“水进出细胞的原理”一节论证式教学尝试

成欣耘 （成都外国语学校高新校区 四川成都 610000）

科学思维作为生物学科核心素养的四大组成部分之一，是重要的教学目标。《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》指出：学生能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法论证生物学社会议题[1]。由此可见，论证是提升学生各类科学思维方式的关键途径。

论证是由“资料”推论而产生“主张”，说明推论过程与理由，并在“主张”遭到质疑时能用自己的理由和依据作出合理性辩护的一种活动（图1）。论证是科学的核心，是科学的认知基础，也是解决科学争议的主要途径[2]。而论证式教学就是将科学领域的论证引入课堂，使学生经历类似科学家的论证过程，理解科学概念和科学本质，并促进思维发展[3]。从国际科学教育研究趋势分析，论证式教学在培养学生科学素养方面具有极大优势，但在我国生物学课堂上的案例报道并不多见[2]。本文以“水通过渗透作用进出细胞”为例尝试论证式教学。

图1 图尔敏（1958）的论证模型[4]

1 教材分析

1.1 教材地位分析 “水进出细胞的原理”是人教版高中生物学教材必修1《分子与细胞》（2019年版）第4 章“细胞的物质输入与输出”中第1 节“被动运输”的第1 课时。本课时主要分析水分子进、出动物细胞和植物成熟部位细胞的原理和方式。第3 章已认识真核细胞的三大结构及其主要功能，为本节进一步探究细胞如何通过各结构与外界环境进行物质交换奠定基础，同时，为探究其他物质进、出细胞的方式作铺垫。本节内容与前、后章节环环相扣，起承上启下的作用。

1.2 教材内容概念层级

核心概念1 溶剂分子有从相对含量高向相对含量低方向运动的规律。

下位概念1.1 水分子或其他溶剂分子通过半透膜从水相对含量高的一侧向水相对含量低的一侧扩散过程称为渗透作用。

下位概念1.2 渗透作用发生的条件包括半透膜及膜两侧的浓度差。核心概念2 细胞可通过渗透作用吸水和失水。下位概念2.1 动物细胞通过渗透作用吸水和失水，其中细胞膜相当于半透膜。

下位概念2.2 植物成熟部位细胞通过渗透作用吸水和失水，其中原生质层相当于半透膜。

2 学情分析

学生具备分析扩散现象的物理学知识，为分析渗透现象提供基础；但渗透现象背后的原理涉及从微观层面分析水分子的分布、相对含量和移动规律，具有一定的抽象性。通过前期学习，学生知道红细胞放入清水中会涨破，但不清楚原理，此处学生存在潜在的探究兴趣。

学生积累大量相关生活经验，例如，输液时输生理盐水，凉拌黄瓜和番茄时会有大量水分渗出，萎蔫的蔬菜喷水后变得硬挺，但不清楚背后的渗透原理，此处存在潜在的探究兴趣。

高一学生具备一定的类比推理能力及模型构建能力，需进一步巩固提升。

3 教学目标

1）通过操作、观察、分析扩散和渗透现象，学习渗透作用定义及其发生条件，提升建模和归纳概括能力；

2）通过论证红细胞经渗透作用吸水和失水，以及论证植物成熟部位细胞通过渗透作用吸水和失水，提升类比推理和演绎推理能力；

3）通过应用渗透原理分析生活中的常见现象，培养热爱生活、积极探索的生活态度。

4 教学重、难点

1）重点：渗透作用发生的条件及动、植物细胞吸水和失水的方式。

2）难点：渗透作用的发生条件、植物细胞吸水和失水的方式。

5 课前准备

优化观察扩散和渗透实验的装置，实现课堂快速观察的效果。用红墨水滴入热水呈现扩散现象；渗透装置的漏斗改为管径更细的移液管，一端插入有孔的矿泉水瓶盖，用玻璃纸密封瓶盖连接处［4］。

提前分组，按小组准备实验材料与用具。提前准备红细胞、洋葱鳞片叶外表皮细胞吸水/失水的显微照片、白萝卜吸水/失水对比照片。

6 教学过程

6.1 渗透作用的定义及其发生条件 此环节学生的论证过程如图2 所示。以小组为单位，让学生动手操作并观察红墨水扩散，得出“红墨水分子以热运动为基础，从相对含量高的地方往相对含量低的地方运动”的主张，为分析渗透现象中水分子的运动提供支持。

图2 物理渗透装置中论证过程示意图

构建教材中“问题探讨”的物理渗透装置，将蔗糖溶液改为红墨水，继续观察渗透现象，收集事实材料，借助图画模型分析“在限制红墨水分子运动的条件下，水分子如何运动”，提出“水分子通过半透膜从相对含量高往相对含量低的一侧扩散”的主张。通过“替换玻璃纸为医用纱布”“替换烧杯内的清水为相同浓度红墨水”实验，探索渗透作用发生的条件，即为主张增加限定条件。

6.2 水分子通过渗透作用进、出动物细胞 此环节学生的论证过程如图3 所示。先引导学生回忆已学知识，提出主张1 和主张2（图3），结合上一环节中得出的结论“渗透作用发生需要具有半透膜和浓度差”，根据主张1 和主张2 推导出主张3。

