“细胞渗透吸水原理”的教学设计

华 洋 杜玉芬

（1北京市第十四中学 北京 100053 2北京教育学院宣武分院 北京 100055）

1 学习内容分析

必修1《分子与细胞》的教学内容以细胞是最基本的生命系统为主线展开，依次讲述细胞的物质组成、结构、功能及其发展变化。任何一个开放的生命系统，都需要与外界进行物质交换，“细胞的物质输入和输出”是细胞基本功能的体现，是细胞呼吸作用、光合作用等重要代谢活动的基础。认识细胞中物质的输入和输出，对于学生理解细胞是最基本的生命系统，整体认识细胞结构功能的统一性有重要作用。“细胞渗透吸水原理”是学习这一部分的起始，教学内容包含细胞渗透吸水及其他物质跨膜运输的实例，要求学生通过学习，认识到细胞渗透吸水的原理和共性特征，并对比水分子与其他物质跨膜运输的差异，分析得出“物质以多种方式出入细胞”。这一结论不仅与前面的教学中“细胞膜的功能”相呼应，同时也为后面的“生物膜的流动镶嵌模型”和“物质跨膜运输的方式”的教学做出重要铺垫。

从培养能力来说，借助显微镜对微观动态的过程进行有针对性地观察和判断，是学生在高中阶段需要培养的重要实验技能。

2 学情分析

本教学面对高一年级学生，在之前的学习中，他们知道细胞膜可以控制物质进出细胞，有制作临时装片的经验，学会了使用数码显微镜并拍照。教学前，教师通过访谈得知，相当一部分学生认为各种物质都是以相同方式进入细胞的。由于学生处于高一年级的第1学期，认识微观和动态过程对于他们来说有难度，往往需要感知大量同类事物才能抽象概括出共性特征，进而形成概念。

3 教学目标

1）知识目标：①描述渗透作用，说出渗透作用发生的条件；②举例说明活细胞通过渗透作用吸水和失水；③说明生物膜与半透膜是有差异的。

2）能力目标：操作质壁分离的实验。

3）情感态度与价值观目标：①认同物质进出细胞与细胞代谢程度相关；②认同生物体与环境是相互影响的。

4 教学重、难点

1）教学重点：①操作质壁分离的实验，观察细胞的失水，说明活细胞通过渗透作用吸水和失水；②说明生物膜与半透膜有差异。

2）教学难点：①操作质壁分离实验及对实验结果的分析；②说明生物膜与半透膜有差异。

5 教学过程

图1为本节课的主要教学流程。

图1 教学过程

5.1 引入 为了更好地说明渗透装置中半透膜的特性，也为了课堂开始吸引学生的注意，激发兴趣，教师先用普通塑料袋与半透膜对比，通过演示实验证实碘分子等小分子可以通过半透膜，而淀粉分子等大分子不能通过（如图2所示）。

图2 半透膜与塑料袋对比实验

5.2 观察事实，构建概念 该教学环节，是教师引导学生观察实验现象、构建概念的过程，本节课的目标是形成2个主要概念：活细胞可以通过渗透作用吸水和失水；生物膜不同于半透膜。

5.2.1 活细胞可以通过渗透作用吸水和失水为了构建“活细胞可以通过渗透作用吸水和失水”的概念，笔者设计了5组相关实验，目的是让学生通过观察大量事实，并在教师提问引导下，逐步形成概念。

1）渗透装置系列实验。教师先利用半透膜制成渗透装置，再用普通塑料膜替换半透膜制成类似装置，请学生对比观察现象。设计不同浓度的蔗糖溶液，并将其置于渗透装置中观察比较。将漏斗内蔗糖溶液和烧杯内清水置换，观察液面变化，最终明确渗透作用的概念和发生条件是半透膜和膜两侧的浓度差。

2）植物细胞可以发生渗透作用。在确定渗透作用的条件后，教师设问：细胞是否具备这样的条件？要求学生利用洋葱或黑藻为材料完成质壁分离的实验操作，并利用数码显微镜拍出处理前、后的照片，观察变化，尝试解释其原因并相互交流。学生在描述实验现象时，会对发生变化的结构产生困惑，例如以紫色洋葱为观察材料时，学生会认为液泡缩小了；以黑藻为实验材料时，学生通过叶绿体的位置可以判断缩小的是以细胞膜为边界的原生质体，但不能准确说出液泡的变化。学生之间通过交流照片和讨论，认识到与细胞壁分离的是由细胞膜、细胞质和液泡膜构成的原生质层。此时教师利用细胞模式图总结归纳原生质层和质壁分离的概念。通过对扫描电镜下植物细胞壁的观察，学生不难理解细胞壁对于分子来说几乎是全透的，真正具备半透膜特性的结构应该是原生质层。借助微观模式图，师生分析当细胞处于较高浓度的蔗糖溶液中时，蔗糖分子可以通过细胞壁，但不能通过原生质层，原生质层两侧的浓度差导致水分子的总体运动趋势是扩散出细胞，使原生质体缩小，发生质壁分离现象。类比渗透装置，细胞失水的过程满足具有半透膜（原生质层）和膜两侧浓度差的条件，师生共同总结质壁分离的原因是细胞发生渗透作用失水。教师此时提问：如何使细胞恢复到原来状态？引导学生分析使质壁分离复原的实验处理。最终达成共识：成熟的植物细胞构成一个渗透系统。

