主题式实验让模型构建“格”物致知——以“渗透作用”模型的构建为例

（江苏省南菁高级中学 江苏无锡 214437）

模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种形式。在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中，模型与建模是培养学生科学思维的重要方法。主题式实验是指借助项目化课程设计理念，将具有关联性的实验进行整合成特定的“群体”。主题式实验的开展可以让学生体验更加完整的生物实验过程，更好地培养学生科学思维和科学探究能力，实现主题式实验的功能大于各独立实验部分之和的效果，即“1+1＞2”，这也符合“教学过程重实践”的基本理念。下面以“物质跨膜运输的实例”为例，谈谈如何精选实验组成主题式实验，从入格、立格、升格和出格4个层次实现“渗透作用”模型的构建。

本节课是“物质跨膜运输的实例”的第二课时。在第一课时中，已完成了如下实验内容：①利用日常生活中的生物材料（动物和植物）及透析袋搭建了渗透作用装置；②完成了“植物细胞的吸水和失水”实验的操作部分。本节课教学重点是利用这些实验组成的主题式实验构建“渗透作用”模型。

1 从生活性实验入格，现渗透作用模型“雏形”

教师通过生活中普遍存在的渗透作用吸水和失水的现象，利用生活化的生物材料展开实验教学，让学生感受到本节所学知识与日常生活的密切联系。这样的安排在激发学生求知欲的同时，让学生对渗透作用的发生产生“朦胧感”，开始构建“渗透作用”模型的“雏形”。

课前准备：①将新鲜的土豆和黄瓜去皮，中间掏空后置于清水中，用量筒量取10 mL、20 mL质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液分别置于被掏空的黄瓜、土豆中（内外液面持平）；②将鸡蛋钝端卵壳膜拨出，从尖端处取出内含物，将20 mL质量浓度为0.3 g/mL蔗糖溶液倒入卵壳内，然后将此装置放于清水中（内外液面持平）。

课堂实验：静置一夜后，将蔗糖溶液倒入量筒，复量体积，比较蔗糖溶液前后体积变化。

实验结果：黄瓜、土豆和卵壳内中的蔗糖溶液体积都明显增加。

课堂上，对实验现象的分析能使学生更加直观地感知“渗透作用”模型的存在，把学生引入“心求通而未通，口欲言而未能”的境界。

2 借模式性实验立格，让渗透作用模型“成形”

教师利用模式性的渗透装置进行实验，不仅可以快捷、高效地完成实验，还可以将微观的实验现象以宏观的动态模拟实验过程呈现给学生，逐渐让“渗透作用”模型在学生脑海里“成形”。

人教版高中生物必修1关于“渗透作用”模型教学有一个模式性实验，其中半透膜采用的是玻璃纸。但笔者尝试用不同品牌的玻璃纸重现此模式性经典实验均以失败告终。经查阅资料后，对此实验进行改进：①用透析袋替代玻璃纸来充当半透膜，并将透析袋进行预处理；②将2只透析袋分别绑在两只玻璃管一端，将1只塑料袋绑在第三只玻璃管一端；③分别向透析袋和塑料袋中注入质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液，将两套透析袋的装置分别置于盛有清水和质量浓度为0.3 g/mL蔗糖溶液的烧杯中（内外液面持平）。将塑料纸的装置置于清水中（内外液面持平），形成对照实验。④静置一段时间后，观察玻璃管中液面的上升情况。

课堂上，教师首先引导学生分析实验现象，尤其要注意分析现象背后的原因。接着，通过计算机模拟实验以更清晰的展现实验效果。最后，学生通过讨论，归纳，总结出渗透作用发生的条件：①要有半透膜；②半透膜两端具有浓度差。教师重现经典模式性实验，冲击学生视觉感官，引起深思。在此学习过程中，学生经历了观察实验、发现问题、分组讨论及分析的过程。借助此过程，“渗透作用”模型在学生脑海里渐渐“成形”。

