“物质通过多种方式出入细胞”（第1课时）教学设计∗

郑晴晴 （绍兴市第一中学 浙江绍兴 312000）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》[1]（以下简称“课程标准”）指出，从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养，是生物学科课程的设计宗旨和基本要求[1]。围绕一个情境主题展开课堂教学活动，是有效提升学生生物学学科核心素养的重要方式。针对课程标准中重要概念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，以浙科版必修1《分子与细胞》第3 章第3 节“物质通过多种方式出入细胞”（第1 课时）为例，尝试运用情境教学提升学生生物学学科核心素养。

1 教材分析及概念梳理

本节内容知识点少且知识结构完整，其中涉及到的科学史知识是培养学生生物学学科核心素养的极好素材支撑。根据课程标准，本节课的概念梳理见图1。

图1 “物质通过多种方式出入细胞”第1 课时概念结构图[2]

2 学情分析

本节授课对象是高一学生，此阶段学生已掌握细胞膜和ATP 等相关知识，为后续学习作好知识铺垫。高一学生虽已具备一定的逻辑推理能力，但仍欠缺，故本节课旨在通过分析科学史等活动，培养学生的科学思维和科学探究能力。

3 教学目标

根据课程标准和知识内容体系，确定了本节课的教学目标如下：1）分析肾小管细胞的重吸收作用，运用稳态与平衡观，说明物质出入细胞的意义。2）通过渗透作用实验及理论探究，构建渗透作用概念模型。3）结合科学史资料，用控制变量法设计验证性实验，领悟科学的研究方法和逻辑，以及理解科学与技术的关系。4）分析Na+离开肾小管上皮细胞的图形，运用归纳与概括，总结主动转运方式的特点；运用结构与功能观比较分析多种转运方式的异同。

4 教学设计思路（图2）

图2 教学流程图

5 教学过程

5.1 创设情境，提出问题 教师以肾脏形成尿液为大情境，以表格形式比较血浆、原尿、终尿的成分（表1），引出肾小管细胞的重吸收作用。提出问题：1）肾小管对葡萄糖的重吸收体现了细胞膜的何种功能？2）水、尿素、葡萄糖、Na+、K+等不同物质以何种方式出入肾脏细胞？通过真实的问题情境，学生认识到肾脏细胞发挥功能离不开细胞膜的选择透性；由问题2 引出本节课的学习主题，进而展开本节课的教学。

表1 血浆、原尿、终尿成分对比表[3]

5.2 实践探究，构建概念 教师引导学生结合脂双层的结构，推测出小分子的水分子或尿素分子通过脂双层的间隙进入肾细胞，从而引出扩散和渗透的概念。学生6 人一组（确定发言人、操作者及助手、实验拍照记录者），利用师生事先制作完成的渗透装置（经盐酸处理后的鸭蛋壳膜、纱布分别包扎于长颈漏斗口径部），开展探究实验活动，具体分组见表2。课堂上各小组学生用烧杯小心地往长颈漏斗中倒入相应液体（其中蔗糖溶液浓度为30%），保持漏斗内、外液面相平。为使实验现象更加明显，可滴加1 滴红墨水于长颈漏斗中。

表2 学生分组情况表

教师引导学生分析以下问题：1）预测各组不同渗透装置下的长颈漏斗内的溶液量会如何变化并说出理由；2）第1、2 组漏斗内的液面是否会一直上升。要求各组通过实验验证自己的推测，拍照的组员可进行延时摄影并上传至钉钉群。全体学生分析第3、4 组和第5、6 组漏斗内液体不会升高的原因，并总结渗透作用发生需要满足的基本条件。在动手体验与理论探究的基础上，学生以文字的形式完成任务1：构建渗透作用概念模型（图3）。

图3 渗透作用概念模型

学生利用简易工具实现实验的探究是体现学生科学思维及科学探究能力的外显形式。通过不同组别的探究活动，师生共同分析总结，突破渗透作用这一抽象概念的理解难点，更为后续动、植物细胞的渗透吸水（失水）的内容学习作好知识铺垫。

5.3 假说演绎，领悟方法 水分子通过细胞方式的进一步探索：教师呈现资料1～2，提出问题：1）细胞膜与人造膜在物质组成方面的区别是什么？2）水分子通过细胞膜的方式是否借助于其他物质？3）具体是什么物质？引导学生提出假说：细胞中存在特殊的输送水分子的通道蛋白——水通道蛋白CHIP28（channel-forming integral protein 28）。

资料1：1950年，Solomon 通过测量不同条件下水通透细胞膜的能力，结果发现细胞膜对水的通透性远高于人造膜。

资料2：1987年，科学家阿格雷（P.Agre）分离纯化人红细胞中32×106的多肽时，偶然发现还存在分子量稍小的28×106蛋白质。且该蛋白质在红细胞及肾小管中含量非常丰富，每个细胞内大约含有20 万个分子，且与膜骨架结合紧密。

