孟凡龍

摘要 基于生活情境，構(gòu)建模型，不斷設(shè)計(jì)問題串深入分析動(dòng)植物細(xì)胞的滲透本質(zhì)，并通過設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維，提升科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 探究教學(xué) 跨膜運(yùn)輸

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物學(xué)核心素養(yǎng)中提出的科學(xué)思維表述為“崇尚并形成科學(xué)思維的習(xí)慣；能夠運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法探討生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題”?？茖W(xué)思維是一種思維的范式，需要思維者巧妙地管理思維結(jié)構(gòu)，使用理智的標(biāo)準(zhǔn)，充分運(yùn)用邏輯并精心權(quán)衡事實(shí)，以提高思維的質(zhì)量，是自主、自律、自我監(jiān)控和自我糾正的思維。對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的分析理解、實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變是建立在科學(xué)思維能力之上的，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維顯得格外重要。

“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”是人教版高中生物第四章第一節(jié)的內(nèi)容，包括“細(xì)胞的吸水和失水”“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)钠渌麑?shí)例”和探究實(shí)驗(yàn)“植物細(xì)胞的吸水和失水”三部分內(nèi)容。教學(xué)重點(diǎn)是簡(jiǎn)述細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)，教學(xué)難點(diǎn)是探究植物細(xì)胞的吸水和失水實(shí)驗(yàn)。下面嘗試以“觀察現(xiàn)象——提出問題——分析現(xiàn)象——得出結(jié)論”的探究式教學(xué)為主線，通過構(gòu)建物理模型來突破教學(xué)重點(diǎn)；引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，歸納科學(xué)探究的一般過程來突破教學(xué)難點(diǎn)。

1基于生活情境，構(gòu)建滲透模型

雞蛋是人們生活中常食用的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的食物之一。教師呈現(xiàn)兩幅以新鮮雞蛋為實(shí)驗(yàn)材料的家庭實(shí)驗(yàn)圖：實(shí)驗(yàn)組是用鑷子輕輕地在新鮮雞蛋的鈍端氣室處敲破蛋殼形成小洞，但不破壞殼膜，將其放置在一個(gè)碗中，倒入適量能夠淹沒雞蛋的自來水；對(duì)照組是將一個(gè)同樣規(guī)格的正常雞蛋，放置在盛有等量自來水的碗中。一段時(shí)間后觀察兩只碗中的雞蛋。教師首先請(qǐng)一位學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并解釋原因。接著教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片，引導(dǎo)學(xué)生分析原因。學(xué)生一般都能理解水分子進(jìn)入雞蛋內(nèi)導(dǎo)致殼膜破裂。教師可建議學(xué)生可以在家中嘗試重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題：

①雞蛋內(nèi)的水分是否會(huì)流出來呢？

②如何利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來研究殼膜兩側(cè)的水分子流動(dòng)情況呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生在雞蛋殼的小洞處用鑷子將殼膜輕輕地取出，保持其完整性；然后，用完整的殼膜包裹住小型普通漏斗口處，并用細(xì)線扎緊，將其倒置固定在一燒杯的下部（不要接觸燒杯底部），用來研究水分子進(jìn)出殼膜的方式。教師提出探究性的問題：

①如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來研究水分子進(jìn)出殼膜的方式？

②倒置漏斗中溶液的液面變化怎樣才能看得更清楚？

③倒置漏斗中的溶液濃度與燒杯中的溶液濃度大小如何設(shè)計(jì)？應(yīng)該設(shè)計(jì)幾組？

④殼膜兩側(cè)溶液的液面沒有發(fā)生變化的可能原因有哪些？

通過學(xué)生設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)、教師演示實(shí)驗(yàn)及動(dòng)畫展示，并提出研究性問題：

