“水進出細胞的原理”教學(xué)中的科學(xué)思維培養(yǎng)

倪曉華

（上海大學(xué)市北附中 上海 200072）

“水進出細胞的原理”是《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》中概念2的內(nèi)容，教學(xué)提示中有“通過模擬實驗探究膜的透性”“觀察植物細胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”兩個實驗。許多教師在教學(xué)設(shè)計時，將教學(xué)目標重點放在科學(xué)探究中的觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及對結(jié)果的交流與討論，而忽略了各教學(xué)環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系、教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

1 本節(jié)教學(xué)常見課型的分析

生物學(xué)是一門實驗科學(xué)，實驗是生物學(xué)研究中最基本、最常用的方法。在生物學(xué)教學(xué)中，常常出現(xiàn)“實驗課”的說法，即整節(jié)課在實驗室里進行動手操作，與之對應(yīng)的“常態(tài)課”是在普通教室里進行，沒有實驗操作環(huán)節(jié)。不同的課型對學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)有不同的效果。如果將演示實驗與分組實驗、探究實驗與驗證實驗都統(tǒng)稱為實驗，將沒有實驗材料和儀器設(shè)備的教學(xué)過程稱為講授，本節(jié)教學(xué)的課型一般有4種。

（1）只講授無實驗。這是非常傳統(tǒng)的課型，學(xué)習(xí)的過程是一個被動接受過程，即使運用了多媒體技術(shù)的輔助，或者對教材中的實驗進行分析，但是缺少體驗過程。學(xué)生頭腦中生成的概念是模糊的，甚至可能是錯誤的，如將質(zhì)壁分離和復(fù)原實驗中的“質(zhì)”理解為細胞質(zhì)的“質(zhì)”。

（2）先講授后實驗。這是比較常見的課型，將生物學(xué)教學(xué)分為常態(tài)課與實驗課兩種模式，基本上能夠完成課程標準設(shè)計的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，但講授過程缺少真實情境，學(xué)生活動缺少任務(wù)驅(qū)動，滯后完成的實驗是將“探究植物細胞的吸水和失水”的探究實驗變成了驗證實驗，仍然屬于接受學(xué)習(xí)。

（3）邊實驗邊講授。這是與新課程理念相吻合的課型，體現(xiàn)生物學(xué)課程性質(zhì)和基本理念，以實驗為情境和任務(wù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性。學(xué)生通過對感性材料進行分析、抽象、歸納與概括，可以形成科學(xué)概念，通過問題的提出和解決，在活動中提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（4）先實驗后講授。這是一種少見的課型，學(xué)生帶著任務(wù)走進實驗室進行探究活動，可能出現(xiàn)多種結(jié)果，如在活動過程中生成新的問題并繼續(xù)探究、在活動中出現(xiàn)失誤等。教師根據(jù)學(xué)生活動點評、分析，最后達成教學(xué)目標。這種教學(xué)設(shè)計的課堂組織難度高，甚至有人會質(zhì)疑課堂效率低。但是，學(xué)生完整地體驗了科學(xué)研究的全過程，深入理解科學(xué)的本質(zhì)，是達成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

2 本節(jié)教學(xué)中的科學(xué)思維分析與教學(xué)建議

“水進出細胞的原理”一節(jié)教學(xué)中，科學(xué)探究是顯性的素養(yǎng)，而科學(xué)思維是隱性的。科學(xué)思維以生物學(xué)事實、概念為基礎(chǔ)，同時，在嘗試獲取證據(jù)、運用證據(jù)與邏輯形成生物學(xué)概念和規(guī)律的過程中，需要進行實驗，需要科學(xué)思維。

2.1 類比推理

類比推理是從兩個或兩類對象有某些共有或相似屬性，推出一個對象可能具有另一類對象所具有的屬性的方法。類比推理是將抽象思維和形象思維融為一體的一種獨特的思維方法，一些特殊事物往往具有鮮明的形象，人們應(yīng)用類比方法，就能使其對抽象、微觀對象的思維具有形象思維的特征。例如，物理學(xué)家研究光的性質(zhì)時，將光與聲進行類比，遺傳學(xué)家薩頓將看不見的基因與看得見的染色體行為進行類比等。

探究膜的透性模擬實驗中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察漏斗管內(nèi)的液面變化，發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象，理解發(fā)生滲透現(xiàn)象的條件，從而概括出滲透作用的概念。細胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，當學(xué)生理解了滲透作用的概念后，就可以進行推理。教師將微觀、抽象的細胞生命活動與宏觀、形象的滲透現(xiàn)象進行類比，提出問題，激發(fā)學(xué)生開展科學(xué)探究的欲望：水分子通過細胞膜進出細胞也是滲透作用嗎？細胞膜相當于一層半透膜嗎？

