模擬探究“細胞體積與表面積的關系”教學組織*

關芬芬 （泉州市培元中學 福建泉州 362000）

學習生物學的目的在于認識自然，把握自然。在探索復雜多變的自然界時，可以遵循由簡到繁、先易后難、循序漸進、逐步深入的原則。當研究對象不允許做實驗材料時，可以設計使用替代物，人們因此創建了模型法。北師大版生物學7年級上冊的“細胞通過分裂而增殖”是初中生物學課堂教學中典型的模型教學課例，在解決“細胞體積為什么這么小”這一復雜問題時，可采取以物理模型教學法為主的多種教學方法。

1 教學任務及學情分析

通過前一節的學習，學生已具備細胞體積小的知識。預測學生提出“細胞為什么那么小”的可能性很低。本節的教學目標是學生能解釋細胞為什么小的原因和認識細胞保持較小體積的意義。7年級學生在微觀思維方面是比較弱的，目前只能運用低倍鏡觀察細胞；了解細胞的基本結構；認識細胞是有活力的、是生命活動的基本單位。此外，在“探究影響鼠婦分布的環境因素”活動中，學生初步學會了探究活動的一般步驟，具備了一定的實驗探究能力。因此，對學情的分析除普遍性的了解外，還應關注學生實際探究能力的水平。這些是學生學習的起點狀態，教師只有充分了解后，才能設計相應的策略，盡可能地實現預設的教學目標。

本節設計以模擬探究實驗活動的形式貫穿整個知識點，如圖1。

針對學生可能在提出問題和做出假設這2個環節中存在困難，可以設計安排2名體型差異較大的學生上講臺，形成明顯的視覺沖擊。幫助學生形成:細胞體積為什么??？再引導學生，經過小組討論，形成假設：當總體積相等時，細胞體積越小，數量增多，越有利于細胞與外界進行物質交換。當作出合理的假設后，學生就有設計實驗方案的方向。通過借助教材，小組合作，教師及時引導，按步驟完成探究實驗，最后得出結論。有了實際的感性認識后，進一步運用物理模型的方式論證，最終達到預設目標，學生嘗試將知識點從客觀事實上升到理論認識的層面。此外，設計一些簡單的課前問題，充分調動學生的積極性，學生學習的意愿會比較強烈，這也是保證達到預設目標的支持條件。

圖1 知識結構分析

2 教學目標

1）知識目標：解釋細胞保持較小體積的原因。

2）能力目標：①嘗試通過使用物理模型方法進行生物學的研究；②通過體驗完整的探究活動，提升科學探究能力；③學會設計實驗記錄表格、分析實驗數據和現象，得出結論。

3）情感態度與價值觀目標：①體驗小組合作學習的快樂；②體驗通過模型和分析數據進行科學研究的方法，形成嚴謹的科學態度。

3 教學重點與難點分析

1）教學重點：探究細胞為什么保持較小的體積。

2）教學難點：探究活動中提出問題和作出假設等步驟。

4 教學過程

4.1 導入新課 本節課為借班上課，正式上課前，教師設計了幾道與正方體的面積和體積有關的計算，學生都能順利完成，很快拉近了師生關系，學生帶著自信和熱情進入生物學課堂。教師以壁虎斷尾后的變化為例，啟發學生從細胞水平上思考該問題，并分析原因。學生依據自己的知識儲備，回答了幾種可能：

①壁虎會重新再長出一條新的尾巴；②壁虎新長的尾巴是由細胞構成的；③這些新的細胞是由壁虎身上的某些細胞產生的，細胞出現數量上的增多。

4.2 設置情境 教師邀請2位體型差異較大的學生（學生A是全班體型最高大的，學生B是全班體型最弱小的）到講臺前。引導學生思考，從細胞層面上分析2位學生出現體型差異巨大的原因。學生做出直觀回答，存在爭議，也提出了觀點：

