用創新實驗促進學生體驗概念形成過程
——“細胞膜的功能”教學研討

周 密 趙廣宇

（1成都市第七中學初中學校四川成都610041 2成都石室中學北湖校區四川成都610041）

1 設計思路

本節內容選自生物學（北師大版）7年級（上）第3章，旨在構建“細胞膜的功能”的重要概念后，為學生構建“細胞是生物體結構和功能的基本單位”這一核心概念奠定基礎。

本節教學首先引導學生對動、植物細胞進行觀察、拍攝、繪制，辨認動、植物細胞的基本結構，并比較它們在結構上的異同，由此直觀感知細胞膜結構的存在及其位置，激發學生對細胞膜功能的猜想。其次，指導學生完成“活細胞染色”探究實驗：作出假設、完成實驗、記錄現象、分析原因，以證明細胞膜具有“選擇透過性”的特點，進而歸納細胞膜具有“控制物質進出細胞”這一重要功能；再通過觀察“鮮花脫色”演示實驗，得出“活細胞才具有控制物質進出細胞的功能”；最后，通過觀看“中性紅染色較長時間”實驗微視頻，感悟“細胞膜控制物質進出細胞的功能有一定的限度”。學生借助多種實驗方式，在親身實踐與觀察過程中深度思考、逐步剖析；同時，借助數碼顯微鏡、平板電腦等現代信息技術，進行師生之間的互動交流；最終歸納形成“細胞膜的功能”的重要概念。

2 概念分析

《義務教育生物學課程標準》（2011年版）在“生物體的結構層次”提出的重要概念有“細胞是生物體結構和功能的基本單位”“動物細胞、植物細胞都有細胞膜、細胞質、細胞核和線粒體等結構，以進行生命活動”。本節課的重要概念為“細胞膜具有分隔和控制物質進出細胞的功能”。包括2條主要的次位概念，以及支撐每條次位概念理解的事實性知識：

A.細胞膜將細胞與外界環境分隔開。

A.1細胞由細胞膜所包裹，細胞膜將細胞與外界分開；

A.2細胞膜是相對獨立的結構，具有特定的功能。

B.細胞膜能夠控制物質進出細胞。

B.1有些物質可以通過細胞膜進出細胞，有些物質則不可以，因此細胞具有“選擇透過性”的特點，可以控制物質進出細胞；

B.2活細胞的細胞膜才能控制物質進出細胞；

B.3細胞膜“控制物質進出細胞”的功能有一定的限度，環境中部分有害物質仍能通過細胞膜進入細胞。

3 教學目標

1）知識目標：說出細胞膜具有“分隔”功能；說明細胞膜具有“控制物質進出細胞”的功能。

2）能力目標：完成“活細胞染色”實驗，描述實驗結果、分析實驗現象、得出實驗結論。

3）情感態度與價值觀目標：認同“細胞膜控制物質進出細胞功能有一定的局限性”。

4 教學重、難點

1）教學重點：細胞膜“控制物質進出細胞”的功能。

2）教學難點：細胞膜具有“選擇透過性”。

5 教學過程

5.1 回顧前概念，推測細胞膜功能教師播放學習細胞的各種視頻資料，特別是學生用顯微鏡觀察、用平板電腦拍攝的各種生物細胞微視頻，引導學生回憶細胞的基本結構，并利用學生拍攝的草履蟲細胞照片，辨認草履蟲的細胞膜、細胞質、細胞核等基本結構。

教師啟發學生思考：草履蟲細胞最外層的細胞膜有什么作用？為什么細胞膜具有保護作用？學生分析得出：細胞膜把細胞質、細胞核包在里面有保護作用，因為它把細胞與外界環境隔離開。

5.2 完成探究實驗，逐步構建概念

5.2.1 交流探討，推理分析細胞膜的功能教師追問：細胞膜將細胞與外界環境分隔開，就能實現保護作用嗎？學生對此問題感到困惑，無法回答。

此時，教師繪制草履蟲簡圖，并設置問題串：①草履蟲生存的營養物質從何而來，產生的代謝廢物到哪里去了？②營養物質進細胞、廢物出細胞需要通過什么結構？③外界環境中是否只有營養物質？細胞是否只從外界環境中獲取營養物質？

通過思考、討論，學生產生了認知沖突：草履蟲需要通過細胞膜從外界獲取營養物質，但并不需要外界的廢物，細胞產生的廢物需要排出，但又不能將有用的物質排出，如何解決這個矛盾？

