挖掘“物質跨膜運輸”的“能量本質”的教學探討

肖巧玲 李越

生命系統存在于無機世界之中，必然遵循萬物之理——物理。教師將生物學知識放在物理情境下解釋，將有助于學生更加準確地把握知識點。《普通高中生物課程標準（實驗稿）》中要求：初步形成生物體的結構與功能、局部與整體、多樣性與統一性的觀點。把生命活動在局部的結構和功能的多樣性建立在整個自然的結構和功能的統一性的物理學規律的基礎之上，這也有助于學生形成科學的世界觀和辯證唯物主義的自然觀。下面以“物質跨膜運輸”一節教學為例探討如何在生物學課堂中滲透物質運輸的能量本質。

1 “物質跨膜運輸的實例”教材分析

1.1 教材分析

人教版從《必修1·分子與細胞》“物質跨膜運輸的實例”一節開始介紹細胞的功能，承接了前面3章所介紹的細胞的分子組成和細胞結構。這一章圍繞細胞膜的結構和功能，由淺入深，由感性到理性，循序漸進地向學生說明了細胞膜的結構和功能，以及二者相統一的觀點。“物質跨膜運輸的實例”這一教學內容一個重要的知識點是滲透的原理，教材中采用半透膜的物理裝置通過液柱的移動來呈現滲透現象。

1.2 對“物質跨膜運輸的實例”常用的教學方式分析

（1） 常用的教學方式：

利用物理滲透裝置介紹滲透的相關原理，再引入對哺乳動物紅細胞以及成熟的植物細胞吸水和失水現象的分析比較是教師對這部分內容常見的教學程序：① 教師從生活經驗入手，用墨水在清水中的擴散等為例，吸引學生注意力，引導學生進入學習情境。對于物理滲透裝置，多數教師的處理方式是圍繞滲透作用發生的兩個條件——具有半透膜、存在濃度差，設計實驗或圍繞課本“問題探討”中的三個問題設計問題串。傳統教學中，部分的學習以學生認識到滲透作用發生的兩個條件為最終目標，然后教師以這一學習結果為前提，幫助學生理解動植物細胞的滲透實驗；② 通過回憶以哺乳動物紅細胞為材料制備細胞膜的實驗，教師帶領學生分析實驗現象、條件等，然后將其與物理滲透裝置進行類比，得出哺乳動物紅細胞的細胞膜相當于一層半透膜，并繼續推廣到其他動物細胞；隨后，對于成熟植物細胞，教師引導學生分析成熟植物細胞的結構特點。結合前面兩個實驗，教師可以引導學生提出問題：“水分跨成熟植物細胞的運輸是通過滲透作用完成的嗎？”然后，用滲透的觀點作出假設；最后師生通過完成成熟植物細胞質壁分離和復原實驗以及類比前面兩個實驗來驗證假說。

（2） 教學分析：

以上教學看似完美，但在訪談中仍發現學生在學過“物質跨膜運輸的實例”一節后仍有這樣的疑惑：從物理學概念“力”的角度看，支持上升的這一段液柱的力是什么力？從“能量”的角度看，物理學中的重要思想——能量守恒定律講的是能量不可能憑空產生，也不可能憑空消失，它只能從一種形式轉化成另一種形式，那么，上升的一段液柱所帶來的重力勢能的增加是從何而來？由于漏斗內是蔗糖溶液，燒杯里是清水，即漏斗內的蔗糖溶液濃度始終高于燒杯中溶液，按照課本上的思路，水分子理應持續不斷的從燒杯中向漏斗中滲透，那么，水分子的運動究竟怎樣能夠達到平衡呢？

這些疑問說明學生并沒有真正理解滲透現象的科學原理，只是暫時記住了滲透作用發生的兩個條件，而對于為什么滿足了這兩個條件就會有液面升高沒有深刻的認識，也不能深刻地理解這兩個條件的意義。教材所隱含的大量教學資源也需要被挖掘，如對于物理滲透裝置中涉及到的能量、滲透壓等概念。只有當學生將新知識與原有的能量、壓強等知識結合起來，對這液柱進行深入的討論，上述隱藏在學生思維深處的困惑才會外顯出來，所以對這段上升液注的討論是突破現象看本質的鑰匙。

