聚焦概念学习的“细胞的物质输入与输出”单元教学设计

王 悦 郭 睿 吕宏娟

（清华大学附属中学奥森校区 北京 100101）

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）明确了高中阶段的生物学教学要以发展学生的生物学学科核心素养为宗旨，内容聚焦大概念，倡导单元整体教学设计，组织以探究为特点的主动学习，重视信息化环境下的学习[1]。单元整体教学有利于促进学生的学习，帮助学生形成“少而精”的大概念，设计针对核心概念的问题情境，有助于提高单元整体教学的有效性。笔者针对人教版必修1第4 单元“细胞的物质输入与输出”的教学单元，尝试师生合作完成单元整体教学设计和实施，在发现问题和解决问题的教学过程中，促进学生对概念的理解和形成结构化的概念体系，提高学生的生物学学科核心素养。

1 单元教学内容分析

“细胞的物质输入与输出”属于必修1 第4章，在学习了细胞的化学组成和基本结构等基础知识之后，开始学习细胞代谢。生物进化过程中最重大的事件之一就是细胞膜的出现，它使细胞成为一个相对独立的系统，并控制物质的进、出。细胞膜的选择透过性是细胞维持生命活动和自身稳定的基础。本单元要解决的核心问题包括：物质进、出细胞的方式，细胞膜控制物质进、出细胞的功能与其结构之间的联系。本单元包括2节，第1 节是被动运输，第2 节是主动运输与胞吞、胞吐。教学内容按照从宏观到微观，从现象到原理，从简单到复杂，从熟悉的水分子进、出细胞到各种物质跨膜运输的顺序编排，符合学生的认知规律。学生从水分子进、出细胞的方式开始，学习细胞的渗透作用，首先，通过渗透装置观察渗透现象，理解渗透原理，归纳渗透条件，随后，通过植物细胞吸水和失水的探究实验，认识细胞也相当于一个渗透装置，在特定条件下进行水分交换。通过充分的感性认识激发理性思维，为后续学习物质跨膜运输方式奠定基础。

物质跨膜运输方式分为“被动运输方式”和“主动运输、胞吞、胞吐”2 个部分。教材通过丰富的实例说明一些物质通过自由扩散、协助扩散等被动运输方式顺浓度梯度进、出细胞，有些需要转运蛋白的协助，均不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。而另一些物质通过主动运输或胞吞、胞吐方式，需要细胞内化学反应释放的能量。比较各种不同跨膜运输方式与细胞膜结构之间的关系，总结归纳细胞膜的结构和功能特点，初步建立结构与功能观、物质与能量观的生命观念。植物细胞吸水与失水的实验探究和水通道蛋白的发现、囊性纤维病等疾病的资料，为发展科学探究，培养科学思维，落实社会责任提供了良好素材。

2 本单元概念梳理及单元教学目标确定

对课程标准要求的与本单元有关的大概念、重要概念及一般概念进行梳理，并将教材及补充的事实性支持材料进行整理，呈现如下概念形成结构图（图1）。本单元的概念学习任务是以事实与实例为支撑，构建上述一般概念，并上升至重要概念2.1，重要概念2.1 即为本单元学生通过学习需要建立的核心概念。

图1 单元内容中各层级概念及生命观念的逐级形成图解

基于课程标准要求及教材内容的分析，确立本单元学习目标。

1）生命观念：①运用结构与功能观，通过对不同物质跨膜运输实例的分析，理解自由扩散、协助扩散、主动运输、胞吞、胞吐等概念，说明细胞膜的结构在物质跨膜运输中的作用，即细胞膜具有选择透过性；②通过探讨小肠上皮细胞吸收葡萄糖的能量来源，初步形成物质与能量观；③通过拓展离子通道蛋白的种类，认识物质跨膜运输与信息传递之间的关系，初步建立稳态与平衡观。

2）科学探究：①设计实验探究动、植物细胞的渗透作用，培养实验设计、方案实施、结果分析与交流的能力；②分析水通道蛋白发现史的资料，培养观察、提问并分析实验结果的能力。

3）科学思维：①将渗透装置的物理模型用于动、植物细胞结构中，分析渗透吸水原理，培养建模思维；②分析物质进、出人工膜和生物膜的坐标曲线图，发现物质进、出细胞存在不同方式及特点，培养分析与推理、归纳与概括能力；③绘制物质运输速率与浓度差关系曲线，训练利用数学方法处理、解释数据的技能；④对病毒借助特定受体入侵细胞提出创造性的解决方案，培养学生的发散性思维。

