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)。