教师利用示意图讲解阿格雷利用基因工程技术构建高效表达CHIP28 蛋白的非洲爪蟾（Xeno‐pus laevis）卵母细胞的过程，即用显微操作技术将CHIP28 的RNA 注射进入卵母细胞中。非洲爪蟾的卵母细胞几乎对水不通透，非常适合进行水通道蛋白的研究。教师呈现阿格雷构建后的卵母细胞表达CHIP28 蛋白实验结果（图4），学生分析得出CHIP28 蛋白的表达量与时间的关系。在此基础上，利用不含CHIP28 的对照组细胞和高效表达CHIP28 的卵母细胞、低渗溶液、显微镜、计时器等材料，进行小组合作（确定好记录者、发言人）完成任务2（演绎推理）：验证CHIP28 是水通道蛋白的实验设计。

图4 卵母细胞表达CHIP28 实验结果[4]

教师借助希沃助手将各小组的实验设计方案投屏在黑板上，请不同组别学生进行评价，教师补充。教师呈现阿格雷的实验结果（图5），学生由此得出实验结论：CHIP28 是水通道蛋白。

图5 表达CHIP28 的细胞和对照组细胞渗透吸水结果[4]

教师提问：此实验是否能严谨地说明CHIP28是水通道蛋白？CHIP28 的角色可否有其他形式？学生的思维再一次被充分调动。师生提出质疑：CHIP28 也许并非是水通道蛋白本身，可能是调节水通道开闭的蛋白质。教师引导学生思考：如何选择实验材料以排除其他蛋白的干扰？教师介绍阿格雷的进一步的验证性实验：将此蛋白构建于人造膜中，通过与人造膜组对比，发现实验组膨胀而对照组则没有变化，最终证明CHIP28确实为一种水通道蛋白。阿格雷也因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。同年获得此奖项的还有解析了K+通道蛋白立体结构的美国科学家麦金农（R.Mackinon）。由此引出诸如水、K+这种通过通道蛋白或载体蛋白的顺浓度梯度的高效扩散形式为易化扩散，同属于被动转运。

水通道蛋白发现历程的科学史，是学生学习科学家严谨的科学态度，以及善于捕捉实验中的意外发现、锲而不舍追求真理的科学精神的好素材。故在此环节，层层环扣、递进设疑，学生由此领会逻辑思维之美，感悟生物学科的理性与人文之美，进一步加深了对结构与功能相适应的生命观念的丰富内涵的理解。

5.4 分析图形，比较归纳 教师呈现资料3：肾脏对葡萄糖的重吸收依赖2 类葡萄糖转运体（载体蛋白）：一类是钠依赖的葡萄糖转运体，一类是葡萄糖转运体（图6）。引导学生分析问题：1）肾小管上皮细胞以怎样的方式运出葡萄糖？2）从物质运输的浓度方向和耗能角度，分析细胞运出Na+的方式与易化扩散、扩散的不同之处；3）综合以上分析，肾小管上皮细胞怎样吸收Na+和葡萄糖？

图6 肾小管上皮细胞葡萄糖重吸收过程示意图[5]

问题1 的设置使学生能及时运用新学的易化扩散的知识作出判断，及时巩固知识；问题2 和问题3 的设置促使学生通过图形分析Na+、葡萄糖出入细胞的过程，从而自主归纳主动转运的特点，以及比较3 种运输方式在浓度方向、耗能情况、是否借助于载体蛋白或通道蛋白等方面的区别，以此深刻理解物质出入细胞方式的复杂性和结构与功能相适应的观点。

5.5 回归情境，应用知识 最后，回归情境，学生认识到肾小管上皮细胞排出代谢废物的同时又保证营养物质不丢失，使得肾脏发挥正常的排泄功能，以维持人体内环境的稳态。

回归到最初情境，首尾呼应，学生通过运用所学的知识解释具体真实的情境问题，增强自身运用知识的意识和能力。

6 教学反思

本节课以肾脏形成尿液的过程为大情境，引出学习主题：不同物质出入肾细胞的方式。引导学生深入思考，开展渗透实验并结合科学史资料进一步探索水分子的易化扩散方式，了解并体会知识的发现过程，学习假说-演绎法的科学思维方法；通过K+通道进而类比出K+进入细胞的易化扩散方式；在此基础上，再通过图形分析更进一步地探索Na+离开肾小管上皮细胞的主动转运方式。由浅入深，由简到难，层层递进，学生最终构建这些重要概念，有效提升了自身的科学思维和科学探究能力。