“物质跨膜运输的实例”的类比教学设计

张 进

(江苏省郑集高级中学城区校区 221116)

1 教材分析

“物质跨膜运输的实例”是人教版高中生物学教材必修1第4章第1节的内容。本节是在学生学习了第2章“组成细胞的分子”和第3章“细胞的基本结构”后，同时又是在学习“流动镶嵌模型”“物质跨膜运输方式”知识之前，让学生通过对水分及其他物质跨膜运输的实例分析，得出生物膜具有选择透过性这一结论。与以往教材不同的是，本节没有将“细胞的吸水失水”放在“新陈代谢”一章，而是将水的跨膜运输作为一个实例来分析，由物理现象过渡到细胞，先分析动物细胞的水分进出，然后通过一个探究性实验来说明植物细胞的水分进出情况，得出水是顺相对含量梯度运输的结论。通过对其他物质跨膜运输的实例分析得出物质的跨膜运输并不都是顺浓度梯度进行，最终得出生物膜具有选择透过性这一结论。另外，教材安排的“探究──植物细胞的吸水和失水”活动，是必修课中的第一个“探究”，重在使学生对探究性学习的各个环节能够有所体验和感悟，从而为以后的探究活动打下基础。

2 教学目标

2.1 知识目标 描述半透膜的特征；举例说明动物细胞膜和植物原生质层相当于半透膜。

2.2 能力目标 进行关于渗透作用、动植物细胞吸水和失水的实验设计和操作。

2.3 情感态度与价值观目标 体验科学探究过程，培养学生质疑、类比、迁移、创新的科学态度和精神。

3 教学过程

将教学内容分成三个知识主题：物理渗透模型中的渗透现象、动物细胞的吸水和失水、植物细胞的吸水和失水。按照类比迁移的方法以渗透现象发生的条件为参照点，与动物细胞的结构、吸水失水的条件做类比，形成动物细胞膜是一层选择透过性膜的知识结构，再以物理渗透模型和动物细胞的吸水失水的条件作为参照点，类比学习植物细胞的吸水和失水条件，完成植物细胞的原生质层是一层选择透过性膜的核心知识建构。

3.1 情境引入 以萝卜条在清水和食盐水中的形态变化这一生活实例，即泡在盐水里的萝卜条软缩了、泡在清水里的萝卜条更加硬挺了的现象，作为情境，激发学生学习的兴趣，并引发学生思考：萝卜条出现这种现象的原因是什么？(是由细胞的吸水和失水引起的)接着，教师再次引导学生思考：水分子是如何出入细胞的呢？指导学生研究物理渗透模型。

3.2 物理渗透模型的研究 教师首先展示物理渗透模型(图1)：在一个长颈漏斗口外密封一层玻璃纸，漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗内外的液面高度相等。指导学生观察，一段时间后漏斗页面上升。教师出示渗透装置的分析图并引导学生思考：①漏斗管内的液面为什么会升高?②如果用一层纱布代替玻璃纸,漏斗管内的液面还会升高吗?③如果烧杯中不是清水,而是同样浓度的蔗糖溶液结果会怎样?

图1 物理渗透模型

学生进行自主知识建构：先研究左侧装置，通过分析得出漏斗内液面升高的宏观“质变”是水分子进入漏斗内“量变”的结果。教师引导学生进一步思考：微观上在漏斗底部半透膜的两侧水分子是如何运动的呢？教师出示右侧漏斗底部、半透膜两侧微观放大图，通过此图学生可以看到在半透膜两侧单位体积内清水中的水分子数多于蔗糖溶液中的水分子数，其分子是运动的，在单位时间内通过半透膜向蔗糖溶液中扩散的水分子数多于扩散进入清水中的分子个数，而蔗糖分子是大分子，不能透过半透膜，因此得出如下结论：①漏斗内液面升高的原因是由于单位时间内透过半透膜进入长颈漏斗的水分子数量多于渗出的的水分子数量；②若用纱布代替玻璃纸液面不会升高，纱布的孔隙很大，蔗糖分子也可以自由通透；③如果烧杯中的不是清水而是同样浓度的蔗糖溶液，液面也不会升高，半透膜两侧溶液的浓度相等时，单位时间内透过半透膜进入长颈漏斗的水分子数量等于渗出的水分子数量。引导学生总结：渗透作用发生的条件是有半透膜、半透膜两侧有浓度差。进一步引导：若将漏斗换成一个动物细胞，又会发生什么现象？