2 相關文獻探討

通過對中國知網收錄的相關文獻的查閱，共收集到三篇關于對該節內容教學策略進行探討的論文。① 汪忠教授（2006年）關于這一節教學的研究，建議通過演示實驗讓學生觀察現象，從現象中得出結論，實現從現象到結論的過程，并且改進實驗裝置，培養學生提出問題、設計實驗、進行實驗、得出結論的科學素養。② 劉小平（2011年）以杠桿平衡演示實驗為切入點，以問題為導向進行探究實驗，通過層層鋪墊、巧設“路標”引領學生自主提出問題、探究問題、獲得結論。③ 洪永清（2015年）提出通過觀察滲透現象，探究動物細胞在不同濃度溶液中形態發生變化的原因，實施“植物細胞的質壁分離和復原”實驗等教學過程，使學生在習得相關知識的同時領悟科學探究的一般過程和方法。這三種教學策略各有特點，教學目標都以領悟探究過程、培養探究能力為主，但都是局限在生物學這一范疇進行討論。這使得這一部分內容成為了知識海洋中的一個孤島，學生回憶起這一內容時，很難和其他學科知識建立聯系。

文獻查閱還可知有教師也發現學生對動態平衡機理產生疑惑，但對此的教學建議是用化學反應中的動態平衡原理來類比解釋，并沒有解答與該現象發生有關的能量的原理。這樣的教學處理易導致學生通過淺層表象來記憶，根本上沒有擺脫機械記憶的桎梏。只有當學生能夠從“滲透壓”與“能量轉化”關系這一知識層次解釋這一現象時，知識框架才會在學生腦子里建立起來，形成真正的科學知識體系。

2 基于跨學科教學角度的教學建議

2.1 理解“滲透”的科學過程

在科學術語中，擴散是指物質中的分子由高濃度向低濃度運動，直至均勻分布、達到動態平衡的現象。很多教師從擴散的概念出發，將水的運動方向總結為：水分子的運動是順著濃度梯度而流動。這一解釋并未觸及擴散的本質。無論是在氣體、液體或者是固體中，凡存在濃度差即存在能量，物質的擴散本質上是在能量的推動下進行的。人教版中關于滲透壓的定義是“所謂溶液滲透壓，簡單地說，是指溶液中溶質微粒對水的吸引力”，這一描述學生不容易理解。事實上，滲透壓是溶液的固有屬性，在數值上等于施加于濃溶液液面上的恰好能阻止滲透繼續發生的額外壓強。范托夫公式表示，在一定溫度下，溶液的滲透壓與單位體積溶液中所含不能通過半透膜的溶質的粒子數（分子數或離子數）成正比，而與溶質的本性無關。

典型的滲透裝置（圖1）中有三種狀態要注意分析。圖1a所示滲透作用剛開始，此時，漏斗內蔗糖溶液的滲透壓遠大于燒杯中的滲透壓。水分子進入漏斗的速率大于出來的速率，從而導致漏斗內液面升高，繼而升高的水柱產生的壓強越來越大，同時隨著水分子進入漏斗，漏斗內的溶液濃度降低，滲透壓降低。圖1b所示漏斗內滲透壓降低到與上升的水柱產生的壓強相等時，水分子進出漏斗的速率一致。此時漏斗內稀溶液的滲透壓等于漏斗中高出燒杯液面的液注產生的壓強，即1b圖中，漏斗內溶液的滲透壓的大小等于高度為h的水柱產生的壓強。如圖1c所示，也可以用一個外力來抵消滲透壓的作用，使水分子的運動達到平衡狀態。因此，以上三個圖示的分析，便能把滲透壓的概念量化成一定高度的水柱或者是一個固定大小的外力產生的壓強，便于學生理解。同時這個過程實現了由滲透壓產生的能量向水柱的重力勢能的轉化。