①學生A體型大，體內細胞的體積比較大；學生B體型小，體內細胞的體積比較??；②學生有不同的觀點：學生A和學生B的體內細胞體積應該差別不大。只是學生A體內的細胞總數比較多；③科學數據支持2號學生，例如：一個新生兒的體內大約有 1012個細胞，其父大約有1014個細胞，而成人的細胞體積并沒有比兒童的細胞體積大多少；④細胞是不能一直長大的；⑤為什么細胞不能無限長大？

教師從學生熟悉的2位同伴入手分析，容易激起學生的學習興趣。改良了教材中以大象和小鼠比較的例子，更具有趣味性和吸引力，從而引入第1個探究活動。教材中原有的第1個活動屬于純數學計算，學生在進行計算的時候并不能形象地感受到所進行的計算活動與生物學存在著怎樣的關系。教師通過對教材的理解適當進行調整，將主要精力放在開展第2個活動，并提到前面完成。

4.3 活動1：研究細胞大小與物質擴散的關系

教師介紹了生物學研究的一種方法：模型法（對有困難或不允許作為實際實驗的研究對象，可通過設計或尋找其“替代物”即模型，并通過對模型的模擬實驗，以獲取研究對象的信息和資料）。

4.3.1 提出問題，做出假設 安排學生回顧探究實驗的步驟。引導學生形成假設：當總體積相等時，細胞體積越小，數量增多，越有利于細胞與外界進行物質交換。對7年級學生來說這是難點，突破難點的關鍵是如何讓問題直觀化，可以采取更多甚至明確的指導。將2塊大小一樣的馬鈴薯塊作為實驗材料，比用一大一小的馬鈴薯塊做材料更直觀，也降低了做出假設的難度。

4.3.2 分組討論，設計實驗方案，設計數據記錄表

教師巡視，查看各組的討論情況，解答學生的問題，學生形成方案后組織交流。

A組學生的實驗：①取2塊邊長為4 cm的馬鈴薯立方體為實驗材料，將其中一塊馬鈴薯切成邊長為2 cm的立方體，共有8塊。另一塊馬鈴薯作為對照。②分別將2份馬鈴薯塊放入燒杯中，加入紅墨水浸沒。③10 min后，用勺子取出馬鈴薯塊，放在紙巾上，用紙巾吸取表面的紅墨水。④分別取出邊長不同的馬鈴薯塊，用刀對半切開。觀察并用直尺測量每塊馬鈴薯上紅墨水的擴散深度，并記錄測量結果，如表1。

表1 活動1記錄表

B組學生與A組學生的方案相似，但表格設計比較簡單，教師建議使用A組設計的表格。在藥品選擇中，B組依據淀粉遇到碘液能顯藍色的原理，將馬鈴薯塊浸沒在碘液中，觀察實驗效果。教師肯定了B組的設計方案，鼓勵學生在做探究實驗的過程中，開拓思路，運用原來掌握的知識設計實驗方案，即使失敗了，也會有一定的收獲。

C組學生認同A組的實驗方案。學生討論時發現，該實驗使用的方法跟數學計算聯系緊密，期待能得出數據，用科學的數據論證假設。

教師組織學生進行討論，形成假設。引導學生運用物理模型切割方法，借助馬鈴薯塊的染色設計實驗過程。重點在于表格的設計，通過表格記錄測量結果，形成直觀對比。

4.3.3 實施實驗 教師根據學生討論，合理安排任務，各小組依據制定的方案進行實驗。實驗臺上提供了自助餐式的實驗用品，學生可以根據需要自選材料。在實驗過程中，做好數據的測量和記錄，嘗試通過分析數據，驗證假設，并推導實驗結論（控制時間）。

4.3.4 實驗結束，教師組織交流

D組學生，以邊長為2 cm的馬鈴薯塊為材料，將實際測量結果記錄，如表2。

表2 活動1記錄表

4.3.5 得出結論

①體積大的馬鈴薯被著色的總體積（較小）。

②體積小的馬鈴薯被著色的總體積（較大）。

實驗結論驗證了小組的假設：當總體積相等時，細胞體積越小，數量增多，越有利于細胞與外界進行物質交換。

教師安排其他小組學生匯報情況。

B組學生選用的馬鈴薯塊邊長4 cm，用碘液染色，發現碘液擴散的速度較快，用刀對切時，刀片上沾著的碘液迅速將切面的馬鈴薯染色，造成實驗數據測量不準確，無法得出相關結論。

