張國權(quán)

摘 要：本節(jié)教學(xué)設(shè)計對教材內(nèi)容進行加工、充實和整合，實現(xiàn)實驗教學(xué)與知識教、學(xué)有機統(tǒng)一。假說演繹法的運用和兩次建構(gòu)及分析數(shù)學(xué)模型將培養(yǎng)理性思維和科學(xué)探究核心素養(yǎng)融合一體。通過教師引導(dǎo)改進實驗材料與試劑，增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識。利用問題導(dǎo)引，轉(zhuǎn)換視角使學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑，培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維。

關(guān)鍵詞：理性思維；科學(xué)探究；模型構(gòu)建；細胞大??；物質(zhì)運輸

一、教材分析

“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”是人教版高中生物學(xué)教材“分子與細胞”模塊中在“細胞增殖”一節(jié)安排的一個模擬實驗。通過該實驗的探究，可以讓學(xué)生知道細胞不能無限長大的原因，引出細胞分裂的必要性，然后再學(xué)習(xí)細胞增殖，體現(xiàn)知識的系統(tǒng)性。本課內(nèi)容還與后續(xù)模塊中微生物的代謝、細胞進化有著緊密聯(lián)系。

二、教學(xué)目標

1.能運用生命系統(tǒng)的物質(zhì)代謝和系統(tǒng)控制的觀點，概述細胞不能無限長大的原因。

2.通過建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，運用理性思維理解細胞大小與物質(zhì)進出的關(guān)系。

3.能夠從安全有效、環(huán)境保護和經(jīng)濟易得的角度改進實驗材料和試劑。

4.能運用假說演繹法，按照科學(xué)探究的要求設(shè)計出模擬細胞大小與物質(zhì)進出的關(guān)系實驗方案。

三、教學(xué)過程

1.課前準備

課前應(yīng)準備好實驗用具和材料。如塑料刀，手套，毫米尺，塑料勺，紙巾，燒杯；直徑分別為1cm、2cm、3cm的瓊脂圓柱體，3cm×3cm×6cm的煮熟的白蘿卜塊，紅墨水，碘液。根據(jù)學(xué)生人數(shù)，每四人組成一個小組，上述實驗用具和材料與小組數(shù)量一致。

2.分析問題，提出理論假設(shè)

運用生命系統(tǒng)的物質(zhì)代謝觀點，引導(dǎo)學(xué)生提出理論假設(shè)：細胞大小影響細胞的物質(zhì)運輸效率，進而影響細胞代謝，從而限制了細胞的無限長大。再引導(dǎo)學(xué)生運用數(shù)學(xué)知識分別對正方體和圓柱體模型進行推理得出：y=1-（1-hx/3）3的函數(shù)關(guān)系，其中y為物質(zhì)擴散進入細胞的體積與總體積之比，x為相對表面積，h為物質(zhì)擴散深度。通過建立函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，使學(xué)生體驗和學(xué)會從現(xiàn)象中揭示生命本質(zhì)和活動規(guī)律，用縝密的理性思維分析問題。

3.實驗驗證，得出探究結(jié)論

（1）察“顏”觀“色”，選擇材料試劑

假說及推理是否正確，必須用實驗來檢驗。設(shè)問：用什么來模擬細胞和擴散進入細胞的物質(zhì)，以及物質(zhì)擴散進入細胞的證據(jù)呢？除了教材中提供的答案外，教師引導(dǎo)學(xué)生思考討論既安全又環(huán)保的材料和試劑，想出幾種組合方案，如含淀粉的瓊脂塊與碘液、石蕊瓊脂塊與白醋、豆腐塊與雙縮脲試劑、煮熟的白蘿卜與紅墨水等。此時，教師展示提供給學(xué)生的材料試劑。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)并質(zhì)疑：為什么提供的是圓柱體的瓊脂塊？讓學(xué)生思考回答這樣改動的好處。通過教師引導(dǎo)改進實驗材料與試劑，增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（2）“物”有所“依”，實施實驗步驟

將含淀粉的瓊脂塊與碘液、瓊脂圓柱體與紅墨水、煮熟的白蘿卜與紅墨水三種實驗材料試劑組合及用具分組提供給學(xué)生。先讓學(xué)生思考實驗設(shè)計思路，教師引導(dǎo)完善實驗步驟及提示注意事項。實驗步驟如下：（1）用塑料刀將已有的直徑分別為1cm、2cm、3cm的瓊脂圓柱體，分別切成高度為1cm、2cm、3cm的瓊脂圓柱體；將煮熟的白蘿卜切成3cm×3cm×6cm的白蘿卜塊，再切成邊長為1cm、2cm、3cm的正方體。（2）將同種三個大小不同的材料塊放在燒杯內(nèi)，同時加入相應(yīng)試劑浸沒材料塊，浸泡10min，用藥勺背不時翻動，并注意觀察材料塊和試劑溶液顏色的變化。（3）戴上手套，用藥勺同時取出3個材料塊，用紙巾把表面的試劑溶液吸干，再用塑料刀分別將三塊材料平行切成三等份（如圖1），取中間一塊測量并記錄其切面顏色變化的深度。（4）填寫表格并計算（見表1）。