图3 “水通过渗透作用进、出动物细胞”论证过程示意图

为了支持主张3，教师可提供图片展示红细胞在高浓度溶液中失水皱缩和在低浓度溶液中吸水膨胀的图片，引导学生回忆制备细胞膜时吸水涨破的事实，完成图中所示的支持a 环节；支持b 和支持c 可请学生应用本节知识和生活经验加以解释，例如，长时间嗑瓜子嘴唇表皮皱缩等。

除了给主张添加限定条件“细胞具备活性时，水才可通过渗透作用进、出动物细胞”，可回忆“观察细胞中DNA 和RNA 实验时，为了让甲基绿吡罗红染液进入细胞，需提前用盐酸进行水解”的事实作为支撑。

6.3 水分子通过渗透作用进、出成熟的植物细胞 此环节学生的论证过程如图4 所示。先引导学生类比动物细胞结构分析植物细胞结构，提出主张1 和主张2，根据主张1 和主张2 推导出主张3。

图4 “水通过渗透作用进、出成熟植物细胞”论证过程示意图

为了支持主张3，教师可提供洋葱鳞片叶外表皮细胞在高浓度蔗糖溶液中失水质壁分离和在清水中质壁分离复原实验的图片，完成图中所示的支持a 环节；支持b 和支持c 可请学生应用本节知识和生活经验加以解释。

除了给主张添加限定条件“细胞具备中央大液泡且具备活性时，水才可通过渗透作用进、出植物细胞”，可用“煮熟的黄瓜上撒盐不会有水溢出”“果脯制作”等作为支撑。

以下是课堂上师生论证水分子可否通过渗透作用进、出植物细胞的教学片断展示。

教学论证片断1“细胞壁是否为半透膜”：

师：动物细胞可看作渗透系统，请问植物细胞能否看作渗透系统？

生A：不能。

师：为什么？

生A：因为植物细胞最外层还有细胞壁。

师：细胞壁不满足渗透作用的哪个条件？（此处发生“师-生”之间的论证）

生A：半透膜。

师：为什么说细胞壁不是半透膜？

生A：因为细胞壁不允许物质通过。

师：其他人是否有不同意见？

生B：不同意A 的观点，凉拌黄瓜时撒了盐一会儿有水渗出，说明水可出去。（此处发生“生-生”之间的论证）

生C：菜农给萎蔫的菜叶洒水，也说明水可进入植物体。

师：你们的观点是什么？

生B：细胞壁允许物质进、出。

教学论证片断2“植物细胞能发生渗透作用的限制条件”：

师：所有植物细胞是否都能通过渗透作用吸水和失水？（教师引导学生为论点限定条件）生D：不是。细胞死亡后就不能了。师：你的理由是什么？

生D：细胞是有生命活性的，可主动控制物质进、出，细胞死亡就无法主动控制。

师：能否找到例子说明植物细胞死亡后，不再主动控制物质进、出？

生E：学校的菜汤是绿色的，应该就是高温杀死细胞，导致色素渗出。

教师展示花生煮熟后子叶被红墨水染色，而未煮熟花生子叶颜色不变的现象，从宏观层面支持学生的论点。

生F：还有一个条件，植物成熟部位的细胞。师：为什么？

生F：因为植物成熟部位的细胞才有大液泡。

生G：植物未成熟部分的细胞虽没有大液泡，但细胞质和外界可形成浓度差，细胞膜也具有半透膜特性，所以，植物未成熟部位也可发生渗透作用。

师：未成熟部位的植物细胞是否也能发生渗透作用？请大家下课后收集资料，寻找证据佐证或反驳此观点，并思考该如何设计实验论证推测。

7 体会与反思

论证过程能促进学生有意义学习，提升科学素养。学生将日常生活中直观、朴素、零散的科学经验进行概括整理，形成有条理、有内在逻辑的科学概念，有助于对科学概念的深层次理解和归纳概括的能力[2]。例如，学生为了解释红细胞是一个渗透系统，需要整理概括红细胞的相关知识，并调动“输液、高盐杀菌”等生活经验。

学生基于实验现象和资料形成主张时，其逻辑推理能力得到锻炼和发展[5]。例如，学生能类比动物细胞提出“未成熟植物细胞也可发生渗透作用”的推断，当然，这还需要寻找证据支撑。

此外，为了说服教师和同伴，学生会在表达过程中将思维过程外化，促进对知识、信念和价值观的反思、运用与发展[3]，即提升学生的认知与元认知能力。在反驳/支持过程或被反驳时，学生的批判性思维能力得以提升。例如，学生通过凉拌黄瓜的生活经验推翻细胞壁不允许物质进、出的观点。

在教学过程中教师应充分参与论证过程。备课阶段，教师需准备大量的事实资料和相应的实验活动，以备学生收集立论、反驳和增加限定条件的证据，此过程也是教师将教材原有结论处理成学生课堂生成结论的过程[6]；在备课阶段的研讨会上，教师之间也在不断对话、立论和反驳。在课堂教学活动中，教师会从支持和反驳学生观点的不同角度推动学生的学习进程。此外，教师还需要针对性地提出探究问题帮助学生对知识进行关联[7]，例如，“红细胞内外是否存在浓度差？”的问题将渗透装置与红细胞结构成分连接。