基于問題導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的高中生物教學(xué)實(shí)踐
——以“細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合”一課為例

敬紅星，李艷紅，胡杰*，蘇珍

（1.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川南充，637002；2.成都市武侯高級中學(xué)，四川成都 610043）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)作為我國課程標(biāo)準(zhǔn)，把生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任作為高中生物學(xué)課程目標(biāo)的組成成分[1]?？茖W(xué)思維通常指科學(xué)家在思考和解決問題時使用的、有標(biāo)志特征的思維方式，是對科學(xué)內(nèi)容的思考和滲透在科學(xué)領(lǐng)域的一套推理過程[2]，包括歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括、模型與建模等。問題導(dǎo)向教學(xué)是指以問題為中心，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力為目標(biāo)的教學(xué)方法[3]。有效的問題能驅(qū)動學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈探究知識的欲望，并在解決知識的過程中增加成就感。因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)關(guān)注學(xué)生現(xiàn)有知識水平，多以啟發(fā)性問題不斷創(chuàng)造學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)能力的提升。高中生物學(xué)“細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合”一課內(nèi)容多為識記內(nèi)容，傳統(tǒng)講解易忽視學(xué)生的主體地位，不利于思維發(fā)展。因此，本文將采用問題組的形式不斷創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生求知欲望，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，以期調(diào)動學(xué)生主動參與，深度思考，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維能力的提升。

一、“細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合”教學(xué)案例

（一）教材分析

本節(jié)內(nèi)容選自人教版高中生物學(xué)必修一《分子與細(xì)胞》第3章第2節(jié)“細(xì)胞器之間的分工合作”中第2課時的內(nèi)容，本堂課圍繞分泌蛋白的合成與運(yùn)輸這一知識點(diǎn)，構(gòu)建細(xì)胞器之間協(xié)調(diào)配合、分工合作的概念模型。本節(jié)內(nèi)容是以第1課時各種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能為基礎(chǔ)，對細(xì)胞器之間的聯(lián)系做進(jìn)一步的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

（二）學(xué)情分析

本節(jié)課授課對象為高一學(xué)生，在此之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)過各種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能，為新知識的學(xué)習(xí)奠定了認(rèn)知基礎(chǔ)。同時，高一學(xué)生還具備一定的認(rèn)知和邏輯推理能力，抽象演繹思維已初步建立，但這種分析具體問題的思維能力依舊停留在感性階段，發(fā)散思維能力相對不足。因此，課堂需要豐富的真實(shí)情境或啟發(fā)性問題訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力，幫助學(xué)生不斷提升思維品質(zhì)，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（三）教學(xué)目標(biāo)

生命觀念：通過探究分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑的過程，闡述分泌蛋白合成和運(yùn)輸?shù)耐緩?，樹立局部與整體的生命觀念。

科學(xué)思維：通過對分泌蛋白合成和運(yùn)輸途徑的模型建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生模型與建模、歸納與概括、批判性等思維能力。

科學(xué)探究：運(yùn)用同位素標(biāo)記等方法設(shè)計實(shí)驗思路，提高設(shè)計和分析實(shí)驗?zāi)芰?，并能運(yùn)用到其他類似科學(xué)探究過程中。

社會責(zé)任：通過對同位素標(biāo)記法技術(shù)的學(xué)習(xí)，認(rèn)同科學(xué)技術(shù)與科學(xué)思維結(jié)合，樹立正確科學(xué)觀；通過對社會生活實(shí)例學(xué)習(xí)，樹立健康生活態(tài)度。

（四）教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師活動：近年來，疫苗界有一種“網(wǎng)紅”疫苗——宮頸癌疫苗（HPV疫苗）從眾多疫苗中脫穎而出，各種價型的HPV疫苗預(yù)約火爆。宮頸癌是婦科常見的惡性腫瘤，發(fā)病率僅次于乳腺癌，位居第二位[4]，注射HPV疫苗可有效預(yù)防感染高危型人乳頭瘤病毒（HPV）引起的宮頸癌。

提出問題：接種HPV疫苗能有效預(yù)防感染宮頸癌的原理是什么？

教師活動：播放HPV疫苗作用原理視頻。

學(xué)生活動：觀看視頻，回答問題。

師生共同總結(jié)：人體接種HPV疫苗后能激活免疫系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的抗體和記憶細(xì)胞，當(dāng)以后人乳頭瘤病毒（HPV）入侵人體時，機(jī)體能迅速識別并產(chǎn)生大量抗體來消滅人乳頭瘤病毒，起到保護(hù)人體作用。