2.2 將科學過程轉化為教學過程

物理滲透裝置是整節課的開始，也是最直觀，最簡潔的展示科學過程的教學內容。如何在物理滲透裝置部分幫助學生理解科學過程是教學成敗的關鍵。建議教師以效果顯著的課堂實驗為開端輔以課件展示，以學生已有的生活經驗和知識為基礎，圍繞能量概念和原理鋪設問題、解釋滲透作用，引導學生用滲透作用解釋動植物細胞的吸水和失水，最終將復雜的生物新知識與學生已有的能量等物理知識相結合，從而幫助學生建構自身的知識體系。

第一環節：問題驅動引出“能量”本質。

教師利用自制的物理滲透裝置進行實驗。在此基礎上，教師依次拋出3個問題：實驗前后，實驗裝置都發生了哪些變化？驅使液面上升的力是什么力？能量不可能憑空產生，也不可能憑空消失，它只能從一種形式轉化成另一種形式，那么，上升的這一段液柱所帶來的重力勢能的增加從何而來？由于受到知識儲備的限制，高中生往往很難把濃度的改變和液注上升聯系起來。這就需要教師幫助學生突破限制，指出上升的液柱所產生的重力勢能來自于蔗糖溶液和清水之間的濃度差產生的能量，并且說明半透膜在這一過程中允許水分子通過，而不允許蔗糖分子通過，從而造成漏斗液面升高，引導學生嘗試利用物理學中的能量守恒的觀點對實驗現象進行總結和歸納。教師還可以通過概括的方式，在更多的科學事實下幫助學生得到一個觀點：凡存在濃度差，即存在能量，如香水分子在空氣中的傳播等。

第二環節：類比方法直觀認識“能量”。

教師通過課件的形式，幫助學生回顧以哺乳動物紅細胞為材料制備細胞膜的實驗。教師引導學生利用濃度差即為能量這一觀點分別解釋在低滲、高滲溶液中水分子發生滲透的方向以及紅細胞的行為變化，進而學生可以將其與物理滲透裝置進行類比，從細胞體積形態的變化，直觀感受能量帶來的細胞膜的伸縮運動。

第三環節：圍繞“能量”探究學習。

教師從生活現象入手進行提問，結合前面兩個實驗，引導學生提出問題：植物細胞吸水和失水是通過滲透作用完成的嗎？教師引導學生用物理概念和規律對植物細胞失水現象進行解釋，即做出假設的過程。教師要求學生結合成熟植物細胞的模式圖解生理解細胞壁、細胞質、液泡等結構在實驗中所起到的作用，以此為基礎，設計實驗，實施實驗，驗證假說，得出結論。這樣做的目的是使學生能夠剝離出非本質的因素，在成熟植物細胞這一特定的情景下利用概括性更大的原理解釋質壁分離與復原實驗。

4 反思

德國物理學家普朗克曾經說過：“科學是內在的統一體，它被分解為獨立的部門不是由于事物的本質，而是由于人類認識能力的局限性，實際上存在著從物理到化學，通過生物學和人類學到社會學的連續鏈條。”由于各學科內部自成體系，對同一問題的解釋常出現表達的不同，各學科教學中也常常出現知識重疊、知識點前后銜接不上、教學資源的浪費等。教學過程中，教師需要站在多學科的角度思考生物知識，運用學生熟悉的其他領域的知識解釋生物概念往往能取得意想不到的效果。

參考文獻：

[1] 陳維，汪忠.“物質跨膜運輸的實例—水分的跨膜運輸Ⅰ”的探究式教學[J].實驗教學與儀器，2006（05）：11-14.

[2] 劉小平.“物質跨膜運輸的實例”的教學突破[J].生物學教學，2011（03）：8-9.

[3] 洪永清.“物質跨膜運輸的實例”一節的探究式教學設計[J].生物學教學，2015（01）：29-31.