結論，并用科學語言表達自己觀點。

教學重點：自由擴散、協助擴散、主動運輸、胞吞與胞吐的特點和區別。

教學難點：概念圖的構建。

3 教學過程

課標倡導學生自主學習，注重培養學生分析和解決問題的能力，交流與合作的能力及創新精神與實踐能力;倡導全面提高學生素養，注重學生在現實生活的背景中學習生物學，引導學生解決來自社會、生產和生活實際的問題。在新課程標準理念指導下，本節課教學流程設計如下。

3.1 滲透物質能量觀，引發學生新思考

細胞作為一個開放的生命系統，每時每刻都與環境進行物質交換，而物質進出細胞都要經過它的邊界——細胞膜。教師提出問題：當物質分子通過細胞膜的時候，是暢通無阻的嗎？細胞膜及其他生物膜的生理特性是什么？生物膜為什么具有選擇透過性？它是怎樣對物質進行選擇的？從而引出本節課主題——物質跨膜運輸方式。

3.2 提出合理假設，理性分析資料，得出實驗結論

3.2.1 基于細胞膜結構特征，提出物質運輸兩種途徑，并提出合理的實驗方案

教師出示細胞膜結構模型圖2，引導學生分析：細胞膜的基本結構是什么？基本支架是什么？膜上的蛋白質起到什么作用？物質要跨細胞膜進入細胞具有什么途徑？如何設計實驗證明某物質跨膜進出細胞到底是直接通過磷脂雙分子層還是通過轉運蛋白運輸的？

學生觀察圖1發現，細胞膜基本支架是磷脂雙分子層，膜蛋白也可起到運輸的作用。學生猜想有兩種運輸方式：直接通過磷脂雙分子層或者通過轉運蛋白進行跨膜運輸。學生分析這兩種途徑的區別在于有無轉運蛋白（實驗自變量），要知道某物質到底走的哪一途徑跨膜運輸應對比其在去轉運蛋白膜（人工脂雙層膜）和生物膜運輸效率的區別。

3.2.2 分析實驗數據，得出實驗結果

教師給出實驗結果（圖3），小組討論：圖中物質跨膜運輸呈現什么特點？它們都是通過什么方式跨膜運輸的？經小組討論，學生找出具有相同特點的物質，并將這些信息與前面的通透性方式對應：①甘油、C02、02等物質通過人工膜與生物膜的通透性相同，它們應該是直接跨磷脂雙分子層運輸。②K+、Na+、Cl等物質在人工膜的通透性非常低，而在生物膜的通透性要遠高于前者。它們的運輸應該是需要轉運蛋白的參與。③H20在兩種膜的運輸都比較大，經過數據對比，其既能跨磷脂雙分子層運輸，也能經轉運蛋白運輸。

教師演示02、C02跨膜運輸的動畫，并引導學生總結得出：02、C02等氣體分子，水、乙醇、甘油等溶劑分子直接跨磷脂雙分子層從一側到另一側的運輸稱為自由擴散。自由擴散的動力來自物質的濃度差，擴散的方向是從高濃度向低濃度進行。教師再分析：能自由擴散的分子通常分子量小能直接通過脂雙層縫隙，或者是脂溶性分子，相似相容。在此過程中，磷脂雙分子層在發揮屏障作用的同時，表現出選擇透過性。

3.2.3 提供水通道蛋白研究的資料，佐證學生論證

（l）教師給出關于2003年諾貝爾化學獎得主美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農的細胞膜水通道蛋白部分研究結果的資料：阿格雷在分離純化紅細胞膜蛋白時發現了一個跨膜蛋白AQPI，他將含有AQPI蛋白和不含此蛋白的細胞進行了對比實驗。當將這兩種細胞放在同一種水溶液中時，膜中含有AQP1蛋白的細胞通過滲透作用不斷吸收水分而發生腫脹，不含該蛋白的細胞則沒有變化。這說明水的運輸方式除了自由擴散，也有需要轉運蛋白協助的運輸。

（2）教師提供資料，提出問題：水的運輸除了自由擴散外，的確還有通過轉運蛋白的運輸。為什么呢？以尿液形成過程為例，正常成年人每天產生的原尿約為180 L，可最終只有約1.5 L的尿液排出。其他的水去哪兒了？被腎小管細胞吸收進入血液了。該過程需要水分子大量、快速通過細胞膜進入腎臟細胞，自由擴散的運輸速率遠不能滿足生命活動的需要，而水通道蛋白能提高水的轉運速率。研究人員發現這些細胞的細胞膜上含有大量水通道蛋白。

（3）教師出示協助擴散的模式動態圖，并對結果進行總結：人們把小分子物質通過轉運蛋白（通道蛋白、載體蛋白）從高濃度向低濃度擴散的運輸方式稱為協助擴散。圖中另一種物質為什么不能被轉運蛋白運輸呢？從中可以發現通道蛋白、載體對物質的運輸具有專一性。

