發展科學思維的問題探究式教學案例分析

孟凡龍

摘要 基于生活情境，構建模型，不斷設計問題串深入分析動植物細胞的滲透本質，并通過設計探究實驗激發學習興趣，培養科學思維，提升科學素養。

關鍵詞 科學思維 探究教學 跨膜運輸

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物學核心素養中提出的科學思維表述為“崇尚并形成科學思維的習慣；能夠運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法探討生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題”。科學思維是一種思維的范式，需要思維者巧妙地管理思維結構，使用理智的標準，充分運用邏輯并精心權衡事實，以提高思維的質量，是自主、自律、自我監控和自我糾正的思維。對科學現象的分析理解、實現科學概念的轉變是建立在科學思維能力之上的，發展學生的科學思維顯得格外重要。

“物質跨膜運輸的實例”是人教版高中生物第四章第一節的內容，包括“細胞的吸水和失水”“物質跨膜運輸的其他實例”和探究實驗“植物細胞的吸水和失水”三部分內容。教學重點是簡述細胞是一個滲透系統，教學難點是探究植物細胞的吸水和失水實驗。下面嘗試以“觀察現象——提出問題——分析現象——得出結論”的探究式教學為主線，通過構建物理模型來突破教學重點；引導學生設計實驗流程，歸納科學探究的一般過程來突破教學難點。

1基于生活情境，構建滲透模型

雞蛋是人們生活中常食用的營養價值很高的食物之一。教師呈現兩幅以新鮮雞蛋為實驗材料的家庭實驗圖：實驗組是用鑷子輕輕地在新鮮雞蛋的鈍端氣室處敲破蛋殼形成小洞，但不破壞殼膜，將其放置在一個碗中，倒入適量能夠淹沒雞蛋的自來水；對照組是將一個同樣規格的正常雞蛋，放置在盛有等量自來水的碗中。一段時間后觀察兩只碗中的雞蛋。教師首先請一位學生根據生活經驗預測實驗現象，并解釋原因。接著教師呈現實驗結果圖片，引導學生分析原因。學生一般都能理解水分子進入雞蛋內導致殼膜破裂。教師可建議學生可以在家中嘗試重復該實驗。此時，教師引導學生提出問題：

①雞蛋內的水分是否會流出來呢？

②如何利用現有實驗材料進一步設計實驗來研究殼膜兩側的水分子流動情況呢？

教師引導學生在雞蛋殼的小洞處用鑷子將殼膜輕輕地取出，保持其完整性；然后，用完整的殼膜包裹住小型普通漏斗口處，并用細線扎緊，將其倒置固定在一燒杯的下部（不要接觸燒杯底部），用來研究水分子進出殼膜的方式。教師提出探究性的問題：

①如何設計實驗來研究水分子進出殼膜的方式？

②倒置漏斗中溶液的液面變化怎樣才能看得更清楚？

③倒置漏斗中的溶液濃度與燒杯中的溶液濃度大小如何設計？應該設計幾組？

④殼膜兩側溶液的液面沒有發生變化的可能原因有哪些？

通過學生設計分析實驗、教師演示實驗及動畫展示，并提出研究性問題：

①倒置漏斗中液面上升的速度如何變化？

②隨著漏斗中液面的上升，漏斗內溶液的濃度如何變化？

③殼膜兩側溶液的濃度差如何變化？

④滲透平衡時殼膜兩側有水分子的移動嗎？膜兩側溶液濃度相等嗎？教師通過問題串來引導學生深入理解殼膜兩側液面變化的原因。師生一起總結出發生滲透作用的條件，教師適當介紹半透膜的知識。

同時教師指出理解誤區：滲透系統的溶液濃度指物質的量濃度而非質量濃度，實質是指滲透壓，如質量分數為10%的葡萄糖溶液和質量分數為10%的蔗糖溶液的質量濃度相等，但質量分數為10%的蔗糖溶液的滲透壓小，故水可通過半透膜由蔗糖向葡萄糖溶液移動。

2繪制物理模型，剖析滲透細胞

能夠發生滲透現象的細胞稱為滲透細胞，一般的動植物細胞都是滲透細胞，那么選擇什么樣的動植物細胞有利于觀察細胞的滲透現象呢？

2.1動物細胞的滲透現象

根據取材便捷、有顏色易觀察、細胞分散、易受環境溶液影響等的實驗材料特點，學生很容易想到哺乳動物成熟的紅細胞。教師呈現豬成熟紅細胞的圖片，提出探究性的問題：如何設計實驗來探究豬成熟紅細胞的滲透現象？設計實驗時教師引導學生注意實驗的對照原則，如顯微鏡觀察的次數、不同的外界溶液；實驗步驟中如何使豬成熟紅細胞浸潤在不同的溶液中。

