基于STEM教育理念的“滲透作用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

朱立偉 鄧鵬 丁娟

摘要充分借鑒STEM的教育理念，運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)滲透作用的條件和原理，理解微觀分子的跨膜運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生理性思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞滲透實(shí)驗(yàn) 滲透作用 實(shí)驗(yàn)教學(xué) STEM教育理念

“滲透作用”是人教版高中生物《必修卜分子與細(xì)胞》第四章第一節(jié)的內(nèi)容，在教材的“問題探討欄目中”利用實(shí)驗(yàn)裝置演示滲透作用現(xiàn)象，讓學(xué)生分析問題并認(rèn)識(shí)半透膜的作用，從而為進(jìn)一步講述“動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜和植物細(xì)胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜”打下基礎(chǔ)，這也是“細(xì)胞的物質(zhì)輸入與輸出”這一章的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

但在實(shí)際教學(xué)過程中，由于時(shí)間、儀器和經(jīng)費(fèi)等因素限制，教師往往通過動(dòng)畫演示、教材講解，說明滲透作用實(shí)驗(yàn)。學(xué)生無法從分子運(yùn)動(dòng)的角度上真正理解滲透作用的實(shí)質(zhì)，缺少現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的直觀體驗(yàn)，不利于培養(yǎng)科學(xué)思維。因此，借鑒美國相關(guān)STEM活動(dòng)教材，重新對“滲透實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了設(shè)計(jì)，注重實(shí)際操作的探究式學(xué)習(xí)，融合數(shù)學(xué)和科學(xué)課程，利用層層遞進(jìn)的相關(guān)活動(dòng)，幫助學(xué)生理解分子的微觀運(yùn)動(dòng)，深層理解“滲透作用”的內(nèi)在實(shí)質(zhì)，提高學(xué)生的理性分析和綜合運(yùn)用的能力，從而真正實(shí)現(xiàn)理性思維的培養(yǎng)。

1教學(xué)目標(biāo)

（1）理解滲透作用的條件；說明滲透作用的實(shí)質(zhì)；了解滲透原理的應(yīng)用。

（2）通過設(shè)計(jì)定性實(shí)驗(yàn)與定量實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)提出假設(shè)并驗(yàn)證的探究能力，培養(yǎng)比較、歸納以及對所持觀點(diǎn)的總結(jié)表達(dá)能力。

（3）通過學(xué)習(xí)“滲透實(shí)驗(yàn)”，培養(yǎng)微觀分子運(yùn)動(dòng)的科學(xué)意識(shí)；積累細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)，形成科學(xué)的世界觀。

2教學(xué)過程

2.1演示實(shí)驗(yàn)，問題導(dǎo)入新課

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“問題探討”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出問題：為什么漏斗液面會(huì)升高？使漏斗液面升高的水來自于哪里？教師利用問題，引導(dǎo)學(xué)生、思考初步建立分子跨膜運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的興趣。

2.2設(shè)計(jì)活動(dòng)，理解滲透作用的實(shí)質(zhì)和發(fā)生條件

活動(dòng)1：滲透實(shí)驗(yàn)裝置制作與現(xiàn)象。

①準(zhǔn)備以下物品：透析膜、塑料杯一個(gè)、漏斗一個(gè)、長線若干，制作如圖1所示的透析袋。

②準(zhǔn)備氯化鈉、葡萄糖和淀粉的混合溶液，在實(shí)驗(yàn)之前將混合溶液充分搖勻。

③用量筒量取40 mL的混合溶液，倒入透析袋中，并用電子天平稱重透析袋并記錄，精確到0.01 g。

④在塑料杯中倒入約3/4的蒸餾水（注意不要用自來水）。將透析袋浸泡在蒸餾水中，放置約20 min。

⑤引導(dǎo)學(xué)生思考：氯化鈉、葡萄糖、淀粉在袋內(nèi)與袋外，哪一側(cè)濃度高？

⑥從塑料杯中取出透析袋來檢測滲透現(xiàn)象并稱重。

⑦計(jì)算重量變化百分比，并記錄結(jié)果。

教師提出問題：哪種離子或分子跨膜轉(zhuǎn)移造成這種結(jié)果呢？針對上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，請?zhí)岢鲆粋€(gè)假設(shè)，如假設(shè)無機(jī)離子、葡萄糖和水都可以穿過透析膜，淀粉不能穿過透析膜。

設(shè)計(jì)意圖：活動(dòng)1要求學(xué)生利用透析技術(shù)完成氯化鈉、葡萄糖、淀粉和水的滲透過程。學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)踐，定量檢測透析袋的變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。教師利用問題，引發(fā)學(xué)生的深層次思考，培養(yǎng)學(xué)生提出假設(shè)的科學(xué)探究能力，加深學(xué)生對滲透作用的理解。