3.3 制造學生認知沖突，培養學生批判性思維

3.3.1 主動運輸的學習

教師出示典型哺乳動物細胞內外離子濃度比較表（表1），提出問題：前面通過分析，我們知道K+、Na+、Cl等離子的運輸需要轉運蛋白。這些離子的運輸也是協助擴散嗎？

教師繼續提出問題：細胞吸K+排Na+，使膜內、外保持一定的濃度差，這對神經信號的傳遞、血壓、心律的維持有非常重要的作用。吸K+排Na+通過什么方式進行的？學生對比發現細胞吸K_排Na+是逆濃度梯度進行的，肯定不是協助擴散。教師提示：逆濃度梯度運輸就像卡車載貨上坡克服重力勢能，必須消耗能量。人們把小分子物質通過轉運蛋白從低濃度向高濃度運輸的方式稱為主動運輸，這個過程需要轉運蛋白和能量。

3.3.2 3種跨膜運輸方式的分類和總結

教師展示3種跨膜運輸方式的示意圖，引導學生比較，激發學生對相關知識的回顧。學生自主完成表2，掌握不同跨膜運輸方式的異同點。

3.3.3 學習細胞的非跨膜運輸

教師播放白細胞攻擊細菌的視頻，要求學生思考：并不是所有的物質進出細胞都屬于上述三種跨膜運輸方式。人體的白細胞是如何吞噬入侵的細菌、細胞碎片及衰老的紅細胞的？這對于人體有什么意義？大分子物質、顆粒物進出細胞并沒有跨越膜，而是利用細胞膜具有的流動性的結構特點，如分泌蛋白的釋放、白細胞吞噬細菌等過程。

3.4 總結提升，建立結構功能觀和物質能量觀

教師提出問題，引導學生思考：①你能否解釋細胞膜是如何實現選擇透過性的？②胞吞胞吐的結構基礎是什么，與膜的什么特性有關？③物質輸入輸出對細胞有什么意義？

學生回顧思考表達：①細胞膜的選擇透過性主要通過轉運蛋白的專一性和磷脂雙分子層只允許氣體、溶劑、脂溶性小分子進出而體現專一性。②胞吞、胞吐的結構基礎是細胞膜具有一定流動性，膜的流動性的體現是由于構成膜的這些分子能夠運動。③物質輸入、輸出能為細胞提供能量來源，排出細胞代謝廢物，清除入侵的異物，維持細胞和個體正常的生命活動。

3.5 小組合作，梳理概念，構建概念圖

教師給出以下概念，引導學生構建概念圖：控制物質進出、保持內部環境穩定、細胞膜的流動鑲嵌模型、細胞膜是系統的邊界、物質輸入輸出的方式、細胞間信息交流、自由擴散、協助擴散、主動運輸、胞吞胞吐、能量、轉運蛋白、膜的流動性、膜的選擇透過性、磷脂雙分子層、糖蛋白、蛋白質。學生必須先通過討論，弄清楚各概念的層級關系，找出概念主線，建立這些概念之間的聯系，從而建立跨章節的概念圖。

4 教學反思

4.1 基于培養學生的科學思維而展開教學設計

科學思維是指學生能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹和推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。本設計具體體現在，讓學生基于細胞膜模型，通過科學推理，自己提出“跨膜運輸的方式”的假說，并討論得出可以證明該假說的實驗方案;再根據對相應實驗結果的分析，通過推理、歸納，從而建立自由擴散、協助擴散的概念模型。通過提供水通道蛋白研究的資料，教師引導學生進一步證實學生之前的推測：水存在協助擴散的運輸方式。利用水重吸收的實例說明協助擴散存在的意義和生物體結構和功能相適應的生物學觀念。在學生建立主動運輸的概念模型時，提供的細胞內外Na+、K+濃度和細胞保K+排Na+資料，來制造學生認知的沖突，從而激發學生批判性思維，使學生順勢習得主動運輸的概念。

4.2 厘清概念層級關系，繪制概念框架圖，聚焦大概念，達成生命觀念

生命觀念是在理解概念的基礎上通過進一步抽象而形成，具體的形成路徑可簡化為“生物學事實一一般概念一重要概念一大概念一生命觀念”的四個環節。教師通過分析單元內容間的相互聯系、深入挖掘學科思想。在備課時，建構概念框架圖，有助于教師從整體把握本節教學內容在整章中乃至整個模塊中的地位。而學生在構建概念圖的過程中會思考這些概念外延和內涵，辨別概念之間的內在邏輯關系，并通過意義聯接，能理解和找到某概念的上位概念、下位概念及組合關系的概念，從而建構生物學概念知識體系。本環節采用小組合作的方式，在討論、合作中，學生的思維能力、與他人分工合作能力能得以鍛煉，有助于學生形成在真實情境中解決問題所應品格與能力，逐步形成生物學學科核心素養。

4.3 將學生的思維過程外顯化有助于提高學生的問題解決能力

本設計在課上設置的大多數問題都是不良結構問題。例如，對于物質在人工膜和生物膜的通透性對比圖。教師先提問：從這個圖表你能獲取什么信息？通過這樣的提問，教師能清晰的捕捉到學生的思維路徑：他是如何分析圖表的？找到這些物質跨膜的異同點了嗎？當他發現了這些特征，那能否清晰、全面到位的進行表達？學生的思維過程外顯化，教師才能有針對性地引導評價，對他們思維的診斷和修正。

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