基于问题导向培养学生科学思维的高中生物教学实践——以“细胞器之间的协调配合”一课为例

敬红星，李艳红，胡杰*，苏珍

（1.西华师范大学生命科学学院，四川南充，637002；2.成都市武侯高级中学，四川成都 610043）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》将发展学生生物学核心素养作为我国课程标准，把生命观念、科学思维、科学探究和社会责任作为高中生物学课程目标的组成成分[1]。科学思维通常指科学家在思考和解决问题时使用的、有标志特征的思维方式，是对科学内容的思考和渗透在科学领域的一套推理过程[2]，包括归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括、模型与建模等。问题导向教学是指以问题为中心，以教师为主导，以学生为主体，以培养学生问题解决能力为目标的教学方法[3]。有效的问题能驱动学生产生强烈探究知识的欲望，并在解决知识的过程中增加成就感。因此，教师在教学过程中应关注学生现有知识水平，多以启发性问题不断创造学生最近发展区，促进学生认知发展，从而实现能力的提升。高中生物学“细胞器之间的协调配合”一课内容多为识记内容，传统讲解易忽视学生的主体地位，不利于思维发展。因此，本文将采用问题组的形式不断创设问题情境，激发学生求知欲望，引发学生认知冲突，以期调动学生主动参与，深度思考，实现科学思维能力的提升。

一、“细胞器之间的协调配合”教学案例

（一）教材分析

本节内容选自人教版高中生物学必修一《分子与细胞》第3章第2节“细胞器之间的分工合作”中第2课时的内容，本堂课围绕分泌蛋白的合成与运输这一知识点，构建细胞器之间协调配合、分工合作的概念模型。本节内容是以第1课时各种细胞器的结构和功能为基础，对细胞器之间的联系做进一步的系统学习。

（二）学情分析

本节课授课对象为高一学生，在此之前，学生已学习过各种细胞器的结构和功能，为新知识的学习奠定了认知基础。同时，高一学生还具备一定的认知和逻辑推理能力，抽象演绎思维已初步建立，但这种分析具体问题的思维能力依旧停留在感性阶段，发散思维能力相对不足。因此，课堂需要丰富的真实情境或启发性问题训练学生的科学思维能力，帮助学生不断提升思维品质，培养生物学学科核心素养。

（三）教学目标

生命观念：通过探究分泌蛋白合成与运输途径的过程，阐述分泌蛋白合成和运输的途径，树立局部与整体的生命观念。

科学思维：通过对分泌蛋白合成和运输途径的模型建构，培养学生模型与建模、归纳与概括、批判性等思维能力。

科学探究：运用同位素标记等方法设计实验思路，提高设计和分析实验能力，并能运用到其他类似科学探究过程中。

社会责任：通过对同位素标记法技术的学习，认同科学技术与科学思维结合，树立正确科学观；通过对社会生活实例学习，树立健康生活态度。

（四）教学过程

环节一：创设情境，导入新课

教师活动：近年来，疫苗界有一种“网红”疫苗——宫颈癌疫苗（HPV疫苗）从众多疫苗中脱颖而出，各种价型的HPV疫苗预约火爆。宫颈癌是妇科常见的恶性肿瘤，发病率仅次于乳腺癌，位居第二位[4]，注射HPV疫苗可有效预防感染高危型人乳头瘤病毒（HPV）引起的宫颈癌。

提出问题：接种HPV疫苗能有效预防感染宫颈癌的原理是什么？

教师活动：播放HPV疫苗作用原理视频。

学生活动：观看视频，回答问题。

师生共同总结：人体接种HPV疫苗后能激活免疫系统产生相应的抗体和记忆细胞，当以后人乳头瘤病毒（HPV）入侵人体时，机体能迅速识别并产生大量抗体来消灭人乳头瘤病毒，起到保护人体作用。

提出问题：抗体的本质是什么？

教师：抗体的本质是一种分泌蛋白。分泌蛋白是指在细胞内合成，分泌到细胞外起作用的一类蛋白质，如抗体、消化酶、唾液淀粉酶、胃蛋白酶、部分激素等[5]。分泌蛋白分泌过程需要在多种细胞器的协调配合下完成，本节课将以分泌蛋白合成与运输为例学习细胞器之间的协调配合。

设计意图：利用“网红”疫苗这一热点话题导入新课可引起学生的学习兴趣，培养学生归纳与概括能力。

环节二：实验探究，层层剖析

提出问题：分泌蛋白是通过怎样的途径运输到细胞外的？

【实验探究】豚鼠胰腺腺泡细胞分泌的胰蛋白酶是一种分泌蛋白。利用以下实验材料模拟帕拉德实验以探究分泌蛋白运输途径。

实验材料：具备生理活性的豚鼠胰腺腺泡细胞、含有3H标记亮氨酸的培养液、不含3H标记亮氨酸的培养液、电子显微镜。

教师展示实验过程：首先将具备生理活性的豚鼠胰腺腺泡细胞浸泡在含有3H标记亮氨酸的培养液中短时间培养，3 min时取少量细胞进行固定（使细胞死亡但仍保持细胞形态），通过放射自显影处理，在电子显微镜下观察分泌蛋白的位置。随后将其余培养过3 min的豚鼠胰腺腺泡细胞转移到不含3H标记亮氨酸的培养液中继续培养，分别在17 min、117 min取少量细胞按同样方式（细胞固定+放射自显影）处理细胞，在电子显微镜下观察分泌蛋白的位置。帕拉德实验流程如下：