①倒置漏斗中液面上升的速度如何變化？

②隨著漏斗中液面的上升，漏斗內(nèi)溶液的濃度如何變化？

③殼膜兩側(cè)溶液的濃度差如何變化？

④滲透平衡時(shí)殼膜兩側(cè)有水分子的移動(dòng)嗎？膜兩側(cè)溶液濃度相等嗎？教師通過問題串來引導(dǎo)學(xué)生深入理解殼膜兩側(cè)液面變化的原因。師生一起總結(jié)出發(fā)生滲透作用的條件，教師適當(dāng)介紹半透膜的知識(shí)。

同時(shí)教師指出理解誤區(qū)：滲透系統(tǒng)的溶液濃度指物質(zhì)的量濃度而非質(zhì)量濃度，實(shí)質(zhì)是指滲透壓，如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的蔗糖溶液的質(zhì)量濃度相等，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的蔗糖溶液的滲透壓小，故水可通過半透膜由蔗糖向葡萄糖溶液移動(dòng)。

2繪制物理模型，剖析滲透細(xì)胞

能夠發(fā)生滲透現(xiàn)象的細(xì)胞稱為滲透細(xì)胞，一般的動(dòng)植物細(xì)胞都是滲透細(xì)胞，那么選擇什么樣的動(dòng)植物細(xì)胞有利于觀察細(xì)胞的滲透現(xiàn)象呢？

2.1動(dòng)物細(xì)胞的滲透現(xiàn)象

根據(jù)取材便捷、有顏色易觀察、細(xì)胞分散、易受環(huán)境溶液影響等的實(shí)驗(yàn)材料特點(diǎn)，學(xué)生很容易想到哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞。教師呈現(xiàn)豬成熟紅細(xì)胞的圖片，提出探究性的問題：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究豬成熟紅細(xì)胞的滲透現(xiàn)象？設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)的對(duì)照原則，如顯微鏡觀察的次數(shù)、不同的外界溶液；實(shí)驗(yàn)步驟中如何使豬成熟紅細(xì)胞浸潤(rùn)在不同的溶液中。

教師呈現(xiàn)豬成熟紅細(xì)胞在不同溶液中的3種滲透現(xiàn)象圖，引導(dǎo)學(xué)生分析動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生滲透作用的條件，并要求學(xué)生嘗試?yán)L制水分子進(jìn)出細(xì)胞的物理模型圖。教師可以繪制細(xì)胞在等滲外界溶液中的水分子進(jìn)出細(xì)胞物理模型圖，請(qǐng)學(xué)生參考后繪制另外兩種模型圖，并提醒學(xué)生可以用箭頭的長(zhǎng)度、粗細(xì)、數(shù)量等不同的方式來表示水分子進(jìn)出細(xì)胞的多少。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解哺乳動(dòng)物要維持生命活動(dòng)的正常進(jìn)行，就需要通過神經(jīng)-體液-免疫網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)細(xì)胞外液的理化性質(zhì)，保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

2.2植物細(xì)胞的滲透現(xiàn)象

參考研究動(dòng)物細(xì)胞滲透作用的實(shí)驗(yàn)材料，教師引導(dǎo)學(xué)生采用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞來研究植物細(xì)胞的滲透現(xiàn)象。學(xué)生自主繪制紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)。教師適當(dāng)修正后，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)該細(xì)胞在3種不同濃度的外界溶液中可能發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。然后，教師播放動(dòng)畫演示植物細(xì)胞的失水過程，引導(dǎo)學(xué)生分析：植物細(xì)胞壁的伸縮性很小，而細(xì)胞膜、液泡膜和兩者之間的細(xì)胞質(zhì)都有很強(qiáng)的伸縮性，細(xì)胞失水時(shí)收縮明顯，且非常薄，一般將這些結(jié)構(gòu)當(dāng)做一個(gè)半透膜，稱為原生質(zhì)層。教師適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生觀察正常植物細(xì)胞的原生質(zhì)層。學(xué)生自主繪制發(fā)生質(zhì)壁分離的紫色洋蔥外表皮細(xì)胞，并標(biāo)注主要結(jié)構(gòu)。

