基于生物学学科核心素养的教学设计

许高云 杨兴富

摘要：通过“现象一假说一证据一结论”的逻辑过程进行探究性教学活动，意在促进学生思考，培养学生的生命观念、科学思维及社会责任生物学学科核心素养。

关键词：假说;证据;建模;核心素养

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

1教材分析及设计思路

“细胞的物质输入和输出”选自人教社2019版高中生物学《必修1.分子与细胞》第四章，由两节组成——第一节“被动运输”、第二节“主动运输和胞吞、胞吐”。本章在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）中的要求有“说明物质进出细胞的方式”，所以本节对第四章的教学内容进行了优化，重点讲解物质进出细胞的方式。《新课标》的要求中“说明”的涵义是构建某一系统的因果模型。要求中的“物质”有水、离子、小分子、大分子和颗粒性物质等。要求中的“进出细胞的方式”主要有：①小分子和离子进出细胞的方式，包括被动运输（即自由扩散、协助扩散）和主动运输;②大分子和颗粒性物质进出细胞的方式，包括胞吞和胞吐。教学重点是3种物质跨膜运输方式的特点，难点是用膜转运蛋白的空间结构特点说明生物膜的选择透过性。

2教学目标

①通过资料分析和问题探讨，说明3种物质跨膜运输方式及其特点，初步形成“结构与功能相适应”的生命观念，培养获取信息及归纳与概括、逻辑推理等科学思维。

②通过绘制概念图以及建构数学模型等活动，掌握自由扩散、协助扩散、主动运输的异同。

③学习我国科学家研究葡萄糖转运蛋白的结构，来领悟科研对人们健康生活的意义，增强社会责任。

3教学过程

3.1创设情境，导入新课

教师播放一则科技新闻视频“我国生命科学领域取得世界级成果：首次揭示葡萄糖转运蛋白结构”，请学生描述新闻的主要内容，并提出问题：葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白跨过细胞膜的方式是什么？H2O、O2、氨基酸等其他物质又是怎样跨膜运输的？引入本节课的学习。

3.2物質跨膜运输的研究

教师提出问题：怎样对物质的跨膜运输进行研究的？

3.2.1分析现象，提出假说

教师展示人工脂双层对物质的通透性的图片（图1），介绍人工膜，并提出问题引导学生思考：分析图1，O2、CO2、甘油是怎么通过人工膜的？你能作出什么假说？学生提出假说：O2、CO2、甘油能全部通过人工膜。教师及时引导学生归纳出“自由扩散”概念，填写表1中现象和假说的相关内容。

教师提出问题：什么样的物质可以通过自由扩散进行跨膜运输？引导学生总结得出：小分子（易穿过间隙）、脂溶性物质（易溶于磷脂分子中）。教师追问：这反映了什么样的生物学观念？学生回答：结构与功能相适应。

设计意图：从3种具体物质跨膜的运输中寻找其共性，这里运用的是归纳法，培养了学生科学思维的核心素养。教师通过引导学生分析小分子、脂溶性物质能按自由扩散方式进行跨膜运输，对学生进行了“结构与功能相适应”的观念教育。

3.2.2提供证据，得出结论

教师出示生物膜和人工膜对不同物质通透性的曲线图（图2），提供证据，引导学生思考：从图中，能看出什么信息？学生观察图2发现，O2、CO2、甘油等物质通过人工膜与生物膜的通透性相同。教师提问：这能不能证明它们的跨膜方式是“自由扩散”？引导学生总结得出，O2、CO2、甘油等这些分子能直接通过磷脂双分子层进入细胞，从膜的一侧扩散到另一侧，这种跨膜运输称为自由扩散，讲解自由扩散的概念。自由扩散的动力来自物质的浓度差，扩散方向是从高浓度向低浓度扩散。体会这种运输方式对细胞的意义。在学习过程中完成表1中关于证据、结论和意义有关内容的填写。

设计意图：培养学生运用证据和逻辑作出判断的科学精神，以及归纳与概括、推理等科学思维能力。

3.2.3水分子、葡萄糖、离子等物质跨膜运输的研究

教师分别按照上述两个环节开展水分子、葡萄糖、离子等物质跨膜运输的研究。在水分子跨膜运输研究教学中，学生根据图1现象，提出的假说是“自由扩散”及“协助扩散”。假说提出后，教师及时引导学生总结出“协助扩散”的概念。师生共同总结“协助扩散”的特点，分析“自由扩散”与“协助扩散”的异同点。

