指向学科核心素养培养的教学设计

吴久宏 潘金元

摘要 以“血透析”为引入情境，充分利用生活原型丰富学生感知，遴选、整合科学史料培养学生科学思维，最大化调动学生的多感官参与，让学生真正成为学习的主人，培养学生的社会责任和家国情怀。

关键词 被动运输 教学设计 科学思维 社会责任

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

1教材分析

本节是2019年版苏教版《必修1·分子与细胞》（以下简称新教材）第二章第三节第二课时的内容，阐明并比较了简单扩散、依赖通道蛋白的协助扩散、依赖载体蛋白的协助扩散3种被动运输方式。与旧教材相比，新教材强调了依赖通道蛋白的协助扩散，以及被动运输不需要细胞供能。从内容上看，这一节内容既承接了前面所学“细胞中的元素化合物、质膜的选择性”内容，又为后面细胞功能、代谢及选择性必修“电位的产生”作出了辅垫，起到承上启下的作用。

在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中相对应的内容要求是（次位概念2.1.2）：举例说明有些物质顺浓度梯度进出细胞，不需要额外提供能量。对应于“大概念2细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”“重要概念2.1物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动”。

针对教材地位和课标要求，笔者对教材作了一定的处理：将教材上的结论通过情境还原、科学史料等方式，让学生成为知识的探寻者，感悟知识的形成过程。

2学情分析

通过前面的学习，学生已经知道细胞中存在多种化合物，并知道细胞质膜将细胞与外界环境分开，从而对细胞质膜如何运输这些化合物产生了浓厚的兴趣。但是，本部分教学内容属于微观层次，涉及很多化学和物理学知识，学生缺乏生活体验，会带来学习上的困难。

3教学目标

1通过分析经典渗透装置和欧文顿的实验结果，概括简单扩散的过程及影响因素，发展科学思维。2基于科学史料的分析，建立依赖通道蛋白协助扩散的概念，树立结构与功能观。

3通过比较通道蛋白和载体蛋白，概括依赖载体蛋白协助扩散的过程，培养科学探究、科学思维。

4通过人工透析、扎染等教学素材，培养社会责任和文化自信。

4教学重难点教学重点：简单扩散、依赖通道蛋白的协助扩散、依赖载体蛋白的协助扩散3种被动运输方式，都是顺浓度梯度运输，不需要额外提供能量。

教学难点：影响简单扩散的因素;通道蛋白和载体蛋白的比较。

5教学过程

5.1利用真实情境，任务驱动学习

课堂伊始，教师播放一段来自国家官方网站的“透析技术拯救人类”的视频。视频中提及：“近几十年来，随着我国居民营养过剩、环境污染的加剧，慢性肾脏病发病率逐年上升，尿毒症患者数量逐年增加。2020年透析患者达69万人。”教师提出问题：同学们有没有听说过视频中介绍的透析技术？听说过的同学，知不知道该项技术利用了什么原理？学生可能只能说出大致的内容，但是不准确。此时，教师不需要去急着纠正学生的错误，而是要充分肯定、鼓励学生。

教师继续提出问题：在实践中得以运用的透析技术运用了哪些生物学的基础知识、原理？在学生小组讨论、交流后，教师追问：透析技术的关键是人工合成的具有选择透过性的膜材料。那么，物质如何进出细胞呢？

5.2利用生活原型，引出科学概念

教师联系中国传统文化，突出文化自信，展示非物质文化遗产“扎染”的图片，引导学生思考：色素分子如何到达布料的内部？教师鼓励学生大胆推测，引出简单扩散的概念：色素分子从高浓度一侧向低浓度一侧移动，该现象在物理学上被称为扩散。

5.3经典图例再用，突破教学难点

教师结合上一节学生所学的“渗透作用示意图”（图1），引导学生比较：水分子的移动与上述染料分子的移动，有什么异同？

学生思考、小组讨论、交流。然后，教师进行点拨：两者都是从分子个数多的向分子个数少的地方移动，直至最后分子个数相等。但是，水分子是溶剂，如果分子多，说明溶液低;色素分子多，它是溶质，说明溶液浓度高。学生从而明确了教材中提到的结论：渗透和扩散是两个不完全相同的物质转运过程。

教师引导学生归纳简单扩散的概念：物质以扩散的方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，动力是物质的浓度差。这种运输方式称为简单扩散，也叫自由扩散。并提出问题：物质以自由扩散的方式进出细胞，是不是没有限制因素呢？

教师呈现资料：19世纪末，欧文顿等科学家曾用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现，脂溶性物质优先通过细胞膜（图2）。

学生分组讨论后，得出结论：脂溶性是限制因素之一，还有“相对分子质量大小”“所带电荷的种类和数量”等。学生通过比较、归纳，自主建立简单扩散的概念模型，强化物理、化学、生物学科的交叉与融合。学生在探究中自主地发现问题，避免了知识的直接输入和传授，同时培养了信息归纳整理能力。

