基于模型拓展的“次位概念”教学策略——以“渗透作用”为例

黄 新

（江苏省南通市通州区石港中学 江苏南通 226300）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出“内容聚焦大概念”的教学理念。次位概念是抽象概括形成重要概念和大概念的基石，是构建知识框架的基本单位，是课堂教学的重点，如何突破次位概念是教师迫切需要关注的问题。无论是动物细胞还是成熟的植物细胞均可构成一个渗透系统，由于渗透过程中分子的运动在显微镜下不可见，学生对渗透作用的理解存在困难。下文将结合教学实践进行阐述，以期为教师开展教学设计提供借鉴。

1 基于教材模型对渗透作用进行分析与拓展

为了帮助学生真正理解渗透作用的原理，更好地解答各类相关试题，教师对教材中渗透作用的模型进行分析至关重要（图1）。在此基础之上，教师应通过模型改编、创设系列问题等方式，引导学生积极思考。

图1 渗透作用模型

教师结合教材经典模型展开教学，引导学生观察现象并思考：为何一段时间后，漏斗液面会上升？围绕问题的关键点，教师可设置问题串：①引起漏斗液面升高的物质是什么？②是不是水分子只能进入漏斗？③如何解释漏斗内水分子数会增多而引起的液面升高呢？三个问题层层递进，学生根据问题②可得出单位时间内透过半透膜进入漏斗的水分子数比渗出的多的缘由。

接着，教师可再次设置问题串：①为何单位时间内透过半透膜进入漏斗的水分子比渗出的多呢？②溶液的浓度与渗透压大小有何关联？③漏斗中液面会无限上升吗？其原因是什么？对于问题①，教师可结合渗透压的概念加以解释：漏斗内溶质（蔗糖）的存在，可加大对水的吸收。据此，教师可引导学生得出结论：溶液浓度与渗透压成正比，单位时间内进入漏斗的水分子多于进入烧杯的个数。对于水分子进出速度的变化，教师可设置引导性的问题串：①随着水分进入漏斗，漏斗内溶液对水分子的吸引力发生什么变化？②内外液面差的增大对水分子进入烧杯的速率有何影响？基于这两个问题，结合所学物理知识，学生能够分析出液面不能无限上升的原因。

通过以上环节帮助学生掌握知识后，教师可以引导学生进行思维拓展训练。教师追问：①液面差的大小与哪些因素有关？②达到平衡后，是否意味着膜两侧不存在浓度差？③液面达到平衡之后，半透膜的哪一侧溶液浓度偏高？学生通过分析“蔗糖不能通过半透膜”，可得知上述问题的答案。

2 通过试题原创突破对渗透作用的理解

2.1 水分子进出半透膜速率及其对相关溶液浓度的影响

【例1】图2中甲是渗透作用装置示意图，已知蔗糖不能穿过半透膜，图3两曲线图的横坐标代表时间，下列相关叙述不正确的是 （ ）

图2 渗透作用装置示意图

图3 与渗透作用有关的曲线

A.半透膜内溶液的浓度变化可用曲线乙表示

B.水分子由半透膜外进入半透膜内的速率变化可用曲线甲表示

C.玻璃管内的液面高度变化可用曲线乙表示

D.半透膜内外浓度差可用曲线甲表示

参考答案：A。

解析：据渗透压概念可知，半透膜内属于高渗溶液，烧杯内属于低渗溶液，因此，水分子进入半透膜内的速度大于进入烧杯的速度。随着水分的渗入，半透膜内溶液的浓度逐渐降低，内外浓度差越来越小，水分进入半透膜的速率越来越小，直至水分进出平衡，半透膜内液面高度不在上升。

2.2 可通过半透膜的溶质对两侧液面高度差的影响

在有些渗透系统中，部分溶质和水分子均可穿过半透膜，学生对该类复杂的情境存在理解困难。教师需要向学生展示整个动态过程，以帮助学生更好地理解现实生活中的渗透原理。

【例2】图4中X、Y、Z分别为蒸馏水、质量分数为30%的葡萄糖溶液、质量分数为30%的淀粉溶液，且单糖能通过半透膜而二糖、多糖不能通过半透膜。下列相关叙述错误的是 （ ）

