基于探究实验的概念转变教学——以“渗透作用”为例

付林娜 冯 欣

（1.山东省东营市胜利第一中学 山东东营 257100）（2.山东省寿光现代中学 山东潍坊 262703）

1 理论基础

概念教学是高中生物学教学的重要组成部分，其中的概念转变教学是概念教学的重难点。概念转变是指学习者在新的学习中，不同程度地扩展、更改或重组头脑中原有的概念以适应新的科学概念，从而建构自己知识体系的过程。概念转变是个体新、旧经验相互作用的结果，是新经验对已有经验的改造过程，是学习者在前概念的基础上，利用已有的知识体系不断地对新的科学概念进行有意义的分解、切割、归类和契合，同时又不断地纠正、克服和超越前概念的局限，从而积极地建构科学概念的过程。

概念转变有两种情况：①“丰富”，即新知识的纳入补充了原有的知识，通过积累的方式使原有知识发生变化；②“修订”，即新获得的信息与原有的经验和理解之间存在着冲突，因而要对原有的理解做调整，纠正原来的错误理解，从而建立起对新信息的正确理解。下面以关于“渗透作用”的一系列探究实验为依托，展示如何将概念转变理论应用到教学实践中。

2 教学实践

2.1 分析学生，关照前概念，制定教学目标

“渗透作用”是人教版高中生物必修一第四章第一节被动运输中的概念。该概念对于理解细胞的失水和吸水有着至关重要的作用。根据之前教学时的提问和调查，结果显示：①大部分学生对扩散、生物膜的概念、分子热运动等都能准确回忆并理解；少数学生会出现遗忘情况。②学生几乎都在日常生活中常听到“渗透”这个词，但仅限于模糊的认识。③大部分学生认为，渗透和扩散一样，都是自发的、物质从高浓度向低浓度的运动，不需要特殊的装置和条件。④学生都没有区分过溶质的浓度和溶剂的浓度，认为浓度必然指的是溶质的浓度。⑤学生都认为渗透平衡后原来两个体系的浓度一定是相等的。这些都是学生的前概念，其中，扩散、生物膜、分子热运动等的概念对渗透作用的理解是有利的。但是，大多数学生对渗透概念的理解是模糊的甚至是错误的。且由于渗透现象发生在生物体内部，肉眼无法直接观察，学生前概念中的知识不足以解答渗透作用的相关问题。因此，教师需要在引导学生探究的过程中，帮助学生建立认知冲突，修订前概念。

根据对学生前概念的分析，教师制定本节的教学目标为：通过装置的改进、材料的选择和实验的分析，深入理解渗透作用的概念和实质，丰富和修订前概念；通过课本经典实验的延伸探究，锻炼科学探究的能力、掌握科学探究的方法。

2.2 改进实验，概念察觉

教师联系扩散和渗透作用，给学生制造认知冲突。此时，一个具体可观测的渗透装置和通透性适宜的半透膜是必须的。教材中给出的是包含烧杯、长颈漏斗与玻璃纸的这套渗透装置。学生在亲历实验的过程中发现了一些问题：玻璃纸与漏斗密封不严，漏液严重；所需半透膜面积大，不宜获取；长颈漏斗加液困难；得到明显结果所需时间太长等。为了更好地通过渗透现象察觉概念，笔者带领生物兴趣小组的学生探究了更优化的装置和材料，进行了更加严谨的实验。

2.2.1 渗透装置的改进和选择

U型装置所需半透膜面积小，加液相对简单。因此，笔者带领学生们自制了简易的U型装置：利用化学实验室因边缘破损弃置的牛角管，用酒精喷灯加热牛角管的弯管处并掰成直角。这样2个牛角管就可以制备1个U型装置。同时用乳胶管或塑料水管相连中间的连接处，将半透膜固定住，且密封性良好。

自制装置虽然解决了“U型”的问题，但只能定性观测，无法定量研究。因此，笔者查阅大量文献，发现已有研究者研发出供高中实验用U型装置（图1），非常适合渗透现象的探究该装置的优点为：U型管可从中间拆装，拆装处有橡胶垫片可装半透膜；半透膜所需面积很小，方便取材；两侧的管径细且有刻度，现象明显并且便于精准读数统计。

图1 U型装置示意图

2.2.2 半透膜的选择

半透膜是渗透作用的重要材料，不仅是影响实验成功的关键因素，也对学生理解渗透作用的概念至关重要。查阅资料，发现许多教师已对半透膜的材料进行了大量探究。学生选取了几种评价较高的半透膜材料，用质量分数为40%的蔗糖溶液和清水进行了实验。实验结果见表1。

