“水進(jìn)出細(xì)胞的原理”一節(jié)論證式教學(xué)嘗試

成欣耘 （成都外國(guó)語學(xué)校高新校區(qū) 四川成都 610000）

科學(xué)思維作為生物學(xué)科核心素養(yǎng)的四大組成部分之一，是重要的教學(xué)目標(biāo)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》指出：學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法論證生物學(xué)社會(huì)議題[1]。由此可見，論證是提升學(xué)生各類科學(xué)思維方式的關(guān)鍵途徑。

論證是由“資料”推論而產(chǎn)生“主張”，說明推論過程與理由，并在“主張”遭到質(zhì)疑時(shí)能用自己的理由和依據(jù)作出合理性辯護(hù)的一種活動(dòng)（圖1）。論證是科學(xué)的核心，是科學(xué)的認(rèn)知基礎(chǔ)，也是解決科學(xué)爭(zhēng)議的主要途徑[2]。而論證式教學(xué)就是將科學(xué)領(lǐng)域的論證引入課堂，使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的論證過程，理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)，并促進(jìn)思維發(fā)展[3]。從國(guó)際科學(xué)教育研究趨勢(shì)分析，論證式教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面具有極大優(yōu)勢(shì)，但在我國(guó)生物學(xué)課堂上的案例報(bào)道并不多見[2]。本文以“水通過滲透作用進(jìn)出細(xì)胞”為例嘗試論證式教學(xué)。

圖1 圖爾敏（1958）的論證模型[4]

1 教材分析

1.1 教材地位分析 “水進(jìn)出細(xì)胞的原理”是人教版高中生物學(xué)教材必修1《分子與細(xì)胞》（2019年版）第4 章“細(xì)胞的物質(zhì)輸入與輸出”中第1 節(jié)“被動(dòng)運(yùn)輸”的第1 課時(shí)。本課時(shí)主要分析水分子進(jìn)、出動(dòng)物細(xì)胞和植物成熟部位細(xì)胞的原理和方式。第3 章已認(rèn)識(shí)真核細(xì)胞的三大結(jié)構(gòu)及其主要功能，為本節(jié)進(jìn)一步探究細(xì)胞如何通過各結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換奠定基礎(chǔ)，同時(shí)，為探究其他物質(zhì)進(jìn)、出細(xì)胞的方式作鋪墊。本節(jié)內(nèi)容與前、后章節(jié)環(huán)環(huán)相扣，起承上啟下的作用。

1.2 教材內(nèi)容概念層級(jí)

核心概念1 溶劑分子有從相對(duì)含量高向相對(duì)含量低方向運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

下位概念1.1 水分子或其他溶劑分子通過半透膜從水相對(duì)含量高的一側(cè)向水相對(duì)含量低的一側(cè)擴(kuò)散過程稱為滲透作用。

下位概念1.2 滲透作用發(fā)生的條件包括半透膜及膜兩側(cè)的濃度差。核心概念2 細(xì)胞可通過滲透作用吸水和失水。下位概念2.1 動(dòng)物細(xì)胞通過滲透作用吸水和失水，其中細(xì)胞膜相當(dāng)于半透膜。

下位概念2.2 植物成熟部位細(xì)胞通過滲透作用吸水和失水，其中原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜。

2 學(xué)情分析

學(xué)生具備分析擴(kuò)散現(xiàn)象的物理學(xué)知識(shí)，為分析滲透現(xiàn)象提供基礎(chǔ)；但滲透現(xiàn)象背后的原理涉及從微觀層面分析水分子的分布、相對(duì)含量和移動(dòng)規(guī)律，具有一定的抽象性。通過前期學(xué)習(xí)，學(xué)生知道紅細(xì)胞放入清水中會(huì)漲破，但不清楚原理，此處學(xué)生存在潛在的探究興趣。

學(xué)生積累大量相關(guān)生活經(jīng)驗(yàn)，例如，輸液時(shí)輸生理鹽水，涼拌黃瓜和番茄時(shí)會(huì)有大量水分滲出，萎蔫的蔬菜噴水后變得硬挺，但不清楚背后的滲透原理，此處存在潛在的探究興趣。

高一學(xué)生具備一定的類比推理能力及模型構(gòu)建能力，需進(jìn)一步鞏固提升。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）通過操作、觀察、分析擴(kuò)散和滲透現(xiàn)象，學(xué)習(xí)滲透作用定義及其發(fā)生條件，提升建模和歸納概括能力；

2）通過論證紅細(xì)胞經(jīng)滲透作用吸水和失水，以及論證植物成熟部位細(xì)胞通過滲透作用吸水和失水，提升類比推理和演繹推理能力；

3）通過應(yīng)用滲透原理分析生活中的常見現(xiàn)象，培養(yǎng)熱愛生活、積極探索的生活態(tài)度。

4 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：滲透作用發(fā)生的條件及動(dòng)、植物細(xì)胞吸水和失水的方式。

