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        物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

        2020-11-30 16:40:55許豇羽
        求學(xué)·教育研究 2020年13期
        關(guān)鍵詞:深度學(xué)習(xí)模型

        許豇羽

        摘要:依托科學(xué)史,基于結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念,自主建構(gòu)物理模型、數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的深度學(xué)習(xí),有效培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

        關(guān)鍵詞:物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式;模型;深度學(xué)習(xí)

        一、教學(xué)設(shè)計(jì)理念

        目前,深度學(xué)習(xí)越來(lái)越成為生物學(xué)教學(xué)的主流趨勢(shì),深度學(xué)習(xí)對(duì)于發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)具有重要的價(jià)值和意義。深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是挖掘?qū)W生的科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的邏輯思維能力。依托科學(xué)史材料,基于結(jié)構(gòu)與功能觀自主建構(gòu)模型,可以更好地發(fā)展科學(xué)思維能力。

        在對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式內(nèi)容學(xué)習(xí)以前,學(xué)生已掌握了細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)?;趯W(xué)生的最近發(fā)展區(qū),本節(jié)教學(xué)定位在通過(guò)建構(gòu)模型,講授“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)是如何決定物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式的”。教學(xué)設(shè)計(jì)上,補(bǔ)充科學(xué)史料,通過(guò)“問(wèn)題-假說(shuō)-演繹-檢驗(yàn)-結(jié)論”的思維主線,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。通過(guò)對(duì)葡萄糖進(jìn)出細(xì)胞方式的認(rèn)識(shí),嘗試提出治療糖尿病的科學(xué)方法,培養(yǎng)基于生物學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題的社會(huì)責(zé)任感。

        二、教學(xué)過(guò)程

        (一)搭建模型,創(chuàng)設(shè)問(wèn)題

        教師課前在黑板上吸附代表磷脂分子、蛋白質(zhì)分子、多糖分子及細(xì)胞吸收的幾種物質(zhì)分子的磁貼模型,請(qǐng)學(xué)生到黑板構(gòu)建細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型,其他同學(xué)觀察評(píng)價(jià)以進(jìn)一步完善模型。設(shè)置問(wèn)題:①觀察模型,構(gòu)成細(xì)胞膜支架的是什么分子?它是如何分布的?為何這樣排布?②結(jié)合蛋白質(zhì)的功能猜測(cè)膜上的蛋白質(zhì)起到什么作用?③膜具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?這些特點(diǎn)和膜上分子的運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系?④基于模型預(yù)測(cè)幾種物質(zhì)分子是如何跨膜運(yùn)輸?shù)模?/p>

        設(shè)計(jì)意圖:建構(gòu)模型復(fù)習(xí)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),為預(yù)測(cè)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞酱钅_手架。

        (二)挖掘模型,提出假說(shuō)

        學(xué)生討論后作出假說(shuō):小分子的O2、水可通過(guò)磷脂分子間的空隙進(jìn)入細(xì)胞;脂肪酸是脂溶性物質(zhì),與磷脂相似相溶跨膜運(yùn)輸;較大的葡萄糖分子、水合離子可能需要膜上蛋白質(zhì)的協(xié)助進(jìn)入細(xì)胞。

        設(shè)計(jì)意圖:分析模型,運(yùn)用“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念創(chuàng)設(shè)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的假說(shuō),發(fā)展“創(chuàng)造性思維”能力。

        (三)演繹推理,實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

        1.立足材料,演繹推理。教師呈示脂雙層膜對(duì)不同分子的通透性的示意圖,追問(wèn)哪些分子能通過(guò)脂雙層膜,哪些分子不能通過(guò)以及如何驗(yàn)證假說(shuō)。

        學(xué)生分析得出:O2、甘油、CO2能通過(guò)脂雙層膜,葡萄糖、水合離子不能通過(guò),與假說(shuō)一致;但水分子只有部分能通過(guò)脂雙層,可能其余部分需要膜上蛋白質(zhì)的協(xié)助。教師追問(wèn)如何驗(yàn)證觀點(diǎn)。學(xué)生討論后提出可依據(jù)“加法原理”,再做一組實(shí)驗(yàn),脂雙層上加上蛋白質(zhì),如果水分子通透性增大了,說(shuō)明其跨膜運(yùn)輸需要蛋白質(zhì)的協(xié)助。

        設(shè)計(jì)意圖:基于所給材料,推測(cè)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式,培養(yǎng)學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)演繹與推理的科學(xué)思維。

        2.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型,分析影響自由擴(kuò)散的因素。教師演示紅墨水滴入燒杯很快擴(kuò)散的現(xiàn)象,學(xué)生觀察得出擴(kuò)散是由高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)的遷移。教師呈示概念:像O2、甘油等直接穿過(guò)磷脂雙分子層向另一側(cè)運(yùn)輸?shù)姆绞椒Q(chēng)為自由擴(kuò)散。學(xué)生觀察分析這些分子的特點(diǎn):分子較小或呈脂溶性,所以能與磷脂相溶。教師展示O2跨膜輸速率隨膜兩側(cè)濃度差的變化數(shù)據(jù),學(xué)生繪制O2跨膜運(yùn)輸速率和膜兩側(cè)濃度差關(guān)系的曲線圖,得出結(jié)論:自由擴(kuò)散速率與膜兩側(cè)濃度差大小成正比。