3 寻经典性实验升格，促渗透作用模型“显形”

通过上述实验教学的开展，学生基本掌握了“渗透作用”模型的条件，但动植物细胞是否能通过此模型进行吸水和失水呢，还没有得到验证。笔者再次借用“鸡蛋外卵壳膜”搭建的实验进行过渡后，借助学生学习过的“体验制备细胞膜的方法”及“植物细胞吸水和失水”两个经典性实验和学生一起寻找发生渗透作用的两个条件，让学生对“渗透作用”模型进行升格完善。

教师通过问题进行过渡：尝试解释“鸡蛋外卵壳膜”搭建的实验装置中，鸡蛋内的水为什么会增加？学生通过交流，讨论，类比，很容易说出发生渗透作用具备的两个条件。教师追问：将装置换成动物细胞放在清水中，会发生什么情况呢？请用学过的实验佐证自己的想法。由于学生刚学过经典性实验“体验制备细胞膜的方法”，很容易归纳出动物细胞通过渗透作用吸水和失水的条件。问题串的思考和类比推理可以使学生认识到红细胞的细胞膜相当于半透膜，吸水或失水取决于细胞内外的浓度差（图1）。

图1 红细胞发生“渗透作用”吸水与失水模式图

接着，教师追问，引发学生对植物细胞结构的回忆：植物细胞放在清水里也会胀破吗，为什么？植物的吸水与失水能否观察？如果可以，请用学过的实验佐证自己的想法。由于上一节课上学生已经完成“植物细胞吸水和失水”实验的操作过程，能寻找到解决问题的实验证据：植物细胞在失水情况下出现的质壁分离和重新吸水后出现的质壁分离复原现象。接着，教师出示自绘的植物细胞失水路线图，通过问题驱动，引领学生对植物细胞失水过程进行深度学习。最后，通过设问“成熟植物细胞能不能看成渗透系统呢？”引发学生对渗透作用装置的深度思考。通过交流讨论，学生可以自发得出成熟的植物细胞是可以构成渗透系统的结论（图2）。

图2 成熟的植物细胞发生“渗透作用”吸水与失水模式图

在两大经典实验的基础上，教师以“问题串”为导向，层层设疑，激发学生探究动植物细胞发生渗透作用条件的异同点，使学生对“渗透作用”模型内涵和外延的学习得到升格，促使“渗透作用”模型显现其本质。

4 返实践性实验出格，化渗透作用模型“遁形”

在学生掌握“渗透作用”模型的内涵和外延地基础之上，教师进一步引导学生联系生活实践活动，用“渗透作用”模型去解决生活中的实际问题，从而通过理论联系实际，激励学生学以致用。

例如，教师引导学生解读“血液净化溶质清除实验”的原理（图3），让学生明白：血液净化溶质清除原理之一就是经由半透膜两侧的血液及透析液中的分子，在限定的空间内自由扩散，以达到相同的浓度。教师还可以引导学生分析“半透膜灌溉的原理与应用”等实践性活动，使学生明白：可以用特殊工艺制成高分子半透膜，用这种半透膜制成不同规格的袋状容器，可以实现科学精准的对植物实施灌溉。

图3 血液净化溶质清除原理模式图

通过类似的实践性活动（实验），让学生站在高于“渗透作用”模型的视角，化“渗透作用”模型为“隐性”，促使知识的融会贯通。

教师引导学生从观察生活中存在的实验现象出发，改进原教材的实验，并加入实践性实验，使学生最大限度地参与到实验中来，提高学生的科学思维与科学探究能力；由模式性实验到经典性实验，实现由浅入深的分析“渗透作用”模型的内涵和外延，逐渐上升到理论高度，再由理论去解决生活中较为复杂的实践性问题。教师通过四“格”主题式实验，层次递进，潜移默化地实现对“渗透作用”模型的构建，从而提高学生的生物学学科核心素养。