當(dāng)細(xì)胞不斷失水時(shí)，原生質(zhì)層就會(huì)與細(xì)胞壁逐漸分離開來，即發(fā)生了質(zhì)壁分離現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生一起總結(jié)：

①什么樣的細(xì)胞才能發(fā)生質(zhì)壁分離？原核細(xì)胞，如細(xì)菌會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離嗎？

②細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離的內(nèi)在條件和外界因素有哪些？

③細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離過程中液泡體積、液泡顏色、細(xì)胞液濃度分別會(huì)發(fā)生怎樣變化？

④發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞如何才能復(fù)原到正常狀態(tài)？

教師及時(shí)呈現(xiàn)圖1，師生一起分析植物細(xì)胞質(zhì)壁分離及其復(fù)原實(shí)驗(yàn)的流程、操作注意事項(xiàng)。接著教師提出探究性問題：

①若質(zhì)壁分離的細(xì)胞無法發(fā)生復(fù)原，可能的原因有哪些？

②若實(shí)驗(yàn)材料改用無色的洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞，可以發(fā)生質(zhì)壁分離嗎？顯微鏡下能看到質(zhì)壁分離的動(dòng)態(tài)過程嗎？如何處理才能看到呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維、設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

3把握滲透本質(zhì)，設(shè)計(jì)拓展實(shí)驗(yàn)

在學(xué)生對(duì)植物細(xì)胞質(zhì)壁分離及其復(fù)原實(shí)驗(yàn)深入理解的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，用不同濃度的蔗糖溶液、顯微鏡、不同品種的洋蔥鱗莖、刀片、鑷子、滴管、載玻片、蓋玻片、吸水紙等儀器材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案探究下列問題：

①判斷某成熟洋蔥細(xì)胞是否是活細(xì)胞；

②測(cè)定洋蔥某細(xì)胞中細(xì)胞液濃度范圍；

③比較不同品種成熟洋蔥細(xì)胞的細(xì)胞液濃度大小；

④鑒別KN03溶液和蔗糖溶液。

在學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)、預(yù)測(cè)結(jié)果、表達(dá)交流各個(gè)環(huán)節(jié)中，教師引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、理念和原則，進(jìn)而使學(xué)生構(gòu)建實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般范式，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

教師總結(jié)：當(dāng)外界溶液的濃度大于細(xì)胞液的濃度，細(xì)胞就失水，由于原生質(zhì)層的伸縮性大于細(xì)胞壁，原生質(zhì)層就與細(xì)胞壁分離，即發(fā)生質(zhì)壁分離；出現(xiàn)質(zhì)壁分離的細(xì)胞，如果外界溶液的濃度小于細(xì)胞液，細(xì)胞就吸水，即發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原。那么是不是所有的物質(zhì)都像水分子一樣順濃度梯度運(yùn)輸呢？

教師呈現(xiàn)資料：水稻和番茄分別在含Ca²⁺、Mg²⁺、Si⁴⁺培養(yǎng)液中培養(yǎng)，一段時(shí)間后培養(yǎng)液中離子濃度的變化圖。教師提出問題：

①番茄、水稻對(duì)這三種離子的吸收與對(duì)水分子的吸收有關(guān)系嗎？

②這些物質(zhì)的運(yùn)輸也是順相對(duì)含量梯度嗎？

③從該資料中你能得出什么結(jié)論？

教師聯(lián)系學(xué)生的生活，提出問題：細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)，在生活中能夠發(fā)生很多滲透現(xiàn)象，如糖漬番茄、鹽漬黃瓜、清水浸泡蔬菜、過量施肥使農(nóng)作物“燒苗”、海帶中碘含量較多等，請(qǐng)用本節(jié)課學(xué)過的相關(guān)知識(shí)解釋這些現(xiàn)象。這些案例體現(xiàn)了生物膜的重要功能特性，即細(xì)胞膜和其他生物膜都是選擇透過性膜，水分子、一些離子和小分子可以通過，而其他的離子、小分子和大分子則不能通過。