E組學生與D組的實驗材料大小選擇不一樣，但是實驗結果是一致的，也支持假設。

學生親自完成實驗的操作過程，增加了很多趣味性，學生時刻關注著實驗的進行。教師引導學生將切好的、大小均等的8塊小馬鈴薯塊和1塊總體積相等的大馬鈴薯塊同時浸泡在紅墨水中。在等待紅墨水擴散的時候，先通過計算，從理論上計算出作為對照的2塊馬鈴薯被染色的體積不一樣。能得出被切成小塊的那組馬鈴薯被染色的總體積較大，實驗結果與預期結果一致。其中一個小組依據淀粉遇到碘液會變藍的原理，將馬鈴薯浸沒在碘液中。在平均切成對半時，刀面上會沾有外層的少量碘液，造成將切面的馬鈴薯染色，無法測量實際擴散的數據，建議重做實驗。

學生通過實驗，將原來比較微觀抽象的內容，用模型的方法直觀化。從各組學生的表達中發現，除B組學生外，其他小組的實驗結論是一致的。引入下一個問題，為什么細胞體積越小，數量增多，細胞與外界的物質交換就越多？

4.4 活動2：研究細胞體積與表面積的關系

學生提出問題：物質交換的多少，跟細胞與外界的接觸面積有關嗎？

教師解釋，細胞與外界進行物質交換，與細胞能跟外界接觸的面積有關，且接觸面積越大，交換的物質就越多。啟發學生借用物理模型的方法，得出體積與表面積的關系。提示參考教材第49頁的活動。

C組學生舉例說明，取邊長分別是1 cm、2 cm、3 cm、4 cm的正方體，依據教材提供的表格（如表3）進行計算。

表3 活動2記錄表

教師鼓勵學生，打開思路，設計其他方案。B組學生使用了活動1的實驗材料，驗證當總體積相等時，細胞體積越小，數量增多，細胞膜總表面積就越大。將計算結果填入表格，如表4。

表4 活動2記錄表

通過計算，得出結論：當總體積相等時，細胞體積越小，數量增多，細胞膜總表面積就越大。所以細胞需要保持較小體積，相對表面積就較大，更易于保證細胞與外界進行物質交換，才能保證細胞正常的生命活動。

教師評價B組學生，雖然在第1個實驗中沒有取得預期效果，但善于思考，探究能力也很強，樂于尋找一些新材料、新方法等，具有很好的創新意識，值得學習。通過2個活動，運用物理模型的方法，解決了生物學中的一個問題，即細胞體積為什么這么小。同時也啟發學生，在今后的學習中，遇到困難時，要開拓思路，借助其他學科的能力解決生物學科的問題。

通過以實物模型為載體，將微觀知識直觀化、形象化，學生體驗到收獲知識和提高能力的樂趣，這是模型教學最大的優點。本節內容的設計涵蓋了模擬探究實驗和物理建模活動，有一定的特色，課堂靈動而有樂趣，學生踴躍參與活動，有效驅動教學目標的順利完成。當學生完成第1個活動后，已經構建了細胞體積越小，細胞與外界進行的物質交換反而越多的事實，解決了細胞為什么小的問題。若時間緊張，可省略第2個活動，以節省時間。當然本節的課堂生成亮點卻是在第2個活動中，學生并沒有單純地使用教材內容，而是有自己的考慮。其中有一組，借用第1個活動的材料，雖然他們的第1個實驗活動是失敗的，但不影響他們積極思考、探索，最后取得意外的收獲。這與平時教師在處理教材時，經?；钣靡恍┙滩膬热莺蛯嶒灢牧鲜怯嘘P系的。因此在日常的教學中，潛移默化培養學生的創新意識，能收到意想不到的效果。

［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，2012:19．

［2］何嘉媛,劉恩山．論證探究式教學模型及其在理科教學中的應用．生物學通報，2012,47（10）：27．

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