图1 帕拉德实验流程图

思考问题：

为什么用3H标记亮氨酸？

为什么要将豚鼠胰腺腺泡细胞先浸泡在含有3H标记亮氨酸的培养液中短时间培养3 min？

该实验需要设计对照吗？

学生活动：小组讨论交流，思考问题。

教师：（1）亮氨酸是组成分泌蛋白的氨基酸之一，属于必需氨基酸，体内无法合成，必须从外界吸收。因此培养液中被标记的亮氨酸可被吸收进入细胞，用含有放射性的3H标记的亮氨酸以便于追踪分泌蛋白运输轨迹。这一实验用到了一项科学方法——同位素标记法，它指的是用物理性质特殊的同位素来标记化学反应中原子的去向，可用于示踪放射性物质的运行和变化规律。放射自显影则可观察放射性物质的分布和数量。

（2）将豚鼠胰腺腺泡细胞浸泡在含有3H标记的亮氨酸培养液中短时间培养3 min，可观察到分泌蛋白绝大多数都集中在内质网这一细胞器上。如果长时间浸泡其中会导致细胞中多个细胞器中同时出现被3H标记的亮氨酸，这便不利于观察分泌蛋白运输轨迹。

（3）因为该实验目的在于观察分泌蛋白合成与运输途径，所以不需要设计对照实验。

教师活动：多媒体展示实验结果，图2所示。

图2 豚鼠胰腺腺泡细胞分泌蛋白质形成过程图解（灰点代表未被标记的分泌蛋白，红点代表被标记的分泌蛋白）

提出问题：（1）分泌蛋白合成场所在哪里？（2）分泌蛋白运输途径是怎样的？（3）这一过程需要能量吗？如果需要，能量由谁提供？如果不需要，请给出解释。

学生活动：观察实验结果，尝试描述分泌蛋白合成与运输途径。

教师：分泌蛋白首先在粗面内质网上的核糖体内合成，再转移到内质网，内质网膜将分泌蛋白包裹运送到高尔基体，高尔基体膜再将分泌蛋白包裹运送至细胞膜。一切生命活动都需要消耗能量，因此，分泌蛋白合成和运输过程中同样需要能量，这些能量主要由线粒体提供。

设计意图：以问题形式逐步引导学生获取新知，体验科学探究的一般思路，培养学生抽象与演绎思维。通过描述分泌蛋白合成与运输途径，培养学生归纳与概括能力。

环节三：归纳建构，拓展延伸

提出问题：核糖体合成的多肽链是如何一步步加工为成熟的蛋白质？

教师活动：播放分泌蛋白合成与运输途径视频，结合视频进行讲解。

学生活动：观看视频，体会内质网和高尔基体等细胞器在功能上的联系。

师生共同总结：多肽链首先在粗面内质网上的核糖体内合成，边合成边转运到内质网腔内，经过初步加工，形成具有一定空间结构的蛋白质。接着由内质网膜鼓出形成囊泡将蛋白质运送到高尔基体，高尔基体对来自内质网的蛋白质做进一步的修饰加工，形成成熟的蛋白质。再由高尔基体膜鼓出形成囊泡将蛋白质运输至细胞膜，细胞膜通过胞吐的方式将分泌蛋白排出细胞。

教师活动：组织学生以小组为单位构建分泌蛋白合成与运输途径的概念模型图，如图3所示。学生完成后，教师将其中较为优秀的小组绘制成果通过投影仪进行展示，并鼓励其他学生大胆质疑并完善。

图3 分泌蛋白合成与运输途径的概念模型图

设计意图：通过构建分泌蛋白合成和运输途径的概念模型图，培养学生归纳与概括能力以及模型与建模思维。通过质疑其他小组所绘制的概念图，培养学生批判性思维。

环节四：联系生活，关注健康

教师：白蛋白属于一种分泌蛋白，肝脏是人体合成白蛋白唯一器官，肝脏细胞内白蛋白数量偏低会导致人患低白蛋白血症，它的表现特征有营养不良、四肢浮肿等症状。

提出问题：人为什么会患低白蛋白血症？

学生活动：小组讨论。

教师：造成此病症原因之一是肝功能受损，白蛋白合成发生障碍，由此影响白蛋白的分泌。鼓励学生思考其他可能原因，并课后讨论分享。

设计意图：借助社会实例，回归生活，培养学生分析与综合能力。

二、设计思路

本教学设计依据新课标倡导的“以学生为主体，教师为主导”的理念，本着知识的完整建构与思维能力的有效提升，基于问题导向教学将“创设情境－实验探究－归纳建构－联系生活”作为教学过程的主线。HPV疫苗、低白蛋白血症作为教学情景素材，探究性实验作为教学突破点，促使学生自主完成分泌蛋白的合成与运输概念模型图的构建。从而提升学生科学思维各方面能力，本教学设计思路以思维导图形式展示如图4所示。

图4 教学思维导图

三、教学反思

本节课为达成细胞器之间协调配合这一核心概念，采用了分析分泌蛋白的合成与运输这一具体事例来完成。在教学过程中，教师基于问题导向教学不断创设一系列递进性问题情境，激发学生探究新知欲望，培养学生归纳与概括能力、模型与建模、批判性等科学思维能力。引导学生自主建构分泌蛋白合成与运输途径的概念模型图以及运用新知识解释有关社会生活实例，从而实现本节课的教学目标。

此外，因教科书上未完全展示帕拉德实验的具体过程，而掌握此实验过程有利于攻克本节教学重难点，提高学生科学思维能力，故需教师提前查阅相关资料，梳理实验流程，设计有效性问题，以保证课堂教学层层递进实施，从而提升教学效果。