        3.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型,分析協(xié)助擴(kuò)散的影響因素。教師播放《開(kāi)講啦》顏寧教授關(guān)于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT蛋白)的介紹:GLUT蛋白就像膜上的一道道“旋轉(zhuǎn)門(mén)”,將細(xì)胞外的葡萄糖快速轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)。而糖尿病發(fā)病的原理就是膜上缺少GLUT蛋白,導(dǎo)致細(xì)胞吸收葡萄糖的能力下降。教師追問(wèn):如果你是一名致力于攻克糖尿病問(wèn)題的科學(xué)家,你有好的見(jiàn)解么?學(xué)生討論后得出可以采用增加膜上GLUT蛋白數(shù)量的方法。教師表?yè)P(yáng)學(xué)生基于生物知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題的社會(huì)責(zé)任感,同時(shí)勉勵(lì)學(xué)生理論轉(zhuǎn)化成實(shí)踐需要不斷地實(shí)驗(yàn)探索。教師圖表展示葡萄糖進(jìn)入紅細(xì)胞時(shí)運(yùn)輸速率隨濃度差改變而變化,學(xué)生據(jù)此繪制曲線圖,分析曲線得到結(jié)論:一定濃度范圍內(nèi),協(xié)助擴(kuò)散速率隨膜兩側(cè)濃度差升高而變大;超過(guò)一定范圍后,運(yùn)輸速率將不受轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量的限制。教師指出這種需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(通道蛋白和載體蛋白)介導(dǎo)的擴(kuò)散方式稱(chēng)為協(xié)助擴(kuò)散。

        4.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型,分析主動(dòng)運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩?。教師追?wèn):是不是所有物質(zhì)都是順濃度梯度進(jìn)出細(xì)胞的?學(xué)生大多持懷疑意見(jiàn)。教師展示資料一:進(jìn)食后不久,淀粉被分解成大量的葡萄糖散布在小皮細(xì)胞表面。由于小腸細(xì)胞靠近腸腔的一端呈“刷”狀,大大增加了細(xì)胞膜表面積,使得小腸細(xì)胞膜外葡萄糖濃度遠(yuǎn)小于細(xì)胞內(nèi)濃度,但小腸細(xì)胞依然在快速地吸收葡萄糖。教師追問(wèn):小腸上皮細(xì)胞以什么方式吸收葡萄糖?需要什么條件?如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的假說(shuō)?學(xué)生討論得出:小腸上皮細(xì)胞逆濃度梯度吸收葡萄糖,不僅需要蛋白質(zhì)協(xié)助,可能還需要消耗能量。學(xué)生依據(jù)“減法原理”設(shè)計(jì)出兩組實(shí)驗(yàn),一組停止能量供應(yīng),其他條件不變,一組去除載體蛋白,其他條件不變。分別研究小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的速率變化,若都變慢,說(shuō)明假說(shuō)正確,反之錯(cuò)誤。

        教師展示科學(xué)史實(shí):科學(xué)家分別給離體的小腸上皮細(xì)胞培養(yǎng)液加入呼吸酶抑制劑(抑制能量供應(yīng))和載體蛋白抑制劑,小腸細(xì)胞吸收葡萄糖的速率均下降。學(xué)生的猜想得到驗(yàn)證。教師指出像小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖這種既需要能量供應(yīng)也需要蛋白質(zhì)協(xié)助的運(yùn)輸方式稱(chēng)為主動(dòng)運(yùn)輸,小腸細(xì)胞對(duì)大多數(shù)水合離子的吸收也是通過(guò)這種方式。

        教師展示葡萄糖進(jìn)入小腸上皮細(xì)胞時(shí)運(yùn)輸速率隨耗氧量變化曲線,學(xué)生分析得出:一定范圍內(nèi),主動(dòng)運(yùn)輸速率與能量多少(教師提示無(wú)氧呼吸釋放能量遠(yuǎn)少于有氧呼吸)成正比,超過(guò)一定范圍后,運(yùn)輸速率受到載體蛋白數(shù)量的限制。

        教師追問(wèn):同種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式一定相同么?思考這對(duì)于細(xì)胞有何意義?學(xué)生交流得出:同種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式不一定相同。紅細(xì)胞缺少線粒體,無(wú)氧呼吸產(chǎn)生能量少,協(xié)助擴(kuò)散是一種節(jié)能的方式。而小腸上皮細(xì)胞需要大量吸收葡萄糖供給組織細(xì)胞,主動(dòng)運(yùn)輸有利于細(xì)胞能不受濃度限制,選擇性地吸收物質(zhì)來(lái)維持生命活動(dòng)的需要。

        設(shè)計(jì)意圖:展示科學(xué)史前半段資料,引導(dǎo)創(chuàng)設(shè)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的假說(shuō),培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力;基于假說(shuō)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)展演繹與推理能力;展示科學(xué)史后半段資料,檢驗(yàn)假說(shuō)的正確性得出結(jié)論,培養(yǎng)歸納與概括能力;對(duì)推測(cè)性結(jié)論提出質(zhì)疑,培養(yǎng)批判性思維能力;建構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析物質(zhì)跨膜運(yùn)輸速率的影響因素,發(fā)展建模解決問(wèn)題的思維能力。

        (四)建構(gòu)模型,歸納概括

        教師請(qǐng)學(xué)生用同種磁貼數(shù)量的多少代表物質(zhì)濃度,星形磁貼代表能量,用箭頭、文字輔助模擬不同物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞?,分析?xì)胞膜結(jié)構(gòu)是如何影響物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式。

        三、反思

        本節(jié)教學(xué)通過(guò)補(bǔ)充科學(xué)史料,建構(gòu)物理模型和數(shù)學(xué)模型,發(fā)展了學(xué)生多元化的科學(xué)思維,培養(yǎng)了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念,多維立體地落地了生物學(xué)科核心素養(yǎng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的深度學(xué)習(xí)。

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