“水进出细胞的原理”教学中的科学思维培养

倪晓华

（上海大学市北附中 上海 200072）

“水进出细胞的原理”是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中概念2的内容，教学提示中有“通过模拟实验探究膜的透性”“观察植物细胞的质壁分离和复原”两个实验。许多教师在教学设计时，将教学目标重点放在科学探究中的观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论，而忽略了各教学环节之间的逻辑关系、教学内容对学生科学思维的培养。

1 本节教学常见课型的分析

生物学是一门实验科学，实验是生物学研究中最基本、最常用的方法。在生物学教学中，常常出现“实验课”的说法，即整节课在实验室里进行动手操作，与之对应的“常态课”是在普通教室里进行，没有实验操作环节。不同的课型对学生科学思维培养有不同的效果。如果将演示实验与分组实验、探究实验与验证实验都统称为实验，将没有实验材料和仪器设备的教学过程称为讲授，本节教学的课型一般有4种。

（1）只讲授无实验。这是非常传统的课型，学习的过程是一个被动接受过程，即使运用了多媒体技术的辅助，或者对教材中的实验进行分析，但是缺少体验过程。学生头脑中生成的概念是模糊的，甚至可能是错误的，如将质壁分离和复原实验中的“质”理解为细胞质的“质”。

（2）先讲授后实验。这是比较常见的课型，将生物学教学分为常态课与实验课两种模式，基本上能够完成课程标准设计的内容要求和学业要求，但讲授过程缺少真实情境，学生活动缺少任务驱动，滞后完成的实验是将“探究植物细胞的吸水和失水”的探究实验变成了验证实验，仍然属于接受学习。

（3）边实验边讲授。这是与新课程理念相吻合的课型，体现生物学课程性质和基本理念，以实验为情境和任务，激发学生学习的兴趣和主动性。学生通过对感性材料进行分析、抽象、归纳与概括，可以形成科学概念，通过问题的提出和解决，在活动中提升生物学学科核心素养。

（4）先实验后讲授。这是一种少见的课型，学生带着任务走进实验室进行探究活动，可能出现多种结果，如在活动过程中生成新的问题并继续探究、在活动中出现失误等。教师根据学生活动点评、分析，最后达成教学目标。这种教学设计的课堂组织难度高，甚至有人会质疑课堂效率低。但是，学生完整地体验了科学研究的全过程，深入理解科学的本质，是达成生物学学科核心素养的重要途径。

2 本节教学中的科学思维分析与教学建议

“水进出细胞的原理”一节教学中，科学探究是显性的素养，而科学思维是隐性的。科学思维以生物学事实、概念为基础，同时，在尝试获取证据、运用证据与逻辑形成生物学概念和规律的过程中，需要进行实验，需要科学思维。

2.1 类比推理

类比推理是从两个或两类对象有某些共有或相似属性，推出一个对象可能具有另一类对象所具有的属性的方法。类比推理是将抽象思维和形象思维融为一体的一种独特的思维方法，一些特殊事物往往具有鲜明的形象，人们应用类比方法，就能使其对抽象、微观对象的思维具有形象思维的特征。例如，物理学家研究光的性质时，将光与声进行类比，遗传学家萨顿将看不见的基因与看得见的染色体行为进行类比等。

探究膜的透性模拟实验中，教师引导学生观察漏斗管内的液面变化，发现渗透现象，理解发生渗透现象的条件，从而概括出渗透作用的概念。细胞是生物体结构和功能的基本单位，当学生理解了渗透作用的概念后，就可以进行推理。教师将微观、抽象的细胞生命活动与宏观、形象的渗透现象进行类比，提出问题，激发学生开展科学探究的欲望：水分子通过细胞膜进出细胞也是渗透作用吗？细胞膜相当于一层半透膜吗？

开展探究膜的透性模拟实验时，教师可以让学生提前选择玻璃纸、鱼鳔、膀胱、鸡蛋卵壳膜等多种材料，也可以将漏斗与烧杯中的溶液互换，构建渗透装置，以便课堂上观察渗透现象。渗透现象是一个真实的情境，既激发了学生学习的兴趣，又是培养学生归纳与概括、类比推理等科学思维的载体。

2.2 演绎推理

演绎推理是从一般规律出发，运用数学的演算或者逻辑的证明，得出特殊事实应遵循的规律，即从一般到特殊的逻辑推理方法。在科学研究中，演绎方法常常与假说方法结合在一起，在观察和分析的基础上提出问题，通过推理和想像提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期相符，证明假说是正确的，反之，假说不成立。

教师将渗透现象与细胞吸水和失水现象进行类比：哺乳动物的红细胞形状特殊，取材容易，是一种理想的实验材料，将红细胞放入不同浓度的氯化钠溶液中一段时间后，会出现失水皱缩、吸水膨胀甚至胀破的现象。引导学生提出水进出动物细胞的原理是渗透作用的假说。教师可提醒学生注意：如果这个假说成立，人们可以演绎推理水进出植物的规律，并通过实验来检验，这是植物细胞质壁分离和复原实验与红细胞形态变化实验之间的逻辑联系，也是区分植物细胞质壁分离和复原实验是探究实验还是验证实验的要素。

课堂教学过程中，教师引导学生根据生活经验和对动植物细胞结构差异的认知，选择紫色洋葱、黑藻等植物作为实验材料，预见植物细胞在不同浓度氯化钠或蔗糖溶液中的变化，然后设计并完成实验，分析实验结果并得出结论。演绎推理能够作出科学的预见，这样的教学设计可以让学生充分体验演绎推理的魅力，即只要推理的前提真实、推理形式符合逻辑，那推理的结论必然是真实的。

2.3 模型与建模

模型是对客观事物的形态、特征和本质的描述、模仿和抽象，被反映和代替的客观对象称为模型的原型。建模是一种基于模型的建构性学习活动，泛指人类在认识自然界的过程中，把认识对象进行概念化的过程。建模是获得知识的一条重要途径或方法，超越了对科学事实的简单记忆。

教师引导学生建构模型：成熟的植物细胞由于中央液泡占据了细胞大部分空间，细胞内的液体环境主要指的是液泡中的细胞液，科学工作者将细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层。原生质层相当于一层半透膜。教师简化和理想化地再现了原型与研究目的有关的基本因素，略去次要的、非本质的细节，如这两层膜之间的各种细胞器、细胞核等，突破了语言描述的局限，使学生一下子获得植物细胞吸水和失水的整体印象。

教学时，教师可以先进行探究植物细胞吸水和失水的实验，学生在解释中央液泡大小变化的原因时，会反复提及水经过细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质。此时，教师提出建立原生质层的概念模型，避免了学生对概念的死记硬背，并将植物细胞的失水和吸水现象称为“质壁分离和复原”，从而使语言表达的臃肿与简洁形成鲜明对比。

科学思维是概念形成的工具，是生命观念建立和科学探究的基础；同时，科学思维依托概念来进行，并在科学探究中得到发展。核心素养是跨课时、跨学段、跨学科的，生物学学科核心素养教学中的落实是一个漫长的过程，每一节课、每一个活动都是学生发展核心素养生成的一部分。