在利用黑藻做实验时，教师发现除了可以观察到质壁分离现象外，叶绿体的运动也明显减弱。由于叶绿体运动所体现的胞质环流与细胞代谢密切相关，失水导致难以观察到胞质环流，表明了水分子对新陈代谢活动的影响。于是，教师将这一过程拍摄记录并在课堂上播放，提示学生有针对性地观察，将水分出入细胞与细胞代谢相联系，与前面的教学形成呼应。

3）多种生物细胞均可以发生渗透作用。如果实验只停留在植物细胞，学生会对其他细胞的情况产生疑问，也难以将渗透作用的概念扩展到其他种类的细胞。教师在课前选用真菌细胞（根霉见图3，双孢菇见图4）和动物细胞（猪血细胞见图5）做实验材料并进行相同处理，并拍下实验结果，课上与学生一起观察，归纳共性特征，最终概括出细胞吸水和失水的共同特点：当外界溶液浓度低于细胞内部溶液时，细胞发生渗透作用吸水，反之，细胞发生渗透作用失水。

图3 根霉细胞的“质壁分离”

图4 双孢菇细胞的“质壁分离”

图5 猪血细胞（示红细胞）相关实验

4）只有活细胞才可以发生渗透作用。只有活细胞的膜结构才具有选择透过性，但本节课从开始就是在用细胞膜与不具备生物活性的半透膜进行类比，由于学生此时还未学习细胞膜的结构，也没有意识到细胞死活对物质跨膜运输的影响。因此教师设计了用盐酸处理细胞后再加30%蔗糖溶液的实验，学生不仅观察到细胞无法质壁分离，还观察到了视野变红的现象。在教师引导下，学生分析死细胞的细胞膜不能阻止蔗糖分子的出入，因而不会出现质壁分离；而视野变红是死细胞不完整的液泡膜和细胞膜都不能阻止细胞内色素向外扩散的结果。这时，学生认识到活细胞的膜才能控制物质的进出。同时也传递给学生一个信息，细胞膜有别于半透膜，从另一个角度也提示了质壁分离实验可以检验植物细胞的死活。

5）生物与环境相互影响。生物具有多样性，这种多样性也体现在质壁分离现象中。教师根据预实验，选择了15%的蔗糖溶液分别处理黑藻和洋葱，通过对比，学生发现2种细胞质壁分离的程度不同（图6）。在问题的引导下，学生不仅比较出两者细胞液浓度的高低，并深入思考细胞液浓度为何不同。用生物与环境的视角分析就会发现：不同的生存环境造就了细胞间的差异，而最终形成的特征也是对环境适应的体现。

图6 相同浓度蔗糖溶液下黑藻（左）和洋葱表皮细胞（右）质壁分离的情况

5.2.2 生物膜不同于半透膜 该环节的教学希望学生能直接或间接观察到其他物质以不同于水分子的方式进出细胞，对比发现“生物膜不同于半透膜”。

首先用5%硝酸钾溶液和洋葱进行实验，引导学生通过一系列照片观察到质壁分离自动复原的现象，并分析质壁分离复原的原因，在教师引导下判断钾离子或硝酸根离子可以进入细胞。在此基础上进一步设问：钾离子等又以何种方式进入细胞？

实物展示研究中常用的平行人工膜渗透模型（PAMPA），并介绍原理，说明水分子可以通过，而钾离子和硝酸根离子不能通过这一模型（图7）。表面上与学生刚形成的认知“钾离子或硝酸根离子可以进入细胞”形成冲突。请学生利用所学比较人工膜与生物膜成分的差异，并利用已有知识分析得出：钾离子等以不同于水分子的其他方式进入细胞；这一过程可能需要蛋白质的协助。从而形成认识：生物膜可选择性地允许某些分子出入，因而不同于半透膜。这也为后面“生物膜的流动镶嵌模型”和“物质跨膜运输的方式”的教学埋下伏笔。

图7 平行人工膜渗透模型及原理

6 教学反思

观察现象、构建概念是本节课设计的重要环节,本教学设计的主要实验内容及目的如图8所示。

虽然本节课涉及多个实验，但它们之间是层层递进的。从物理模型到生命现象，从多种植物细胞到其他真核细胞，从活细胞到死细胞，从细胞的共性到细胞间的差异，从水分子出入细胞到其他物质进出细胞，从简单的观察现象到利用先进研究工具测量的结果。在这样的事实面前，教学才可以层层深入，师生每一个结论的得出都有证据的支持，充分体现了科学课以事实为依据的特点。在此基础上构建的概念才能被学生真正理解，并能够迁移。

本节课的学习需要应用相关的生物学方法和技能，发现现象和事实，在大量事实面前形成观点和态度，最终形成概念。在教学中注重应以事实做为引导学生构建的依据，对每一个问题的解答，都利用实验发现答案。最终由特殊 （个例）到一般（共性），形成概念。更重要的是，形成以事实和实验为依据的良好思维习惯，即生物学科素养。

兴趣是最好的老师。本节课在实验的基础上，展示了大量的微观现象，激发了学生的兴趣。即使是微小的生物学现象，也能体现生物学科基本观点。教师在教学中经常敏锐地捕捉和渗透，势必会对学生学科素养的养成产生深远和积极的影响。

主要参考文献

［1］朱正威.教学设计重在“学”的设计.生物学通报，2011,46(11):20.