教師鼓勵學生大膽猜想：細胞膜還有什么作用？學生想到了細胞膜的“過濾”作用，并作出解釋：細胞膜可以像篩子一樣，排出廢物時留下有用的東西；吸收營養時其他沒用的就留在了膜外。教師對學生的推測進行簡要概括：某些物質可以通過細胞膜，某些物質不可以，同時提出：如何驗證自己的猜測？

5.2.2 動手實踐，實驗驗證細胞膜的功能由于學生無法完成實驗的設計，教師通過提供實驗的材料用品：草履蟲培養液、0.1%的中性紅稀釋液、稀釋200倍的紅墨水稀釋液，以此啟發學生設計實驗的思路。

有學生提出：將草履蟲培養液滴在載玻片上，再將稀釋液滴入培養液，觀察草履蟲細胞顏色的變化，并進一步推理可能出現的3種情況：①2種稀釋液滴進去細胞都不變紅，可以證明草履蟲細胞膜能不讓某些物質進細胞；②2種稀釋液滴進去后細胞都變紅，只能證明這2種物質都能通過細胞膜；③滴加其中一種變紅而滴加另一種不變紅，這才能證明某些物質能夠通過細胞膜，某些則不可以。

在研討過程中，有學生通過教師的提示，補充設計：應該先觀察草履蟲原來的形態，再與染色后的形態做對照。最終完善了實驗方案。

教師提出了3點實驗要求：①制作染色前、后草履蟲細胞顏色對照圖作為實驗證據；②實驗結束后用清水將用過的培養液沖入回收杯，盡量保護草履蟲的生命；③各小組掃二維碼完成調查問卷，以便統計全班的實驗結果。

各小組按照分工完成分組實驗，并利用每組2臺數碼顯微鏡進行對照觀察。觀察到實驗現象后，學生利用平板電腦進行記錄、掃碼完成了實驗結果統計，并制作了染色前、后草履蟲細胞顏色對照圖。

5.2.3 深度思考，歸納概括細胞膜的功能教師請2組學生對觀察到的現象進行展示交流。第1組現場展示了制作的對照圖，并描述：“利用平板電腦在數碼顯微鏡的屏幕上拍攝了染色前和染色后的草履蟲照片，用Keynote軟件制作了對照圖。第1張是染色前草履蟲細胞圖片；第2張是滴加了中性紅的草履蟲細胞圖片，染色2 min左右變紅；第3張是滴加了紅墨水的草履蟲細胞圖片，染色5 min左右都未變紅?！保▓D略）

第2組描述的實驗結果：實驗分為2組，一組觀察中性紅染色情況，另一組觀察紅墨水染色情況。滴加中性紅的草履蟲可以變色，說明草履蟲可吸收中性紅；而紅墨水不能使草履蟲變色，說明草履蟲不能吸收紅墨水。”

教師現場展示了學生掃碼答問的結果：大多數組都觀察到了類似的現象，少數組不能確認。

針對實驗現象，教師引導學生分析其原因是：中性紅能夠通過細胞膜而紅墨水不可以。由此得出結論：某些物質能夠通過細胞膜，而某些則不可以。從而證實了實驗前的推測。

此時，教師點撥：某些物質能夠通過細胞膜，而某些不能通過的特點，稱為“選擇透過性”。選擇透過性對細胞有何意義？

有學生闡述：食物來源是困擾草履蟲的一個問題，當草履蟲的細胞膜有選擇透過性，就能從水中過濾食物、排出雜質，得以生存，細胞膜是一個“神器”。其他學生則用“限制”或者是“控制”“選擇”等詞匯，描述細胞膜在物質進、出細胞時發揮的作用。

教師指導學生通過閱讀教材，歸納、提煉得出：細胞膜具有控制物質進出細胞的功能。教師進一步總結：細胞膜的“分隔”功能將細胞與環境隔離開，變成獨立的部分；“控制物質進出細胞”功能，可使細胞和外界發生聯系。這對于細胞有什么意義？

學生討論得出：使細胞既與外界環境相對獨立又能與其發生聯系，很好地實現了保護作用。

通過討論交流，學生雖然用了不同的方式或不同的詞語表述細胞膜的功能，但已構建“細胞膜具有控制物質進出細胞的功能”這一重要概念，再聯系之前所得出的“細胞膜具有分隔的功能”，學生對細胞膜如何實現“保護作用”有了更深層次的理解。

