学科核心素养视角下的高中生物教学分析

张国权

摘 要：本节教学设计对教材内容进行加工、充实和整合，实现实验教学与知识教、学有机统一。假说演绎法的运用和两次建构及分析数学模型将培养理性思维和科学探究核心素养融合一体。通过教师引导改进实验材料与试剂，增强了学生的创新意识。利用问题导引，转换视角使学生产生质疑，培养了学生的批判性思维。

关键词：理性思维；科学探究；模型构建；细胞大小；物质运输

一、教材分析

“细胞大小与物质运输的关系”是人教版高中生物学教材“分子与细胞”模块中在“细胞增殖”一节安排的一个模拟实验。通过该实验的探究，可以让学生知道细胞不能无限长大的原因，引出细胞分裂的必要性，然后再学习细胞增殖，体现知识的系统性。本课内容还与后续模块中微生物的代谢、细胞进化有着紧密联系。

二、教学目标

1.能运用生命系统的物质代谢和系统控制的观点，概述细胞不能无限长大的原因。

2.通过建构数学模型，运用理性思维理解细胞大小与物质进出的关系。

3.能够从安全有效、环境保护和经济易得的角度改进实验材料和试剂。

4.能运用假说演绎法，按照科学探究的要求设计出模拟细胞大小与物质进出的关系实验方案。

三、教学过程

1.课前准备

课前应准备好实验用具和材料。如塑料刀，手套，毫米尺，塑料勺，纸巾，烧杯；直径分别为1cm、2cm、3cm的琼脂圆柱体，3cm×3cm×6cm的煮熟的白萝卜块，红墨水，碘液。根据学生人数，每四人组成一个小组，上述实验用具和材料与小组数量一致。

2.分析问题，提出理论假设

运用生命系统的物质代谢观点，引导学生提出理论假设：细胞大小影响细胞的物质运输效率，进而影响细胞代谢，从而限制了细胞的无限长大。再引导学生运用数学知识分别对正方体和圆柱体模型进行推理得出：y=1-（1-hx/3）3的函数关系，其中y为物质扩散进入细胞的体积与总体积之比，x为相对表面积，h为物质扩散深度。通过建立函数关系的数学模型，使学生体验和学会从现象中揭示生命本质和活动规律，用缜密的理性思维分析问题。

3.实验验证，得出探究结论

（1）察“颜”观“色”，选择材料试剂

假说及推理是否正确，必须用实验来检验。设问：用什么来模拟细胞和扩散进入细胞的物质，以及物质扩散进入细胞的证据呢？除了教材中提供的答案外，教师引导学生思考讨论既安全又环保的材料和试剂，想出几种组合方案，如含淀粉的琼脂块与碘液、石蕊琼脂块与白醋、豆腐块与双缩脲试剂、煮熟的白萝卜与红墨水等。此时，教师展示提供给学生的材料试剂。学生会发现并质疑：为什么提供的是圆柱体的琼脂块？让学生思考回答这样改动的好处。通过教师引导改进实验材料与试剂，增强了学生的创新意识。

（2）“物”有所“依”，实施实验步骤

将含淀粉的琼脂块与碘液、琼脂圆柱体与红墨水、煮熟的白萝卜与红墨水三种实验材料试剂组合及用具分组提供给学生。先让学生思考实验设计思路，教师引导完善实验步骤及提示注意事项。实验步骤如下：（1）用塑料刀将已有的直径分别为1cm、2cm、3cm的琼脂圆柱体，分别切成高度为1cm、2cm、3cm的琼脂圆柱体；将煮熟的白萝卜切成3cm×3cm×6cm的白蘿卜块，再切成边长为1cm、2cm、3cm的正方体。（2）将同种三个大小不同的材料块放在烧杯内，同时加入相应试剂浸没材料块，浸泡10min，用药勺背不时翻动，并注意观察材料块和试剂溶液颜色的变化。（3）戴上手套，用药勺同时取出3个材料块，用纸巾把表面的试剂溶液吸干，再用塑料刀分别将三块材料平行切成三等份（如图1），取中间一块测量并记录其切面颜色变化的深度。（4）填写表格并计算（见表1）。

（3）依“据”善“思”，分析实验结果

学生完成实验表格相关数据计算（见表1），发现各小组的实验结果基本相同，即物质扩散的深度大致相同，说明之前假说及推理正确。教师提出问题：（1）表中表面积和体积的比值有什么规律？（2）物质扩散的体积与整个材料块的体积之比有什么规律？（3）细胞大小与物质运输有什么关系？进一步引导学生得出实验结论：（1）材料块的表面积与体积之比随着材料块的增大而减小。（2）物质扩散的体积与整个材料块的体积之比随着材料块的增大而减小。（3）细胞的体积越大，相对表面积就越小，细胞的物质运输效率越低。所以，细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。

4.转换视角，引发质疑批判

追问1：这个模拟实验能否完全模拟细胞物质运输的真实状况？

提醒学生观察烧杯中试剂溶液颜色的变化，发现并比较出含淀粉的琼脂圆柱体与碘液这种组合的优势是能体现物质运输双向性。再从细胞结构和物质跨膜运输方式引导学生思考本实验的缺陷。

能否运用几何模型更直观地、科学地分析细胞表面积与体积的关系限制细胞长大的因素呢？教师通过设问引起学生的发散性思维，通过建构几何图形解释限制细胞长大的因素。如图2所示，两圆代表大小不同的细胞，各截取极小的相同面积的细胞膜作为底，与细胞中心建立圆锥体，圆锥体的体积与半径成正比。圆锥体的体积代表了所截取的细胞膜需要承担的细胞与外界物质交换的量与空间。由图2可以看出，随着细胞的增大，单位细胞膜所承担的任务愈重，细胞内部物质转运时空变长，从而影响了细胞代谢，限制了细胞无限长大。通过建构几何图形的数学模型，体现了数学知识在解决生物学问题中的重要性，拓宽了学生的思维，培养了学生多角度解决问题的能力。

教师再次设问引导学生联系实例，迁移运用知识分析实际问题。为什么卵细胞体积比较大，小肠上皮细胞为何具有很多微绒毛？卵细胞贮存了大量的营养物质，与外界交换的物质较少。小肠上皮细胞与外界物质交换频繁，通过微绒毛可以增加与外界的接触面积，适应其吸收的功能，从而使学生进一步理解细胞大小与物质运输的关系，并可升华为结构与功能相适应的生物学思想。

追问2：限制细胞长大的主要因素只有这一种吗？细胞是不是越小越好？

通过设置开放性和逆向思维的问题，发散学生思维，引导学生从多角度去分析问题，深化知识，培养学生批判性思考的能力。

四、教学反思

本节内容看似简单，实则开放性很大。对假说演绎法的科学探究过程、利用数学模型解决生物学问题给予了足够的重视，将培养学生理性思维和科学探究核心素养融为一体。注意联系生活实际，从生活中获取安全有效、经济易得的材料，使学生回归生活、增强创新意识和社会责任感。教学中让学生独立思考，积极合作，亲自操作，主动构建，培养了观察、分析、交流、总结和迁移等能力，同时养成良好的思考习惯，形成科学严谨的治学精神。

参考文献：

[1]杨智勇，吴玲.探究细胞大小与物质运输之间关系的实验教学[J].生物学教学，2014，39（6）：51-52.

[2]俞如旺，刘薇.“细胞大小与物质运输的关系”实验的改进研究[J].生物学通报，2013，48（3）：45-46.endprint