2）難點(diǎn)：滲透作用的發(fā)生條件、植物細(xì)胞吸水和失水的方式。

5 課前準(zhǔn)備

優(yōu)化觀察擴(kuò)散和滲透實(shí)驗(yàn)的裝置，實(shí)現(xiàn)課堂快速觀察的效果。用紅墨水滴入熱水呈現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象；滲透裝置的漏斗改為管徑更細(xì)的移液管，一端插入有孔的礦泉水瓶蓋，用玻璃紙密封瓶蓋連接處［4］。

提前分組，按小組準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料與用具。提前準(zhǔn)備紅細(xì)胞、洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞吸水/失水的顯微照片、白蘿卜吸水/失水對(duì)比照片。

6 教學(xué)過程

6.1 滲透作用的定義及其發(fā)生條件 此環(huán)節(jié)學(xué)生的論證過程如圖2 所示。以小組為單位，讓學(xué)生動(dòng)手操作并觀察紅墨水?dāng)U散，得出“紅墨水分子以熱運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，從相對(duì)含量高的地方往相對(duì)含量低的地方運(yùn)動(dòng)”的主張，為分析滲透現(xiàn)象中水分子的運(yùn)動(dòng)提供支持。

圖2 物理滲透裝置中論證過程示意圖

構(gòu)建教材中“問題探討”的物理滲透裝置，將蔗糖溶液改為紅墨水，繼續(xù)觀察滲透現(xiàn)象，收集事實(shí)材料，借助圖畫模型分析“在限制紅墨水分子運(yùn)動(dòng)的條件下，水分子如何運(yùn)動(dòng)”，提出“水分子通過半透膜從相對(duì)含量高往相對(duì)含量低的一側(cè)擴(kuò)散”的主張。通過“替換玻璃紙為醫(yī)用紗布”“替換燒杯內(nèi)的清水為相同濃度紅墨水”實(shí)驗(yàn)，探索滲透作用發(fā)生的條件，即為主張?jiān)黾酉薅l件。

6.2 水分子通過滲透作用進(jìn)、出動(dòng)物細(xì)胞 此環(huán)節(jié)學(xué)生的論證過程如圖3 所示。先引導(dǎo)學(xué)生回憶已學(xué)知識(shí)，提出主張1 和主張2（圖3），結(jié)合上一環(huán)節(jié)中得出的結(jié)論“滲透作用發(fā)生需要具有半透膜和濃度差”，根據(jù)主張1 和主張2 推導(dǎo)出主張3。

圖3 “水通過滲透作用進(jìn)、出動(dòng)物細(xì)胞”論證過程示意圖

為了支持主張3，教師可提供圖片展示紅細(xì)胞在高濃度溶液中失水皺縮和在低濃度溶液中吸水膨脹的圖片，引導(dǎo)學(xué)生回憶制備細(xì)胞膜時(shí)吸水漲破的事實(shí)，完成圖中所示的支持a 環(huán)節(jié)；支持b 和支持c 可請(qǐng)學(xué)生應(yīng)用本節(jié)知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)加以解釋，例如，長(zhǎng)時(shí)間嗑瓜子嘴唇表皮皺縮等。

除了給主張?zhí)砑酉薅l件“細(xì)胞具備活性時(shí)，水才可通過滲透作用進(jìn)、出動(dòng)物細(xì)胞”，可回憶“觀察細(xì)胞中DNA 和RNA 實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了讓甲基綠吡羅紅染液進(jìn)入細(xì)胞，需提前用鹽酸進(jìn)行水解”的事實(shí)作為支撐。

6.3 水分子通過滲透作用進(jìn)、出成熟的植物細(xì)胞 此環(huán)節(jié)學(xué)生的論證過程如圖4 所示。先引導(dǎo)學(xué)生類比動(dòng)物細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提出主張1 和主張2，根據(jù)主張1 和主張2 推導(dǎo)出主張3。

圖4 “水通過滲透作用進(jìn)、出成熟植物細(xì)胞”論證過程示意圖

為了支持主張3，教師可提供洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞在高濃度蔗糖溶液中失水質(zhì)壁分離和在清水中質(zhì)壁分離復(fù)原實(shí)驗(yàn)的圖片，完成圖中所示的支持a 環(huán)節(jié)；支持b 和支持c 可請(qǐng)學(xué)生應(yīng)用本節(jié)知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)加以解釋。

除了給主張?zhí)砑酉薅l件“細(xì)胞具備中央大液泡且具備活性時(shí)，水才可通過滲透作用進(jìn)、出植物細(xì)胞”，可用“煮熟的黃瓜上撒鹽不會(huì)有水溢出”“果脯制作”等作為支撐。

