模型构建在“细胞的物质输入和输出”复习课中的应用

范世一 张庆岭

模型构建体现了新课标对学生理性思维的培养与要求，是生物学中一种常见的分析问题的方法。根据适用对象的不同，常见的生物模型可分为数学模型、物理模型和概念模型三种。数学模型培养学生将数据处理成曲线或者总结成公式的建模能力;概念模型培养学生处理核心概念之间逻辑关系的建模能力;物理模型培养学生对物质或细胞的主要结构进行形象化的建模能力。学生需理清關键对象之间多维度的、科学立体的关系，将抽象的思维可视化，将被动记忆转化成深度学习与主动提取应用的过程，并适用于较复杂教学情境，促进高阶思维能力的提升。

本章节内容从细胞结构延伸到细胞功能的学习，层层深入。在教学中通过科学探究——深化拓展——总结提升三个建模活动来培养学生的结构功能观，形象具体展示跨膜运输过程，辨析多种物质跨膜运输方式，能够有效提高学生参与的广度与深度，有利于巩固生物学概念，加深知识的理解与联系，培养学生的科学思维与创造性思维。

一、结合数学模型的科学探究

通过探究植物细胞的失水与吸水，学生已经初步掌握了探究实验的一般步骤和方法，章末复习中应进一步培养学生科学探究的能力，教师应帮助学生发现问题，鼓励学生分析问题，最终通过引导学生进行科学探究实验与模型构建解决问题。教师在教学时可以安排如下实验：

实验思路：

沉水植物可修复富营养化水体，净化水质，教师可选用常见的沉水植物黑藻作为实验材料，通过检测相同时间内其对磷元素的吸收量，绘制曲线反映物质吸收规律，分析物质运输方式与限制因素等。

实验步骤：

（1）选用长势相同的黑藻若干，从顶端一侧切成10 cm备用。配制具有浓度梯度的磷酸二氢钾溶液（0.01 mmol/L;0.1 mmol/L;0.25 mmol/L;0.5 mmol/L;1 mmol/L;1.5 mmol/L）作为自变量，分别在六个烧杯中放置500mL不同浓度溶液编号1～6。

（2）各组放入2条黑藻，在相同温度湿度等环境条件下培养6小时后测量剩余溶液中磷酸二氢钾浓度，统计表格数据，计算出平均每小时吸收磷的速率并填写表格。

结果处理及分析：

（1）绘制平均磷吸收速率曲线，根据生成曲线的趋势判断黑藻细胞吸收磷酸二氢钾的方式（见图1）。

图1.某小组构建黑藻吸收磷的数学模型

（2）已知黑藻细胞质浓度小于0.01 mmol/L的磷酸二氢钾溶液，推测该组黑藻细胞吸收磷的方式。

通过以上具有难度梯度的问题引导学生比较分析不同跨膜运输方式的条件与特点，不同阶段的限制因素等，学生需要将数据表格处理成曲线，从质壁分离的定性研究深入到定量研究。学生自主构建的数学模型清晰地反映了物质运输的特点，利于分析出主动运输与被动运输的区别，同时为后面的模型构建奠定了基础。在这一过程中教师引导学生设计实验探究黑藻细胞是否通过协助扩散吸收磷酸二氢钾，学生课后继续探究并构建模型分析结果，有助于学生逐步形成批判与质疑的理性思维，培养其逐步形成生命观念和生态保护的社会责任意识。

二、完善物理模型训练科学思维

主动运输需要转运蛋白与能量，能量来源并非只是ATP。教师可以给出如下两个例题带领学生建构物理模型。

例题一：有关光合作用中化学渗透理论的知识应用。将离体类囊体放置于PH=4的缓冲液中，待平衡后转移至含有ADP与磷酸的PH=8缓冲液中，结果发现在黑暗中，顺浓度梯度运输氢离子积累电化学势能可供给ATP的合成。请在图2中两种转运蛋白处补充箭头表示氢离子运输的方向，分析两种运输方式的区别。

例题二：小肠上皮细胞利用SGLT1转运蛋白吸收葡萄糖是与顺浓度梯度运输钠离子共同完成的，属于特殊形式的主动运输。请在图3中SGLT1转运蛋白及钠钾泵处补充箭头来标注钠离子运输的方向，分析电化学梯度驱动的运输与钠钾泵中钠离子运输方式的区别。

细胞借助顺浓度梯度物质运输积累的电化学势能，可同时为另一物质主动运输供能。这是2019年人教版教材未提及的知识，也是学生理解上的难点。教师给出一定的图解，让学生结合信息继续完善物理模型，化繁为简的同时增强了趣味性，初步培养学生的物质能量观。

三、细化知识框架，构建概念模型

章末复习整合中，学生需要对知识有整体的把握，对概念形成内在的逻辑关系。教师可引导学生自主构建本章思维导图（见图4），通过科学探究过程与科学思维的建成，立足于关键概念构建知识网络框架，结合文字及图片表示知识属性及涵盖内容，用箭头及括号等形成多维度的联系，便于在较为复杂的情境中准确提炼知识点及应用。教师可对学生进行多元化评价，把知识与爱好相结合，将透彻理解的知识放入记忆宫殿，力求做到活学活用，事半功倍。

模型构建是养成学生理性思维的重要途径之一。作为复习课，教师从生态情景入手进行任务驱动教学，借助一系列模型构建将微观的细胞物质运输可视化、形象化，便于学生较为透彻而全面地理解和辨析多种运输方式。本节课的最后教师给学生小组提供超轻黏土与卡纸、胶水等材料，用于课下进一步领悟建模方法，小组之间相互评价并展出较为全面准确有创意的物理模型，培养学生的学习主动性与创造性，落实对生物学科核心素养的培养。

参考文献：

[1]王圣瑞，赵海超，金相灿，等.沉水植物黑藻对不同磷化合物的转化与吸收[J].中国环境科学，2005（6）.

[2]翟中和，王喜忠，丁明孝.细胞生物学（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011：6，73.

见习编辑/张婷婷