楊 旭

（無錫市第一中學(xué) 江蘇無錫 214031）

生物學(xué)概念在中學(xué)教材中占有較大的比重，它是學(xué)習(xí)生物學(xué)知識、理解生物學(xué)原理、領(lǐng)悟生物學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)，也是中學(xué)生物學(xué)日常課堂教學(xué)的重要內(nèi)容之一，還是發(fā)展生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。概念具有較強的抽象性和概括性，每一個概念背后都有著豐富的教學(xué)內(nèi)容。在傳統(tǒng)的概念教學(xué)中，教師往往注重對概念的程序化解讀，強調(diào)學(xué)生對概念表述文字的機械式記憶，學(xué)生處于知識學(xué)習(xí)的被動接受地位。師生看似在課堂上花費了很多時間，教學(xué)效果卻是低效的，學(xué)生對相關(guān)概念沒有深層次的理解，不會在具體問題中應(yīng)用，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)水平提升。學(xué)科核心素養(yǎng)視域下的典型概念教學(xué)應(yīng)是基于事實和現(xiàn)象，幫助和促進學(xué)生主動共建的過程。

在人教版《必修1·分子與細胞》的“主動運輸與胞吞、胞吐”一節(jié)教學(xué)中，教師圍繞“人體如何獲取葡萄糖”這一具體情境，以模型分析為教學(xué)指導(dǎo)思想，通過創(chuàng)設(shè)情境、構(gòu)建模型、驗證模型、應(yīng)用模型等教學(xué)環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建主動運輸、胞吞、胞吐等基本概念，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)、科學(xué)探究能力，促進學(xué)生初步形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”等生命觀念。

1 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)概念萌生

教師聯(lián)系學(xué)生生活，創(chuàng)設(shè)情境：物質(zhì)的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎(chǔ)之一。例如，葡萄糖分子是生命活動的能源物質(zhì)，而人是異養(yǎng)型生物，人體所需的葡萄糖都是來源于食物中糖類物質(zhì)的消化和吸收。通過上一節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)可以通過協(xié)助擴散的方式，順濃度梯度進入組織細胞。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：細胞中是否存在逆濃度梯度的運輸方式？

教師展示圖1，并提供資料：小腸上皮細胞膜上存在載體蛋白G和載體蛋白S。2種轉(zhuǎn)運葡萄糖的載體蛋白：當(dāng)進食一段時間后，隨著糖類物質(zhì)的消化，腸腔局部的葡萄濃度可以達到50～300 mmol/L(高于小腸上皮細胞內(nèi)),載體蛋白G數(shù)量增加。當(dāng)葡萄糖被大量吸收后，腸腔局部的葡萄糖濃度降低到2 mmol/L（低于腸上皮細胞內(nèi)），載體蛋白G數(shù)量減少，而載體蛋白S活性增強。教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：兩種載體蛋白功能上的差異是什么？載體蛋白S在發(fā)揮作用時，是否需要其他物質(zhì)的參與？小腸上皮細胞存在兩種葡萄糖載體蛋白的意義是什么？

圖1 小腸上皮細胞吸收葡萄糖示意圖

設(shè)計意圖：教師創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用已有的協(xié)助擴散的知識去分析實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、綜合分析、邏輯推理的能力。學(xué)生在分析過程中發(fā)現(xiàn)自己目前擁有的知識及其原理難以解釋面臨的問題，引發(fā)認知和思維沖突，從而促進嘗試推測另一種可以逆濃度梯度運輸、需要消耗能量的物質(zhì)跨膜運輸方式的存在。這有助于學(xué)生對主動運輸概念和特點的理解，讓學(xué)生從發(fā)現(xiàn)葡萄吸收方式的多樣性，體會到生命世界的復(fù)雜性。

2 構(gòu)建模型，生成概念要素

學(xué)生分組構(gòu)建被動運輸?shù)纳磉^程模型，并結(jié)合模型，討論主動運輸模型的基本內(nèi)容。教師給出討論的主要議題：①模型中需要包含哪些物質(zhì)分子，功能各是什么？②主動運輸?shù)纳磉^程模型與被動運輸?shù)纳磉^程模型相比，有何異同？③利用該模型解釋葡萄糖等物質(zhì)分子實現(xiàn)逆濃度梯度的運輸。④總結(jié)主動運輸?shù)囊话氵^程。學(xué)習(xí)小組根據(jù)上述4個議題，展開討論，最后小組代表發(fā)言，不同小組之間相互評價、相互補充。