表1 实验结果记录表

学生讨论后，得出实验结论：卵壳膜的通透性最好，实验效果最明显。

在对实验装置和材料的改进和选择过程中，学生已经观察到了实验现象，对渗透作用的概念也有了深刻的印象和初步的感知。学生认识到科学概念中的“渗透作用”和“扩散”并不是同一概念，与日常生活中所说的“渗透”也有很大差别。同时，学生还理解了渗透作用发生必须要有特殊的装置和条件，即具备半透膜，且半透膜两侧溶液的浓度存在浓度差。此时，学生感觉到自己前概念的局限性和模糊性，并对液面差的产生原因充满了强烈的好奇心。因此，学生开始对自己的前概念产生疑惑，根据概念转变理论，这将是触发新的概念学习和构建的必要条件，也就为接下来的探究打下了牢固的基础。

2.3 初步探究，概念理解

带着疑问，在自选装置和半透膜材料的基础上，学生进行了渗透作用的延伸实验：探究了一系列质量分数梯度（10%、20%、30%、40%、50%、60%）的蔗糖溶液和清水通过卵壳膜的渗透效果。实验结果见表2。

表2 实验结果记录表

学生得出实验结果：随着蔗糖溶液质量分数的增高，渗透效果增强。因此，得出结论：半透膜两侧浓度差越大，渗透作用越明显。这时，教师自然引出渗透压这一概念，引导学生总结出：渗透作用中水分子扩散的速率与半透膜两侧的浓度差呈正相关。此时，学生明确了前概念中的“溶质浓度”和“溶剂浓度”，开始从溶剂浓度的角度看待渗透作用的问题，进一步理解了渗透作用的本质。

2.4 深究本质，概念建构

通过自己动手实验，学生清晰地观察到宏观上的渗透现象，并能初步分析影响渗透作用的主要因素，但仍然对渗透作用的原理不甚了解。此时，教师展示微观模拟动画（图2），设置一系列问题：①半透膜两侧的分子碰撞半透膜的机率相等吗？②哪种分子能通过半透膜，哪种分子不能透过？③为什么进入蔗糖溶液侧的水分子多于进入清水侧的水分子数？这样可以引导学生结合分子热运动、扩散和动画，分析渗透作用原理。

图2 微动画中实验装置示意图

在已有概念和经验基础上，学生通过回答问题串的问题，结合实验装置和半透膜的选择，真正理解了液面上升的原因。同时进一步修订了前概念：渗透平衡之后，半透膜两侧的浓度不一定相等，液面高的一侧溶液浓度仍然高于液面低的一侧溶液。学生从而自主构建概念“渗透作用是指水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散”，并构建各种概念之间的关系图（图3）。

图3 有关“渗透作用”各种概念间的关系图

2.5 延伸探究，概念应用

朱正威老师曾说过，生物学不仅描述生物界的“是什么”，更要解释“为什么”。在概念构建的基础上，教师引导学生利用类比推理和知识迁移解释生活中的生物学问题：①植物根细胞是如何从土壤中吸收水分的？②如何解释一次性施肥过多造成的“烧苗”现象？③输液时为什么要输等渗溶液（生理盐水或质量分数为5%的葡萄糖溶液）？

此时，教师引导学生通过类比推理，使学生理解细胞也是一个渗透系统：植物根细胞是通过渗透作用吸收水分。教师进一步用植物细胞的失水类比吸水，解释“烧苗”的原因是一次性失水过多导致土壤溶液浓度过高从而导致植物细胞失水，甚至死亡。然后，引导学生分析动物细胞的失水和吸水情况，解释等渗溶液可以使细胞形态稳定，不会因失水过度死亡或吸水过多而胀裂。通过知识的迁移和应用，教师引导学生在生活中的场景中巩固、应用、内化概念，落实生物学学科核心素养。

3 教学反思

探究实验完成之后，学生可以做到正确区分渗透和扩散作用的概念和实质，并接受和理解了探究对象为溶剂的浓度这一事实；绝大部分学生能够正确分析渗透平衡时各体系的浓度和重力等的关系，并且能够正确应用渗透作用解释生活中的生物学问题；大部分学生可以在进一步延伸探究提出自己思考和建议。由此可见，学生通过这次探究实验，深入理解了渗透作用的概念和实质，丰富和修订了头脑中的前概念。学生通过实验的延伸探究，锻炼了科学探究的能力，掌握了科学探究的方法。综上，本次实验较好地达成了教学目标。

整个探究过程是师生在已有知识体系的基础上，不断纠正、克服和超越前概念的局限，从而积极地建构科学概念的过程，也是一次生动深刻的概念转变过程。探究之初，教师联系学生头脑中仅有“扩散”“分子热运动”和几个生活中渗透现象，引导学生在探究过程中经历“察觉概念、理解概念、构建概念、应用概念”这一完整概念建构过程，使学生了解了渗透作用丰富的内涵和外延，逐步形成了生命观念，也在解决问题的过程中培养了学生的科学思维，锻炼了科学探究，提升了社会责任感。