（3）依“據(jù)”善“思”，分析實驗結(jié)果

學(xué)生完成實驗表格相關(guān)數(shù)據(jù)計算（見表1），發(fā)現(xiàn)各小組的實驗結(jié)果基本相同，即物質(zhì)擴散的深度大致相同，說明之前假說及推理正確。教師提出問題：（1）表中表面積和體積的比值有什么規(guī)律？（2）物質(zhì)擴散的體積與整個材料塊的體積之比有什么規(guī)律？（3）細胞大小與物質(zhì)運輸有什么關(guān)系？進一步引導(dǎo)學(xué)生得出實驗結(jié)論：（1）材料塊的表面積與體積之比隨著材料塊的增大而減小。（2）物質(zhì)擴散的體積與整個材料塊的體積之比隨著材料塊的增大而減小。（3）細胞的體積越大，相對表面積就越小，細胞的物質(zhì)運輸效率越低。所以，細胞表面積與體積的關(guān)系限制了細胞的長大。

4.轉(zhuǎn)換視角，引發(fā)質(zhì)疑批判

追問1：這個模擬實驗?zāi)芊裢耆M細胞物質(zhì)運輸?shù)恼鎸崰顩r？

提醒學(xué)生觀察燒杯中試劑溶液顏色的變化，發(fā)現(xiàn)并比較出含淀粉的瓊脂圓柱體與碘液這種組合的優(yōu)勢是能體現(xiàn)物質(zhì)運輸雙向性。再從細胞結(jié)構(gòu)和物質(zhì)跨膜運輸方式引導(dǎo)學(xué)生思考本實驗的缺陷。

能否運用幾何模型更直觀地、科學(xué)地分析細胞表面積與體積的關(guān)系限制細胞長大的因素呢？教師通過設(shè)問引起學(xué)生的發(fā)散性思維，通過建構(gòu)幾何圖形解釋限制細胞長大的因素。如圖2所示，兩圓代表大小不同的細胞，各截取極小的相同面積的細胞膜作為底，與細胞中心建立圓錐體，圓錐體的體積與半徑成正比。圓錐體的體積代表了所截取的細胞膜需要承擔(dān)的細胞與外界物質(zhì)交換的量與空間。由圖2可以看出，隨著細胞的增大，單位細胞膜所承擔(dān)的任務(wù)愈重，細胞內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)運時空變長，從而影響了細胞代謝，限制了細胞無限長大。通過建構(gòu)幾何圖形的數(shù)學(xué)模型，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)知識在解決生物學(xué)問題中的重要性，拓寬了學(xué)生的思維，培養(yǎng)了學(xué)生多角度解決問題的能力。

教師再次設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實例，遷移運用知識分析實際問題。為什么卵細胞體積比較大，小腸上皮細胞為何具有很多微絨毛？卵細胞貯存了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，與外界交換的物質(zhì)較少。小腸上皮細胞與外界物質(zhì)交換頻繁，通過微絨毛可以增加與外界的接觸面積，適應(yīng)其吸收的功能，從而使學(xué)生進一步理解細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系，并可升華為結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)思想。

追問2：限制細胞長大的主要因素只有這一種嗎？細胞是不是越小越好？

通過設(shè)置開放性和逆向思維的問題，發(fā)散學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生從多角度去分析問題，深化知識，培養(yǎng)學(xué)生批判性思考的能力。

四、教學(xué)反思

本節(jié)內(nèi)容看似簡單，實則開放性很大。對假說演繹法的科學(xué)探究過程、利用數(shù)學(xué)模型解決生物學(xué)問題給予了足夠的重視，將培養(yǎng)學(xué)生理性思維和科學(xué)探究核心素養(yǎng)融為一體。注意聯(lián)系生活實際，從生活中獲取安全有效、經(jīng)濟易得的材料，使學(xué)生回歸生活、增強創(chuàng)新意識和社會責(zé)任感。教學(xué)中讓學(xué)生獨立思考，積極合作，親自操作，主動構(gòu)建，培養(yǎng)了觀察、分析、交流、總結(jié)和遷移等能力，同時養(yǎng)成良好的思考習(xí)慣，形成科學(xué)嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神。

參考文獻：

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