提出問題：抗體的本質(zhì)是什么？

教師：抗體的本質(zhì)是一種分泌蛋白。分泌蛋白是指在細(xì)胞內(nèi)合成，分泌到細(xì)胞外起作用的一類蛋白質(zhì)，如抗體、消化酶、唾液淀粉酶、胃蛋白酶、部分激素等[5]。分泌蛋白分泌過程需要在多種細(xì)胞器的協(xié)調(diào)配合下完成，本節(jié)課將以分泌蛋白合成與運(yùn)輸為例學(xué)習(xí)細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合。

設(shè)計意圖：利用“網(wǎng)紅”疫苗這一熱點(diǎn)話題導(dǎo)入新課可引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括能力。

環(huán)節(jié)二：實(shí)驗探究，層層剖析

提出問題：分泌蛋白是通過怎樣的途徑運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外的？

【實(shí)驗探究】豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞分泌的胰蛋白酶是一種分泌蛋白。利用以下實(shí)驗材料模擬帕拉德實(shí)驗以探究分泌蛋白運(yùn)輸途徑。

實(shí)驗材料：具備生理活性的豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞、含有3H標(biāo)記亮氨酸的培養(yǎng)液、不含3H標(biāo)記亮氨酸的培養(yǎng)液、電子顯微鏡。

教師展示實(shí)驗過程：首先將具備生理活性的豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞浸泡在含有3H標(biāo)記亮氨酸的培養(yǎng)液中短時間培養(yǎng)，3 min時取少量細(xì)胞進(jìn)行固定（使細(xì)胞死亡但仍保持細(xì)胞形態(tài)），通過放射自顯影處理，在電子顯微鏡下觀察分泌蛋白的位置。隨后將其余培養(yǎng)過3 min的豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞轉(zhuǎn)移到不含3H標(biāo)記亮氨酸的培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)，分別在17 min、117 min取少量細(xì)胞按同樣方式（細(xì)胞固定+放射自顯影）處理細(xì)胞，在電子顯微鏡下觀察分泌蛋白的位置。帕拉德實(shí)驗流程如下：

圖1 帕拉德實(shí)驗流程圖

思考問題：

為什么用3H標(biāo)記亮氨酸？

為什么要將豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞先浸泡在含有3H標(biāo)記亮氨酸的培養(yǎng)液中短時間培養(yǎng)3 min？

該實(shí)驗需要設(shè)計對照嗎？

學(xué)生活動：小組討論交流，思考問題。

教師：（1）亮氨酸是組成分泌蛋白的氨基酸之一，屬于必需氨基酸，體內(nèi)無法合成，必須從外界吸收。因此培養(yǎng)液中被標(biāo)記的亮氨酸可被吸收進(jìn)入細(xì)胞，用含有放射性的3H標(biāo)記的亮氨酸以便于追蹤分泌蛋白運(yùn)輸軌跡。這一實(shí)驗用到了一項科學(xué)方法——同位素標(biāo)記法，它指的是用物理性質(zhì)特殊的同位素來標(biāo)記化學(xué)反應(yīng)中原子的去向，可用于示蹤放射性物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。放射自顯影則可觀察放射性物質(zhì)的分布和數(shù)量。

（2）將豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞浸泡在含有3H標(biāo)記的亮氨酸培養(yǎng)液中短時間培養(yǎng)3 min，可觀察到分泌蛋白絕大多數(shù)都集中在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)這一細(xì)胞器上。如果長時間浸泡其中會導(dǎo)致細(xì)胞中多個細(xì)胞器中同時出現(xiàn)被3H標(biāo)記的亮氨酸，這便不利于觀察分泌蛋白運(yùn)輸軌跡。

（3）因為該實(shí)驗?zāi)康脑谟谟^察分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑，所以不需要設(shè)計對照實(shí)驗。

教師活動：多媒體展示實(shí)驗結(jié)果，圖2所示。

圖2 豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞分泌蛋白質(zhì)形成過程圖解（灰點(diǎn)代表未被標(biāo)記的分泌蛋白，紅點(diǎn)代表被標(biāo)記的分泌蛋白）

提出問題：（1）分泌蛋白合成場所在哪里？（2）分泌蛋白運(yùn)輸途徑是怎樣的？（3）這一過程需要能量嗎？如果需要，能量由誰提供？如果不需要，請給出解釋。

學(xué)生活動：觀察實(shí)驗結(jié)果，嘗試描述分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑。

教師：分泌蛋白首先在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體內(nèi)合成，再轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜將分泌蛋白包裹運(yùn)送到高爾基體，高爾基體膜再將分泌蛋白包裹運(yùn)送至細(xì)胞膜。一切生命活動都需要消耗能量，因此，分泌蛋白合成和運(yùn)輸過程中同樣需要能量，這些能量主要由線粒體提供。