5.3 拓展延伸，借助實證內化重要概念

5.3.1 觀察演示實驗，拓展重要概念教師演示鮮花脫色實驗：取非洲鳳仙的紅色花朵為材料，分別放入1號和2號燒杯，各自倒入50 mL清水浸沒。1號燒杯加熱，2號燒杯不做處理。請學生對照觀察2個燒杯中液體的顏色變化。在演示實驗的過程中，教師邀請1名學生利用平板電腦現場拍攝，并利用無線投影功能將畫面投射到互動電視，讓所有學生都能清晰地觀察到實驗過程的每個細節。

學生描述觀察到的現象“加熱后的花瓣褪色了，水變紅了”并解釋導致該現象的原因是“開水把細胞膜煮壞了，細胞內的色素流出”。在教師的繼續追問下，學生得出“完整的、有生命的細胞膜才具有控制物質進出的功能”的結論。

5.3.2 觀看實驗微視頻，深入理解概念教師展示用數碼顯微鏡記錄的微視頻：中性紅染色較長時間后與草履蟲細胞的變化。要求學生觀看后，描述實驗結果。

學生觀察到的結果：當中性紅進入草履蟲細胞較長時間后，細胞開始變形，由草鞋形逐漸變成橢圓形，之后，細胞膜破裂，細胞質等細胞內容物從破裂的地方流出。

學生分析其中的原因得出：活細胞染色實驗中，草履蟲的染色狀況及其細胞本身的變化，與草履蟲處于染色劑中的時間有關。

教師繼續引導學生歸納得出結論：細胞膜破裂，不僅是無用的物質，有用的物質也被排出。教師追問：中性紅對草履蟲細胞是有害的，為什么它還是能夠通過細胞膜？學生能夠回答“草履蟲的細胞膜還不能完全選擇有害或無害的物質”，最后歸納得出“細胞膜控制物質進出的功能有一定的限度”，并對“為什么要保護環境”有了更進一步的理解。

6 教學反思

6.1 創新設計教學實驗，學生充分感受事實本節課創造性地設計了“活細胞染色”這個學生探究實驗，學生在觀察到滴入中性紅稀釋液后草履蟲細胞逐漸變紅的現象后，學習的積極性被充分激發。同時，也感受到“中性紅能夠通過細胞膜進入細胞、而紅墨水不可以”的事實。教師還設計了演示實驗、學生拓展實驗等實踐活動，學生在親身體驗事實的基礎上，進一步探索概念所蘊含的豐富內涵，實現概念的自主構建，而不是僅僅記住表述概念的語言符號。

6.2 系統設計學習活動，體現概念的邏輯性完成實驗不是最終的目的，充分利用實驗幫助學生構建概念才是重點。因此，在本節課，教師引導學生在實驗前進行了推理假設，實驗后進行了現象描述、原因分析與結論概括，得出了“細胞膜具有選擇透過性”的特點，繼而再分析得出“細胞膜能夠控制物質進出細胞”這一重要概念。之后，利用“鮮花染色”實驗、《中性紅染色較長時間后細胞的變化》微視頻，幫助學生理解細胞膜控制物質進出細胞的功能還需要一定的前提條件、也有一定的局限性。這樣，將實驗與高階思維活動緊密結合，幫助學生精準構建重要概念。

6.3 充分利用現代技術，保證創新實驗實施在完成“活細胞染色”實驗時，使用了帶有顯示屏的數碼顯微鏡，學生可共同觀察細胞染色后的變化，避免了普通光學顯微鏡不能多人同時觀察的缺點；利用平板電腦拍攝功能記錄實驗結果，可讓記錄更快捷、生動；利用平板電腦中的軟件對拍攝的實驗現象照片進行編輯，能更直觀地呈現實驗證據；在問卷網上設置問卷，學生用平板電腦現場掃碼答卷，可快速統計所有小組的實驗結果，收集更多的實驗數據，讓實驗結果更具說服力；平板電腦無線投射功能則將“鮮花脫色”實驗過程同步投射到互動電視上，便于所有學生清晰觀察實驗現象……本節課，現代信息技術不是點綴，不是噱頭，而是很好地融合在了學習過程中，助力學生學習目標的順利達成。

［1］中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準（2011年版）.北京：北京師范大學出版社，2012.

［2］周密.平板電腦支持下的初中生物學實驗教學探究.生物學通報，2015，50（5）：37.