4）社会责任：①阅读囊性纤维病、新冠肺炎病毒入侵细胞等资料，理解生物学研究对疾病治疗的推动作用，关注社会热点问题；②了解我国科学家在膜蛋白与物质转运领域取得的成就，增强民族自豪感和社会责任感。

3 单元问题情境设置及课时教学设计

新课程倡导情境化教学，好的问题情境要指向本单元的核心概念，并串联起本单元的所有概念，教学活动的组织要围绕解决单元大问题情境下的不同子问题展开[2]。问题情境还要尽量贴近学生的实际生活，激发学生的好奇心和求知欲。设置本单元的问题情境为：人体内的细胞怎样与外界进行物质交换以维持代谢活动的需要？并引入选择性必修1“稳态与调节”中内环境稳态与消化、呼吸、循环、泌尿系统的功能联系示意图，以相对直观的形式呈现细胞与胞外物质交换的方式（图2）。

图2 内环境稳态与消化、呼吸、循环、泌尿系统的功能联系示意图[3]

基于单元学习目标和单元问题情境，分解本单元内容在各课时中的细化目标，并组织教学活动实现课时目标及单元目标，设计每课时学习活动的评价方案。本单元计划用3 课时完成，第1 课时完成水分子进、出细胞的实例分析及学生实验；第2 课时用2 节连堂课分别完成被动运输和主动运输、胞吞、胞吐的相关内容学习，并进行总结，形成对“细胞膜是选择透过性膜”的认识。本单元的课时教学活动设计见图3。

图3 “细胞的物质输入与输出”单元设计导航图

4 评价设计

4.1 评价内容

1）推理与分析（科学思维）评价课堂讨论：例如，动物细胞、植物细胞是否为渗透系统？分析比较不同物质进、出人工膜和生物膜的通透速率。

2）设计和实施探究方案（科学探究）：设计实验方案探究“植物细胞是一个渗透系统”，评价学生选择实验材料进行实验探究的课堂表现、实验结果和实验报告单。

3）归纳与概括（科学思维）：通过分析气体、水、葡萄糖、钠离子、钾离子等物质进、出细胞的实例，评价学生对被动运输、主动运输、胞吞、胞吐等概念的归纳概括能力。

4）比较与分析（科学思维）：列表分析比较自由扩散与协助扩散的异同、协助扩散与主动运输的异同，评价学生的课堂表现。

5）运用概念在陌生情境中进行科学解释（结构与功能观）：阅读烧苗现象、水通道蛋白的研究、囊性纤维病、新冠病毒成功入侵人体细胞等资料，评价学生分析讨论的课堂表现。

4.2 评价工具及方式

1）通过实验报告单、课堂观察和iPad 辅助教学工具进行课堂过程性评价。

2）课后作业及测验。观察学生课堂表现和完成任务情况，发现学生的课堂思维参与度较高，大部分学生成功完成了具有挑战性的任务并进行全班范围的交流与表达。

5 教学特色分析

本单元由宏观实验现象出发探寻分子进、出细胞的微观原理，在人体细胞如何与外界环境进行物质交换的问题情境指引下，引导学生合作、探究，理解自由扩散、协助扩散、主动运输、胞吞、胞吐等运输方式及对细胞和个体生命活动的意义，在此基础上理解细胞膜是选择透过性膜，建立结构与功能观、物质与能量观等生命观念，具有如下特色：

1）教学目标围绕核心素养，落实大概念。本单元通过大量贴近生活的实例和事实，引导学生从大量事实中概括出抽象概念和原理，逐步生成各层级概念，关注概念之间的联系，形成“少而精”的概念体系，逐步生成课堂板书（图4）。教学过程中提供丰富的生物学实例，并引用真实科研数据和实验素材，培养学生的科学实证意识和科学探究能力，在葡萄糖转运蛋白及新冠病毒入侵细胞等新情境学习中渗透社会责任。

图4 逐步生成的板书

2）创设问题情境，促进学生对概念的深度学习。本单元用人体细胞与胞外物质交换示意图营造单元问题情境，提供清晰的问题线索，单元整体逻辑性较强。基于生命系统整体意义基础上的概念学习，将视角放大，使细节概念不再碎片化，突破了传统教学过分关注细碎知识点和停留在知识记忆水平的不足，有助于学生在整体生命活动学习过程中理解生物学概念的意义，并迁移至新情境中[4]。

3）信息技术辅助教学，助力高效的评价反馈。iPad 辅助下的讨论式教学，还原学生的主体地位，实现课堂的实时交流和评价反馈。小组讨论、iPad 书写并展示交流，训练了学生的阅读、交流等关键能力，极大提升了学生的课堂参与度。