學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，教師通過圖片、動畫、視頻等形式，與學(xué)生共同總結(jié)主動運輸?shù)囊话氵^程（圖2）：①被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)分子與載體蛋白特定部位結(jié)合；②ATP供能，載體蛋白空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將其運向高濃度一側(cè)；③隨后，載體蛋白空間結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀，繼續(xù)轉(zhuǎn)運同種物質(zhì)。在對生理過程模型的分析過程中，學(xué)生對于逆濃度梯度、載體蛋白、細胞代謝提供能量主動運輸概念的3個關(guān)鍵要素有了較為清晰的認識。

圖2 主動運輸生理過程模型

設(shè)計意圖：模型方法是現(xiàn)代科學(xué)方法的核心內(nèi)容之一，是解決復(fù)雜問題的有效手段。教師采取了小組討論學(xué)習(xí)的形式，基于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”設(shè)計討論議題，進行模型建構(gòu)，讓學(xué)生明確主動運輸模型中的3個基本要素，鍛煉了學(xué)生解讀圖解、類比分析、語言表達等方面的能力。

3 驗證模型，促進概念生成

教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生驗證模型：上述主動運輸生理過程模型的構(gòu)建是基于對小腸腸腔內(nèi)葡萄糖濃度變化理論的分析推測，理論是否正確需要科學(xué)實驗的驗證。學(xué)生分組討論實驗設(shè)計思路，證明主動運輸需要載體蛋白的協(xié)助、需要消耗ATP。教師補充“抑制劑”在生物學(xué)實驗設(shè)計中作用的內(nèi)容：通過加入抑制某種物質(zhì)功能或生理過程的抑制劑，可以對相關(guān)生理過程進行科學(xué)研究。

在小組交流討論的基礎(chǔ)上，教師進一步展示科學(xué)家的研究思路：將離體的小腸上皮細胞置于不同濃度的葡萄糖溶液中，分別加入載體蛋白抑制劑、ATP合成抑制劑，葡萄糖運輸速率均下降；科學(xué)家還分別測定了在不同的外界葡萄糖濃度條件下，載體蛋白G和載體蛋白S對葡萄糖的運輸速率，分別加入ATP合成抑制劑后，載體蛋白S的運輸速率明顯下降（圖3）。

圖3 兩種葡萄糖載體蛋白轉(zhuǎn)運速率曲線

實驗驗證了主動運輸生理過程模型的正確性。學(xué)生綜合該模型中的3個關(guān)鍵要素，歸納出主動運輸這一概念的核心內(nèi)容：物質(zhì)逆濃度梯度進行跨膜運輸，需要載體蛋白的協(xié)助，同時還需要消耗細胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量。

設(shè)計意圖：模型驗證的環(huán)節(jié)讓學(xué)生體會到實驗設(shè)計的一般思路，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計實驗、分析數(shù)據(jù)的能力，鍛煉科學(xué)思維。在模型的構(gòu)建、驗證等學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在頭腦中逐步生成主動運輸概念的基本表述和內(nèi)在含義，體驗到了概念的認知和構(gòu)建的過程，學(xué)會了像科學(xué)家一樣進行思考。

4 應(yīng)用模型，加深概念理解

教師展示相關(guān)生理過程圖解（圖4），引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識的基礎(chǔ)，結(jié)合主動運輸生理過程模型嘗試解釋葡萄糖從腸腔運輸?shù)絻?nèi)環(huán)境中的過程。并提供問題串：①圖中涉及到幾種載體蛋白，與被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)之間是否存在選擇性？②葡萄糖分子從腸腔運輸?shù)襟w內(nèi)中要直接穿過幾層生物膜？③葡萄糖在進行跨膜運輸時分別是逆濃度梯度，還是順濃度梯度？④葡萄糖逆濃度運輸時所需能量是否直接來源于ATP？⑤葡萄糖逆濃度進入細胞的運輸方式是否屬于主動運輸？⑥鈉、鉀離子如何進出細胞，是否屬于主動運輸？⑦鈉、鉀離子和葡萄糖的跨膜運輸之間存在怎樣的關(guān)系？⑧主動運輸?shù)目缒み\輸方式對生命生存的意義是什么？