開展探究膜的透性模擬實驗時，教師可以讓學(xué)生提前選擇玻璃紙、魚鰾、膀胱、雞蛋卵殼膜等多種材料，也可以將漏斗與燒杯中的溶液互換，構(gòu)建滲透裝置，以便課堂上觀察滲透現(xiàn)象。滲透現(xiàn)象是一個真實的情境，既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，又是培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括、類比推理等科學(xué)思維的載體。

2.2 演繹推理

演繹推理是從一般規(guī)律出發(fā)，運用數(shù)學(xué)的演算或者邏輯的證明，得出特殊事實應(yīng)遵循的規(guī)律，即從一般到特殊的邏輯推理方法。在科學(xué)研究中，演繹方法常常與假說方法結(jié)合在一起，在觀察和分析的基礎(chǔ)上提出問題，通過推理和想像提出解釋問題的假說，根據(jù)假說進行演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結(jié)論。如果實驗結(jié)果與預(yù)期相符，證明假說是正確的，反之，假說不成立。

教師將滲透現(xiàn)象與細胞吸水和失水現(xiàn)象進行類比：哺乳動物的紅細胞形狀特殊，取材容易，是一種理想的實驗材料，將紅細胞放入不同濃度的氯化鈉溶液中一段時間后，會出現(xiàn)失水皺縮、吸水膨脹甚至脹破的現(xiàn)象。引導(dǎo)學(xué)生提出水進出動物細胞的原理是滲透作用的假說。教師可提醒學(xué)生注意：如果這個假說成立，人們可以演繹推理水進出植物的規(guī)律，并通過實驗來檢驗，這是植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實驗與紅細胞形態(tài)變化實驗之間的邏輯聯(lián)系，也是區(qū)分植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實驗是探究實驗還是驗證實驗的要素。

課堂教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗和對動植物細胞結(jié)構(gòu)差異的認知，選擇紫色洋蔥、黑藻等植物作為實驗材料，預(yù)見植物細胞在不同濃度氯化鈉或蔗糖溶液中的變化，然后設(shè)計并完成實驗，分析實驗結(jié)果并得出結(jié)論。演繹推理能夠作出科學(xué)的預(yù)見，這樣的教學(xué)設(shè)計可以讓學(xué)生充分體驗演繹推理的魅力，即只要推理的前提真實、推理形式符合邏輯，那推理的結(jié)論必然是真實的。

2.3 模型與建模

模型是對客觀事物的形態(tài)、特征和本質(zhì)的描述、模仿和抽象，被反映和代替的客觀對象稱為模型的原型。建模是一種基于模型的建構(gòu)性學(xué)習(xí)活動，泛指人類在認識自然界的過程中，把認識對象進行概念化的過程。建模是獲得知識的一條重要途徑或方法，超越了對科學(xué)事實的簡單記憶。

教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型：成熟的植物細胞由于中央液泡占據(jù)了細胞大部分空間，細胞內(nèi)的液體環(huán)境主要指的是液泡中的細胞液，科學(xué)工作者將細胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細胞質(zhì)稱為原生質(zhì)層。原生質(zhì)層相當于一層半透膜。教師簡化和理想化地再現(xiàn)了原型與研究目的有關(guān)的基本因素，略去次要的、非本質(zhì)的細節(jié)，如這兩層膜之間的各種細胞器、細胞核等，突破了語言描述的局限，使學(xué)生一下子獲得植物細胞吸水和失水的整體印象。

教學(xué)時，教師可以先進行探究植物細胞吸水和失水的實驗，學(xué)生在解釋中央液泡大小變化的原因時，會反復(fù)提及水經(jīng)過細胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細胞質(zhì)。此時，教師提出建立原生質(zhì)層的概念模型，避免了學(xué)生對概念的死記硬背，并將植物細胞的失水和吸水現(xiàn)象稱為“質(zhì)壁分離和復(fù)原”，從而使語言表達的臃腫與簡潔形成鮮明對比。

科學(xué)思維是概念形成的工具，是生命觀念建立和科學(xué)探究的基礎(chǔ)；同時，科學(xué)思維依托概念來進行，并在科學(xué)探究中得到發(fā)展。核心素養(yǎng)是跨課時、跨學(xué)段、跨學(xué)科的，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)中的落實是一個漫長的過程，每一節(jié)課、每一個活動都是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)生成的一部分。