3.3 动物细胞吸水和失水的研究 展示红细胞(动物细胞)吸水和失水实验(图2)。

图2 动物细胞吸水和失水实验

引导学生思考：①将红细胞分别放入高浓度和低浓度溶液后出现的现象是什么？②导致以上现象出现的原因是什么？③由该实验可以得出的结论是什么？

让学生自主建构知识：①现象：红细胞出现膨胀和皱缩；②原因：红细胞吸水和失水。指导学生进一步思考：红细胞吸水和失水的原理是什么？教师出示渗透装置与动物细胞的类比模型(图3)，引导学生找出物理渗透装置与红细胞吸水和失水装置的相似性，即红细胞相当于底部密封玻璃纸并盛放了一定浓度蔗糖溶液的漏斗，细胞膜相当于漏斗底部的半透膜，细胞质相当于漏斗内的溶液，烧杯内的液体相当于外界溶液。将红细胞置入一定浓度的外界溶液中，红细胞发生了渗透吸水或失水。通过以上研究得出结论：当外界溶液浓度>细胞质的浓度，细胞将通过渗透作用失水皱缩；当由于外界溶液浓度<细胞质的浓度，细胞将通过渗透作用吸水膨胀，甚至涨破。动物细胞的细胞膜相当于是一层半透膜(选择透过性膜)。

图3 类比物理渗透模型与动物细胞的吸水和失水

3.4 植物细胞吸水和失水的研究 展示紫色洋葱表皮细胞发生质壁分离和质壁分离实验视频，并截图(图4)，引导学生思考：①将紫色洋葱表皮细胞装片首先浸入30%的蔗糖溶液后出现的现象是什么？然后再浸入清水中又发生了什么现象？②导致以上现象出现的原因是什么？③由该实验可以得出的结论是什么？

图4 植物细胞吸水和失水实验

由于已有自主建构的动物细胞吸水和失水的知识作为前提，学生不难解决以上问题：①现象：紫色洋葱表皮细胞在30%的蔗糖溶液中出现失水皱缩；然后再浸入清水中，细胞又恢复原来的状态；②原因：紫色洋葱表皮细胞在一定浓度的溶液中发生了渗透吸水或失水，同时由于原生质层是伸缩性大于细胞壁的伸缩性，导致原生质层与细胞壁的分离和质壁分离的复原。教师指导学生进一步思考：紫色洋葱表皮细胞吸水和失水的原理是什么？并出示渗透装置与植物细胞的类比模型(图5)。

类比迁移学习：通过观察图5右侧成熟植物细胞结构模式图可以发现，成熟植物细胞中大液泡的体积几乎占到细胞总体积的90%以上，植物细胞吸收的水分大部分都进入细胞液，丢失的水分也几乎都来自细胞液，导致了成熟植物细胞的质壁分离和质壁分离的复原。它与渗透装置之间在结构上又具有怎样的相似性呢？学生通过分析明确细胞壁是由纤维素和果胶构成，是全透性的，而细胞膜和液泡膜是具有选择透过性的膜。接着，引导学生找出物理渗透装置与植物细胞吸水和失水装置的相似性，即洋葱表皮细胞相当于底部蒙有半透膜的盛放了一定浓度蔗糖溶液的漏斗，细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质(原生质层)相当于漏斗底部的半透膜、细胞液相当于漏斗内的溶液、蔗糖溶液和清水相当于外界溶液。该装置满足渗透作用发生的条件，因此植物细胞发生了渗透吸水或失水；由此得出结论：当外界溶液浓度>细胞液的浓度，细胞将通过渗透作用失水皱缩；当外界溶液浓度<细胞液的浓度，细胞将通过渗透作用吸水膨胀，这也正是植物根细胞吸水的主要方式。植物细胞的原生质层相当于是一层半透膜(选择透过性膜)。

图5 类比物理渗透模型与植物细胞的吸水和失水

4 教学反思

以上设计利用学生对物理渗透作用发生的条件这个“源问题”进行综合分析和概括得到“渗透作用发生的条件是半透膜和半透膜两侧具有浓度差”以此作为新知识学习的 “图式”，利用这个图式帮助学生找到需要解决的“靶问题”——“动植物细胞吸水和失水的原理”进行类比迁移研究的方法[1]。在教学过程中辅以学生感兴趣的红细胞的吸水和失水、紫色洋葱表皮细胞的质壁分离和质壁分离的复原现象加以推动，从而激发学生学习兴趣、降低学习梯度、培养学生由物理现象研究到生命规律探索的自主学习、类比推理及知识迁移的能力。但是，类比迁移学习中要抓住两个或多个主题之间的共同属性和本质属性，既要利用类比迁移策略进行优化教学，同时还要避免盲目和错误。