與傳統(tǒng)的定性判斷不同，微觀定量測定更有利于檢驗(yàn)活動(dòng)1提出的假設(shè)，更具說服力，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)倪w移學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生理性思維的深度和廣度，也有利于科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

活動(dòng)2：滲透實(shí)驗(yàn)的控制與檢測。

通過三組不同的測試實(shí)驗(yàn)來確定淀粉、氯化鈉和葡萄糖是否能夠穿越細(xì)胞膜。每組實(shí)驗(yàn)分別使用以下指示劑檢測，當(dāng)遇到淀粉、氯化鈉或葡萄糖時(shí)，指示劑會(huì)改變顏色：

①碘液檢測淀粉。向溶液中加入碘液，如果溶液中存在淀粉，碘將變藍(lán)。

②硝酸銀檢測氯離子。將硝酸銀加入含有氯離子的溶液中，深度由澄清變?yōu)闇啙帷?/p>

③班氏試劑檢測葡萄糖。如果溶液中含有葡萄糖，加入的班氏試劑將從翠藍(lán)變?yōu)榫G色、黃色、橙色或紅色。綠色代表葡萄糖含量最少，紅色則表示含量最多。

具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

①向一個(gè)大燒杯中加入1/3的自來水，加熱至沸騰。

②設(shè)置對照試管，按表1分別在試管上標(biāo)記。

③向1～3號試管中分別加入2 mL的NaC1溶液、淀粉溶液、葡萄糖，向標(biāo)記4～6號試管中分別加入加入2 mL塑料杯中的溶液。

④向標(biāo)記1、4號試管加入一滴管硝酸銀溶液。輕輕搖動(dòng)試管，混合均勻，觀察溶液顏色，在表1中記錄相應(yīng)結(jié)果。

⑤向標(biāo)記2、5號試管加一滿滴管碘溶液。輕輕搖動(dòng)試管，混合溶液，觀察溶液顏色，在表1中記錄相應(yīng)結(jié)果。

⑥向標(biāo)記3、6號試管加一滿滴管班氏試劑，混合溶液后將試管放入沸水浴中保溫，大約2min后從沸水中取出并放置在試管架上。觀察溶液顏色，在表1中記錄相應(yīng)結(jié)果。

⑦教師引導(dǎo)學(xué)生思考：

淀粉、葡萄糖、氯化鈉哪些物質(zhì)可以透過透析袋？

為什么不是所有的分子都可透過透析袋？活動(dòng)1提出的假設(shè)是否成立？

請根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和思考，建構(gòu)“滲透作用”生物學(xué)概念。

設(shè)計(jì)意圖：活動(dòng)2運(yùn)用碘液、硝酸銀溶液和班氏試劑檢驗(yàn)與淀粉氯離子、鈉離子、葡萄糖是否能夠穿過透析膜，現(xiàn)象明顯，說服力強(qiáng)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對微觀分子運(yùn)動(dòng)的理解。另外，活動(dòng)中還通過設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.3拓展延伸，思考滲透原理在生命現(xiàn)象中的應(yīng)用

教師請學(xué)生根據(jù)所學(xué)的滲透作用原理，回答最初的問題：為什么漏斗液面會(huì)升高？使漏斗液面升高的水來自于哪里？學(xué)生在課后繼續(xù)探究細(xì)胞的吸水和失水等相關(guān)知識(shí)，研究細(xì)胞膜物質(zhì)運(yùn)輸?shù)倪^程，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和收集信息的能力，尋找影響因素，完成調(diào)查報(bào)告。

3教學(xué)反思

教學(xué)以解決問題“分子如何跨膜運(yùn)動(dòng)”為目的，教師運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)以及相關(guān)技術(shù)，通過定量檢測和科學(xué)探究相結(jié)合，幫助學(xué)生不斷深入建構(gòu)“分子跨膜運(yùn)動(dòng)”的相關(guān)概念，并利用相關(guān)練習(xí)和問題引導(dǎo)學(xué)生對活動(dòng)過程進(jìn)行評價(jià)和反思，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、歸納概括。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)層層遞進(jìn)，讓學(xué)生親自經(jīng)歷知識(shí)的形成過程，使學(xué)生直觀形象地理解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)過程，有利于學(xué)生正確建構(gòu)滲透原理的概念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念和理性思維。整個(gè)教學(xué)過程充分體現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)觀念，讓每個(gè)學(xué)生都積極主動(dòng)地參與其中，實(shí)現(xiàn)了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效性。