图4 渗透系统示意图

A.装置A的现象是左侧液面先下降后上升，最终左右液面持平

B.A装置左右侧替换为等量蔗糖溶液，左右侧分别加入相等且适量的蔗糖酶、淀粉酶，左侧液面逐渐上升，最后左侧液面高于右侧

C.装置B烧杯中溶液液面下降的速率逐渐减缓

D.装置B达到渗透平衡后，水分子向半透膜两侧扩散的速度相同

参考答案：B。

解析：对于装置A而言，在起始阶段右侧是质量分数为30%的葡萄糖溶液，左侧是蒸馏水，右侧为高渗溶液，对水分子的吸引力较大，故单位时间内水分子向右侧流动的数量远大于流向对侧。所以，右侧液面逐渐升高，随着葡萄糖向左侧扩散，左侧渗透压逐渐升高，从而加速水分子向左侧扩散，同时减慢了水分子向右侧扩散的速率，最终导致左侧液面开始上升。在此过程中，教师设问：单糖和水分子均可通过半透膜，那为何在一定时间内会存在这样的浓度差？学生根据分子大小的不同，分析出相关原因，从而为半透膜两侧具有不同大小分子的扩散速率存在差异做好铺垫。教师引导学生解决两个问题：①蔗糖酶水解蔗糖后所引起左侧渗透压变化情况如何？②平衡之后生成单糖在膜两侧浓度的大小有何关联？学生明晰这两个问题，即可明确选项B错误的原因：平衡之后，右侧液面高于左侧。

2.3 对教材渗透装置模型的拓展研究

利用较为复杂的情景，考查学生综合运用能力，一直是新高考的改革的终极目标。研究教材模型有助于更好地辅助学生理解渗透原理。

【例3】图5为渗透实验装置示意图，蔗糖不能透过半透膜，渗透平衡时烧杯中液面高度为，漏斗中液面高度为，液面差为。下列有关叙述正确的是 （ ）

图5 渗透实验装置示意图

A.若向烧杯中滴入清水，则重新平衡时将增大

B.若向漏斗中滴入清水，则重新平衡时将增大

C.若向漏斗中加入蔗糖分子，则重新平衡时保持不变

D.把段内的液体吸出后，重新平衡时将减小

参考答案：D。

解析：液面差的大小取决于内外浓度差，而且与浓度差成正比，故分别向漏斗内加入清水、蔗糖分子时，漏斗内溶液渗透压分别降低和升高，最终导致值分别减小、增大。吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液，液面由于渗透作用会继续上升，上升的时候将漏斗的溶液稀释，渗透压下降，因此减小；但若向烧杯中滴加清水，短时间内导致减小，打破了漏斗内渗透压对水分子吸引力与液面差产生水压对水分子外排的平衡，水分子则会更多地进入漏斗，使增大，维持新的平衡，与原来相比，漏斗内水分增加，致使漏斗内渗透压降低，故液面差也随之减少。

2.4 对教材渗透原理的应用研究

学生将概念应用到实践中去，学会用概念解释生物学现象、解决实际生活中的生物学问题，有助于形成生物学学科的价值观念、必备品格与关键能力。

【例4】将紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞放入一定浓度的NaCl溶液中，发现其原生质体（即植物细胞中细胞壁以内的部分）的体积变化趋势如图6所示。下列叙述正确的是 （ ）

图6 原生质体体积变化趋势图

A.0～2 h内，细胞吸水能力逐渐变小

B.2～4 h内，NaCl通过细胞膜进入细胞

C.4 h时，NaCl溶液的浓度等于洋葱细胞液的浓度

D.原点处，NaCl溶液的浓度大于洋葱细胞液的浓度

参考答案：D。

解析：如图6所示，紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞先发生质壁分离，后自动复原。教师提出问题：发生这种现象的前提条件是什么？引导学生明确此现象发生的外在必要条件：具有适宜浓度的可被细胞吸收的外界溶液，适宜浓度是关键。教师还可以就此引导学生展开分析：0～2 h内，细胞处于失水的过程，细胞液浓度逐渐升高，浓度的变化，有细胞液原溶质浓度的升高，也存在NaCl被细胞吸收进入的过程，在该时间内，发生质壁分离的过程，此时细胞液浓度小于外界溶液。2～4 h内，原生质体的体积逐渐增大，最终恢复原状，属于质壁分离复原的过程，此时细胞液浓度大于外界溶液。2 h时，二者浓度相同。完全复原的4 h时，由于存在细胞壁伸缩性较小的限制，原生质体的体积无法进一步增大，但存在继续增的趋势，因此，此时刻NaCl溶液的浓度小于洋葱细胞液的浓度。

高中生物学课程已经进入核心素养时代，“大概念”教学的研究刻不容缓。教师只有在教学中引导学生一步一个脚印地理解各个次位概念，学科核心素养才能真正地在课堂中落地生根。