教师补充：根据相同点，把这2种方式又统称为“被动运输”。接着进行“证据”及“结论”部分教学，再次展示图2，并提供资料：

在动物肾脏内，水分子的跨膜运输速率远大于自由扩散的速率。之后，类似结果不时公之于众，直到1988年美国科学家阿格雷（P.Agre）才成功地将构成水通道的蛋白质分离出来，他在分离纯化红细胞膜上的蛋白质时，发现了一个疏水性跨膜蛋白称为AQPl。阿格雷将含有AQPl蛋白和不含此蛋白的细胞进行了对比实验。当将这2种细胞放在同一种水溶液中时，膜中含有AQPl蛋白的细胞通过渗透作用不断吸收水分而发生肿胀，不含该蛋白的细胞则没有变化。由此看来，水分子的跨膜运输有2种形式：自由扩散和协助扩散。水分子更多的是借助细胞膜上的水通道蛋白以协助方式进出细胞。如尿液形成过程中水分进入肾脏细胞，正常成年人每天产生的原尿约为180L，最终只有约1.5L的尿液排出。其他的水去哪儿了？被肾小管细胞吸收进入血液了。该过程需要水分子大量、快速通过细胞膜进入肾脏细胞，自由扩散的运输速率远不能满足生命活动的需要，而协助扩散能提高水的转运速率。可见，水的2种跨膜运输方式是细胞适应不同状况的需要。

教师提出水通道蛋白及运转机理，促进学生形成“结构与功能相适应”观念。

在分析“被动运输”的意义时，教师提出问题：这种运输方式有何不足呢？学生回答：只能从高浓度一侧运往低浓度一侧，细胞很“被动”。教师追问：细胞能不能主动从外界获取物质呢？接着，按照“现象——假说——证据——结论”的逻辑过程进行有关“葡萄糖、离子跨膜运输的研究”的教学，最终完成表1的填写。根据图2提供的证据，学生提出离子的运输是“自由扩散”和“主动运输”的假说是完全符合逻辑推理的，教师应该给与大力表扬与鼓励（因为这种观点与教材有出入），培养学生实事求是、大胆质疑的科学精神。

在教学过程中，教师提供哺乳动物细胞2种离子在细胞内外浓度的有关数据（表2），可以更有力地使学生明确“主动运输”的存在及意义。教师引导学生归纳主动运输及特点、与被动运输的异同点，使学生理解主动运输和被动运输都属于“跨膜运输”，转运的物质一般是小分子、离子等内容。然后，教师追问：“主动运输”的机理是怎样的？提供关于载体蛋白的结构、运转机理的图片（图3）或视频，促进学生建立体现“结构与功能相适应”观念。

设计意图：学生了解了物质跨膜运输方式的研究方法，观察到实验结果，并通过2种膜的通透性数据图表，将定性与定量证据结合在一起，真实地触摸到实证，通过归纳、推理、概括等科学方法的训练，培养了科学思维。学生认识到2种膜在物质通透方面确实存在差异，进而学习通道蛋白与载体蛋白的运转机理，依据结构与功能的适应性提出假说：部分水分子、葡萄糖、离子的跨膜运输需要蛋白质的协助。

3.2.4观看动画，描述模式图

教师播放胞吞和胞吐的动画过程，提出问题：小分子、离子一般是通过跨膜运输方式进行转运的，而大分子、颗粒状物质又是怎样运输的？学生阅读教材中有关内容，概括胞吞和胞吐运输方式的共同点。教师引出膜泡运输的概念，引导学生比较跨膜运输和膜泡运输，自主建构概念。

3.2.5梳理概念总结归纳

教师创设情境：你能选择一种标准对3种方式进行分类吗？师生共同根据是否需要载体、物质运输的浓度方向、是否耗能等条件对物质跨膜运输方式进行总结（图4）。

3.2.6模型建构

教师展示细胞膜的流动镶嵌模型示意图，引导学生开展物理模型建构活动：在图中画出CO2出细胞、葡萄糖（G）进出红细胞、K⁺进或出细胞时跨膜运输的过程示意图，可借助必要的箭头和文字说明（图5）。

教师引导学生在坐标曲线中描述3种运输方式与运输速率之间的关系，开展数学模型建构的活动。对协助扩散与主动运输存在的“饱和效应”，教师按照“系统论”的思想提出：细胞与其他系统一样，内部也是由各种组分组成的，各组分之间相互作用、相互调节。这样最终实现物质能量的“平衡与稳态”，完成“生命观念”中“平衡与稳态”观的教学目标。

4教学反思

（1）基于学科核心素养的教学要尊重事实。生命是复杂的，事实远比教材呈现给学生的内容复杂得多。例如，对水的跨膜运输方式，教材中只提到了自由扩散，事实上协助扩散能实现水的大量转运。再如，协助扩散过程中除载体蛋白外，还有通道蛋白。生物学教师要尊重事实，思考为学生提供什么样的实证资料。学生在学习中，不能只是获悉生物学结论性的知识，更应该学会在真实复杂的情境中作出正确判断，从而对生命现象、生命规律有科学的认识，树立正确的生命观念。

（2）基于学科核心素养的的课堂要创设民主、和谐、开放的课堂氛围，唤醒学生沉寂而僵化的思维，鼓励学生独立思考。例如，在出示人工膜与生物膜物质通透性图示后，教师的问题是“你从图中得出什么信息”，而不是指向性更明确的“生物膜的通透性与人工膜有什么不同”。这种开放性问题能促使學生仔细观察图表，尽可能多地获得图中信息，从而全面深入地分析问题。