設(shè)計意圖：以問題形式逐步引導(dǎo)學(xué)生獲取新知，體驗科學(xué)探究的一般思路，培養(yǎng)學(xué)生抽象與演繹思維。通過描述分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括能力。

環(huán)節(jié)三：歸納建構(gòu)，拓展延伸

提出問題：核糖體合成的多肽鏈?zhǔn)侨绾我徊讲郊庸槌墒斓牡鞍踪|(zhì)？

教師活動：播放分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑視頻，結(jié)合視頻進(jìn)行講解。

學(xué)生活動：觀看視頻，體會內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器在功能上的聯(lián)系。

師生共同總結(jié)：多肽鏈?zhǔn)紫仍诖置鎯?nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體內(nèi)合成，邊合成邊轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，經(jīng)過初步加工，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。接著由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜鼓出形成囊泡將蛋白質(zhì)運(yùn)送到高爾基體，高爾基體對來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)做進(jìn)一步的修飾加工，形成成熟的蛋白質(zhì)。再由高爾基體膜鼓出形成囊泡將蛋白質(zhì)運(yùn)輸至細(xì)胞膜，細(xì)胞膜通過胞吐的方式將分泌蛋白排出細(xì)胞。

教師活動：組織學(xué)生以小組為單位構(gòu)建分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑的概念模型圖，如圖3所示。學(xué)生完成后，教師將其中較為優(yōu)秀的小組繪制成果通過投影儀進(jìn)行展示，并鼓勵其他學(xué)生大膽質(zhì)疑并完善。

圖3 分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑的概念模型圖

設(shè)計意圖：通過構(gòu)建分泌蛋白合成和運(yùn)輸途徑的概念模型圖，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括能力以及模型與建模思維。通過質(zhì)疑其他小組所繪制的概念圖，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維。

環(huán)節(jié)四：聯(lián)系生活，關(guān)注健康

教師：白蛋白屬于一種分泌蛋白，肝臟是人體合成白蛋白唯一器官，肝臟細(xì)胞內(nèi)白蛋白數(shù)量偏低會導(dǎo)致人患低白蛋白血癥，它的表現(xiàn)特征有營養(yǎng)不良、四肢浮腫等癥狀。

提出問題：人為什么會患低白蛋白血癥？

學(xué)生活動：小組討論。

教師：造成此病癥原因之一是肝功能受損，白蛋白合成發(fā)生障礙，由此影響白蛋白的分泌。鼓勵學(xué)生思考其他可能原因，并課后討論分享。

設(shè)計意圖：借助社會實(shí)例，回歸生活，培養(yǎng)學(xué)生分析與綜合能力。

二、設(shè)計思路

本教學(xué)設(shè)計依據(jù)新課標(biāo)倡導(dǎo)的“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的理念，本著知識的完整建構(gòu)與思維能力的有效提升，基于問題導(dǎo)向教學(xué)將“創(chuàng)設(shè)情境－實(shí)驗探究－歸納建構(gòu)－聯(lián)系生活”作為教學(xué)過程的主線。HPV疫苗、低白蛋白血癥作為教學(xué)情景素材，探究性實(shí)驗作為教學(xué)突破點(diǎn)，促使學(xué)生自主完成分泌蛋白的合成與運(yùn)輸概念模型圖的構(gòu)建。從而提升學(xué)生科學(xué)思維各方面能力，本教學(xué)設(shè)計思路以思維導(dǎo)圖形式展示如圖4所示。

圖4 教學(xué)思維導(dǎo)圖

三、教學(xué)反思

本節(jié)課為達(dá)成細(xì)胞器之間協(xié)調(diào)配合這一核心概念，采用了分析分泌蛋白的合成與運(yùn)輸這一具體事例來完成。在教學(xué)過程中，教師基于問題導(dǎo)向教學(xué)不斷創(chuàng)設(shè)一系列遞進(jìn)性問題情境，激發(fā)學(xué)生探究新知欲望，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括能力、模型與建模、批判性等科學(xué)思維能力。引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)分泌蛋白合成與運(yùn)輸途徑的概念模型圖以及運(yùn)用新知識解釋有關(guān)社會生活實(shí)例，從而實(shí)現(xiàn)本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。

此外，因教科書上未完全展示帕拉德實(shí)驗的具體過程，而掌握此實(shí)驗過程有利于攻克本節(jié)教學(xué)重難點(diǎn)，提高學(xué)生科學(xué)思維能力，故需教師提前查閱相關(guān)資料，梳理實(shí)驗流程，設(shè)計有效性問題，以保證課堂教學(xué)層層遞進(jìn)實(shí)施，從而提升教學(xué)效果。