圖4 小腸上皮細胞吸收葡萄糖生理過程圖解

設(shè)計意圖：教師利用問題串，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用模型解決實際問題的能力。學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上，運用主動運輸?shù)哪Ｐ腿シ治銎咸烟欠肿尤绾未┻^小腸上皮細胞進入人體這一關(guān)鍵問題：在運輸部位方面，通過小腸上皮細胞面向腸腔一側(cè)和面向內(nèi)環(huán)境一側(cè)兩個部位，分析葡萄糖分子進、出小腸上皮細胞在過程上的差異；在能量來源方面，通過分析鈉鉀離子進出細胞方式、與葡萄糖運輸之間的關(guān)系，了解主動運輸所需的能量既可以直接來源于ATP，也可以來源于消耗ATP所建立起來的離子梯度；在載體蛋白功能方面，比較兩種葡萄糖載體蛋白、鈉鉀泵功能上的差異，理解“載體蛋白只能運輸一種或一類離子或分子”，加深對膜的“選擇透過性”的理解。通過梳理葡萄糖運輸與離子運輸之間的關(guān)系，學(xué)生能夠用聯(lián)系的思想來分析問題，體會生命系統(tǒng)的整體性、結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一等生物學(xué)的基本觀念。

在明確葡萄糖進入小腸上皮細胞的方式之后，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生分析：消化道內(nèi)的葡萄糖主要來自淀粉等多糖類物質(zhì)的消化，淀粉的消化是在淀粉酶、麥芽糖酶的作用下完成，而這些酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，屬于大分子物質(zhì)，它們是在細胞內(nèi)合成的。細胞如何實現(xiàn)大分子物質(zhì)的輸入和輸出？教師引導(dǎo)學(xué)生回顧分泌蛋白的合成分泌過程引出“胞吐”的概念，展示吞噬細胞吞噬病原體的過程引出“胞吞”的概念，師生合作對胞吞和胞吐這兩種物質(zhì)運輸模型進行分析，從運輸方向、是否需要膜蛋白參與、能量需求等內(nèi)容進行分析和總結(jié)，促進學(xué)生建構(gòu)胞吞、胞吐的基本概念。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課以“人體如何獲取葡萄糖”為情境，巧妙地將主動運輸、協(xié)助擴散、胞吞和胞吐等概念串聯(lián)起來，結(jié)合文字、圖解、視頻、實驗等學(xué)習(xí)資料，通過模型分析的方法，鍛煉了學(xué)生構(gòu)建概念、應(yīng)用概念的能力，加深了學(xué)生對概念的理解。同時，本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容不是獨立的知識點，整合本章的內(nèi)容，在弄清了小分子、大分子等各類物質(zhì)進出細胞的基本過程后，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起總結(jié)本章的知識要點，構(gòu)建以大概念統(tǒng)領(lǐng)的概念體系圖（圖5），總結(jié)、展現(xiàn)概念之間的邏輯關(guān)系。

圖5 物質(zhì)跨膜運輸概念體系

本節(jié)課的概念教學(xué)在生物學(xué)事實情境中展開，教師引導(dǎo)學(xué)生基于模型分析的方法總結(jié)出“被動運輸、主動運輸、胞吞和胞吐”等次位概念，進而形成“物質(zhì)通過被動運輸、主動運輸?shù)确绞竭M出細胞，以維持細胞的正常代謝活動”等重要概念。最終，學(xué)生理解“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”這一大概念。本節(jié)課充分體現(xiàn)了內(nèi)容聚焦大概念的新課程基本理念。

筆者注重運用“模型建構(gòu)”的方法，將概念的要點融入模型的科學(xué)理性分析過程中，順理成章地生成概念的基本表述，讓學(xué)生更加深入地理解了概念的內(nèi)涵和外延，以科學(xué)思維引領(lǐng)科學(xué)探究，以科學(xué)探究促進科學(xué)思維，同時促進學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”等生命觀念。