教師呈現豬成熟紅細胞在不同溶液中的3種滲透現象圖，引導學生分析動物細胞發生滲透作用的條件，并要求學生嘗試繪制水分子進出細胞的物理模型圖。教師可以繪制細胞在等滲外界溶液中的水分子進出細胞物理模型圖，請學生參考后繪制另外兩種模型圖，并提醒學生可以用箭頭的長度、粗細、數量等不同的方式來表示水分子進出細胞的多少。教師引導學生進一步理解哺乳動物要維持生命活動的正常進行，就需要通過神經-體液-免疫網絡來調節細胞外液的理化性質，保持內環境的穩態。

2.2植物細胞的滲透現象

參考研究動物細胞滲透作用的實驗材料，教師引導學生采用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞來研究植物細胞的滲透現象。學生自主繪制紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞的基本結構。教師適當修正后，引導學生預測該細胞在3種不同濃度的外界溶液中可能發生的實驗現象。然后，教師播放動畫演示植物細胞的失水過程，引導學生分析：植物細胞壁的伸縮性很小，而細胞膜、液泡膜和兩者之間的細胞質都有很強的伸縮性，細胞失水時收縮明顯，且非常薄，一般將這些結構當做一個半透膜，稱為原生質層。教師適時引導學生觀察正常植物細胞的原生質層。學生自主繪制發生質壁分離的紫色洋蔥外表皮細胞，并標注主要結構。

當細胞不斷失水時，原生質層就會與細胞壁逐漸分離開來，即發生了質壁分離現象。教師引導學生一起總結：

①什么樣的細胞才能發生質壁分離？原核細胞，如細菌會發生質壁分離嗎？

②細胞發生質壁分離的內在條件和外界因素有哪些？

③細胞發生質壁分離過程中液泡體積、液泡顏色、細胞液濃度分別會發生怎樣變化？

④發生質壁分離的細胞如何才能復原到正常狀態？

教師及時呈現圖1，師生一起分析植物細胞質壁分離及其復原實驗的流程、操作注意事項。接著教師提出探究性問題：

①若質壁分離的細胞無法發生復原，可能的原因有哪些？

②若實驗材料改用無色的洋蔥內表皮細胞，可以發生質壁分離嗎？顯微鏡下能看到質壁分離的動態過程嗎？如何處理才能看到呢？

教師引導學生發散思維、設計探究實驗，發展學生的科學思維。

3把握滲透本質，設計拓展實驗

在學生對植物細胞質壁分離及其復原實驗深入理解的基礎上，教師引導學生設計探究實驗，用不同濃度的蔗糖溶液、顯微鏡、不同品種的洋蔥鱗莖、刀片、鑷子、滴管、載玻片、蓋玻片、吸水紙等儀器材料，設計實驗方案探究下列問題：

①判斷某成熟洋蔥細胞是否是活細胞；

②測定洋蔥某細胞中細胞液濃度范圍；

③比較不同品種成熟洋蔥細胞的細胞液濃度大小；

④鑒別KN03溶液和蔗糖溶液。

在學生設計實驗、分析實驗、預測結果、表達交流各個環節中，教師引導學生完善實驗設計思想、理念和原則，進而使學生構建實驗設計的一般范式，提升學生的核心素養。

教師總結：當外界溶液的濃度大于細胞液的濃度，細胞就失水，由于原生質層的伸縮性大于細胞壁，原生質層就與細胞壁分離，即發生質壁分離；出現質壁分離的細胞，如果外界溶液的濃度小于細胞液，細胞就吸水，即發生質壁分離復原。那么是不是所有的物質都像水分子一樣順濃度梯度運輸呢？

教師呈現資料：水稻和番茄分別在含Ca²⁺、Mg²⁺、Si⁴⁺培養液中培養，一段時間后培養液中離子濃度的變化圖。教師提出問題：

①番茄、水稻對這三種離子的吸收與對水分子的吸收有關系嗎？

②這些物質的運輸也是順相對含量梯度嗎？

③從該資料中你能得出什么結論？

教師聯系學生的生活，提出問題：細胞是一個滲透系統，在生活中能夠發生很多滲透現象，如糖漬番茄、鹽漬黃瓜、清水浸泡蔬菜、過量施肥使農作物“燒苗”、海帶中碘含量較多等，請用本節課學過的相關知識解釋這些現象。這些案例體現了生物膜的重要功能特性，即細胞膜和其他生物膜都是選擇透過性膜，水分子、一些離子和小分子可以通過，而其他的離子、小分子和大分子則不能通過。