5.4基于科学史料，构建科学概念

5.4.1资料分析，发现新问题

教师提供资料，提出问题：比较生物膜与人工膜（雙层磷脂）对水分子的通透性，结果如图3所示。水分子在通过细胞膜时的速率与人工膜的速率有何不同？从膜的成分思考，造成上述差异的原因可能是什么？

学生根据细胞膜的成分、结构与功能的关系，作出合理的推测：人工膜与生物膜的水分子的通过速率与膜上的蛋白质有关。教师提醒学生实验设计的注意事项：自变量是什么？因变量是什么？学生展示基本思路：一组人工膜上有蛋白质，另一组人工膜上没有蛋白质，检测水通过膜的速率。

5.4.2提供科学史料，引发学生探究

教师提供资料，引导学生思考：11991年，彼得·阿格雷制造了脂质体（只有磷脂双分子层），并让一种含有水通道蛋白（即重组脂质体），一种则不含这种蛋白。他将这两种脂质体分别做成泡状物，然后放在水中。结果发现：重组脂质体对水的转运活性比普通脂质体高出10倍。在细胞质膜上真的有转运水的蛋白质吗？

22000年，阿格雷与其他研究人员一起公布了世界上第一张水通道蛋白的高清晰度照片，并于2003年获得诺贝尔奖。众所周知，正常成年人肾脏每天产生180L原尿，最终生成尿液只有1.5L。其他的水到哪去了？这与肾小管细胞膜上的水通道蛋白有什么关系？

在学生思考、讨论的过程中，教师点拨：正常成年人能快速通过肾小管和集合管重吸收绝大部分水回血液。这是通过两种被动运输的方式完成的，其中主要依赖于细胞上水通道蛋白的作用。这两种方式运输水的速度不同，是生物对不同生命活动需要的适应。

然后，学生归纳、总结：水通过人工膜，从水分子多的一侧向水分子少的一侧运输，这是自由扩散;而水借助膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式，是协助扩散。因此，水跨膜方式有自由扩散和协助扩散两种。这两种方式都是物质以扩散方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应释放的能量，均是被动运输。

教师播放“科学史话：人类对通道蛋白的探索历程”的视频，拓展通道蛋白的门控原理，拓宽学生的视野。

在整个过程中，教师引导学生基于证据和逻辑分析、比较、探究，概括出简单扩散的特点，还使学生了解水通道蛋白的作用。

5.4.3引导学生建构“通道蛋白”和“载体蛋白”的概念

学生观察钠离子依赖通道蛋白进行协助扩散的示意图和葡萄糖分子依赖载体蛋白进行协助扩散的示意图，利用表格比较通道蛋白和载体蛋白的区别（表1）。

在此基础上，教师总结：“通道蛋白”和“载体蛋白”都属于转运蛋白。像这种借助于膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式，叫做协助扩散。然后，展示自由扩散和协助扩散示意图，引导学生学生归纳比较简单扩散与协助扩散的异同点。学生得出简单扩散与协助扩散的共同点：不需要细胞供能的被动运输。

5.4.4回应最初情境，激发社会责任

教师再次播放课堂“透析技术拯救人类”的视频，强调透析技术的关键是利用膜的选择透过性。此时，教师提醒学生：如果要想实现这个技术，仅依靠生物学的原理是不够的，还有物理的、化学的一些原理、技术支撑。因此，同学们在平时的学习中要注重学科之间的融合，提升运用所学知识解决生产、生活中问题的能力。

5.4.5设置悬念，埋下伏笔

在课堂进行小结的基础上，教师抛出这样的问题启发学生思考：海带细胞内的碘离子浓度远高于海水中的碘离子浓度，但海带细胞仍可以从海水中吸收碘离子。这是怎么回事？这与今天的学习内容矛盾吗？这样的设问一方面激起学生探寻新知的欲望，更为下一节课学习“主动运输”做了很好的过渡和认知铺垫。

6教后反思

本节课以“情境主线、任务驱动、论证归纳”为教学设计的灵魂，倡导“让学”的理念：让学生立于课堂中央，真正成为学习的主人、思维的主人、素养发展的主人。教师为学生提供学习与发展的素材，不是把教材的结论告诉学生，而是为他们的“最近发展区”提供脚手架。

教师联系社会和学生生活，创设情境，鼓励学生运用所学知识尝试解释透析技术的原理，既有利于培养学生的科学思维，也促进学生运用所学知识解决人们生活中的问题，从而渗透培养社会责任核心素养。

课堂中紧扣生活的原型来突破抽象的概念，通過类比、归纳、比较等手段突出重点、达成目标。整个课堂以生为本，让学生的生命观念、科学思维、科学探究和社会责任在潜移默化中得到发展和升华。

参考文献：

中华人民共和国教育部：普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S]北京：人民教育出版社：，2020.

1686501705202