以下是課堂上師生論證水分子可否通過滲透作用進(jìn)、出植物細(xì)胞的教學(xué)片斷展示。

教學(xué)論證片斷1“細(xì)胞壁是否為半透膜”：

師：動(dòng)物細(xì)胞可看作滲透系統(tǒng)，請(qǐng)問植物細(xì)胞能否看作滲透系統(tǒng)？

生A：不能。

師：為什么？

生A：因?yàn)橹参锛?xì)胞最外層還有細(xì)胞壁。

師：細(xì)胞壁不滿足滲透作用的哪個(gè)條件？（此處發(fā)生“師-生”之間的論證）

生A：半透膜。

師：為什么說細(xì)胞壁不是半透膜？

生A：因?yàn)榧?xì)胞壁不允許物質(zhì)通過。

師：其他人是否有不同意見？

生B：不同意A 的觀點(diǎn)，涼拌黃瓜時(shí)撒了鹽一會(huì)兒有水滲出，說明水可出去。（此處發(fā)生“生-生”之間的論證）

生C：菜農(nóng)給萎蔫的菜葉灑水，也說明水可進(jìn)入植物體。

師：你們的觀點(diǎn)是什么？

生B：細(xì)胞壁允許物質(zhì)進(jìn)、出。

教學(xué)論證片斷2“植物細(xì)胞能發(fā)生滲透作用的限制條件”：

師：所有植物細(xì)胞是否都能通過滲透作用吸水和失水？（教師引導(dǎo)學(xué)生為論點(diǎn)限定條件）生D：不是。細(xì)胞死亡后就不能了。師：你的理由是什么？

生D：細(xì)胞是有生命活性的，可主動(dòng)控制物質(zhì)進(jìn)、出，細(xì)胞死亡就無法主動(dòng)控制。

師：能否找到例子說明植物細(xì)胞死亡后，不再主動(dòng)控制物質(zhì)進(jìn)、出？

生E：學(xué)校的菜湯是綠色的，應(yīng)該就是高溫殺死細(xì)胞，導(dǎo)致色素滲出。

教師展示花生煮熟后子葉被紅墨水染色，而未煮熟花生子葉顏色不變的現(xiàn)象，從宏觀層面支持學(xué)生的論點(diǎn)。

生F：還有一個(gè)條件，植物成熟部位的細(xì)胞。師：為什么？

生F：因?yàn)橹参锍墒觳课坏募?xì)胞才有大液泡。

生G：植物未成熟部分的細(xì)胞雖沒有大液泡，但細(xì)胞質(zhì)和外界可形成濃度差，細(xì)胞膜也具有半透膜特性，所以，植物未成熟部位也可發(fā)生滲透作用。

師：未成熟部位的植物細(xì)胞是否也能發(fā)生滲透作用？請(qǐng)大家下課后收集資料，尋找證據(jù)佐證或反駁此觀點(diǎn)，并思考該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)論證推測(cè)。

7 體會(huì)與反思

論證過程能促進(jìn)學(xué)生有意義學(xué)習(xí)，提升科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生將日常生活中直觀、樸素、零散的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概括整理，形成有條理、有內(nèi)在邏輯的科學(xué)概念，有助于對(duì)科學(xué)概念的深層次理解和歸納概括的能力[2]。例如，學(xué)生為了解釋紅細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)，需要整理概括紅細(xì)胞的相關(guān)知識(shí)，并調(diào)動(dòng)“輸液、高鹽殺菌”等生活經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和資料形成主張時(shí)，其邏輯推理能力得到鍛煉和發(fā)展[5]。例如，學(xué)生能類比動(dòng)物細(xì)胞提出“未成熟植物細(xì)胞也可發(fā)生滲透作用”的推斷，當(dāng)然，這還需要尋找證據(jù)支撐。

此外，為了說服教師和同伴，學(xué)生會(huì)在表達(dá)過程中將思維過程外化，促進(jìn)對(duì)知識(shí)、信念和價(jià)值觀的反思、運(yùn)用與發(fā)展[3]，即提升學(xué)生的認(rèn)知與元認(rèn)知能力。在反駁/支持過程或被反駁時(shí)，學(xué)生的批判性思維能力得以提升。例如，學(xué)生通過涼拌黃瓜的生活經(jīng)驗(yàn)推翻細(xì)胞壁不允許物質(zhì)進(jìn)、出的觀點(diǎn)。

在教學(xué)過程中教師應(yīng)充分參與論證過程。備課階段，教師需準(zhǔn)備大量的事實(shí)資料和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，以備學(xué)生收集立論、反駁和增加限定條件的證據(jù)，此過程也是教師將教材原有結(jié)論處理成學(xué)生課堂生成結(jié)論的過程[6]；在備課階段的研討會(huì)上，教師之間也在不斷對(duì)話、立論和反駁。在課堂教學(xué)活動(dòng)中，教師會(huì)從支持和反駁學(xué)生觀點(diǎn)的不同角度推動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程。此外，教師還需要針對(duì)性地提出探究問題幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)[7]，例如，“紅細(xì)胞內(nèi)外是否存在濃度差？”的問題將滲透裝置與紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分連接。