基于生物學學科核心素養的教學設計

許高云 楊興富

摘要：通過“現象一假說一證據一結論”的邏輯過程進行探究性教學活動，意在促進學生思考，培養學生的生命觀念、科學思維及社會責任生物學學科核心素養。

關鍵詞：假說;證據;建模;核心素養

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

1教材分析及設計思路

“細胞的物質輸入和輸出”選自人教社2019版高中生物學《必修1.分子與細胞》第四章，由兩節組成——第一節“被動運輸”、第二節“主動運輸和胞吞、胞吐”。本章在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）中的要求有“說明物質進出細胞的方式”，所以本節對第四章的教學內容進行了優化，重點講解物質進出細胞的方式。《新課標》的要求中“說明”的涵義是構建某一系統的因果模型。要求中的“物質”有水、離子、小分子、大分子和顆粒性物質等。要求中的“進出細胞的方式”主要有：①小分子和離子進出細胞的方式，包括被動運輸（即自由擴散、協助擴散）和主動運輸;②大分子和顆粒性物質進出細胞的方式，包括胞吞和胞吐。教學重點是3種物質跨膜運輸方式的特點，難點是用膜轉運蛋白的空間結構特點說明生物膜的選擇透過性。

2教學目標

①通過資料分析和問題探討，說明3種物質跨膜運輸方式及其特點，初步形成“結構與功能相適應”的生命觀念，培養獲取信息及歸納與概括、邏輯推理等科學思維。

②通過繪制概念圖以及建構數學模型等活動，掌握自由擴散、協助擴散、主動運輸的異同。

③學習我國科學家研究葡萄糖轉運蛋白的結構，來領悟科研對人們健康生活的意義，增強社會責任。

3教學過程

3.1創設情境，導入新課

教師播放一則科技新聞視頻“我國生命科學領域取得世界級成果：首次揭示葡萄糖轉運蛋白結構”，請學生描述新聞的主要內容，并提出問題：葡萄糖通過葡萄糖轉運蛋白跨過細胞膜的方式是什么？H2O、O2、氨基酸等其他物質又是怎樣跨膜運輸的？引入本節課的學習。

3.2物質跨膜運輸的研究

教師提出問題：怎樣對物質的跨膜運輸進行研究的？

3.2.1分析現象，提出假說

教師展示人工脂雙層對物質的通透性的圖片（圖1），介紹人工膜，并提出問題引導學生思考：分析圖1，O2、CO2、甘油是怎么通過人工膜的？你能作出什么假說？學生提出假說：O2、CO2、甘油能全部通過人工膜。教師及時引導學生歸納出“自由擴散”概念，填寫表1中現象和假說的相關內容。

教師提出問題：什么樣的物質可以通過自由擴散進行跨膜運輸？引導學生總結得出：小分子（易穿過間隙）、脂溶性物質（易溶于磷脂分子中）。教師追問：這反映了什么樣的生物學觀念？學生回答：結構與功能相適應。

設計意圖：從3種具體物質跨膜的運輸中尋找其共性，這里運用的是歸納法，培養了學生科學思維的核心素養。教師通過引導學生分析小分子、脂溶性物質能按自由擴散方式進行跨膜運輸，對學生進行了“結構與功能相適應”的觀念教育。

3.2.2提供證據，得出結論

教師出示生物膜和人工膜對不同物質通透性的曲線圖（圖2），提供證據，引導學生思考：從圖中，能看出什么信息？學生觀察圖2發現，O2、CO2、甘油等物質通過人工膜與生物膜的通透性相同。教師提問：這能不能證明它們的跨膜方式是“自由擴散”？引導學生總結得出，O2、CO2、甘油等這些分子能直接通過磷脂雙分子層進入細胞，從膜的一側擴散到另一側，這種跨膜運輸稱為自由擴散，講解自由擴散的概念。自由擴散的動力來自物質的濃度差，擴散方向是從高濃度向低濃度擴散。體會這種運輸方式對細胞的意義。在學習過程中完成表1中關于證據、結論和意義有關內容的填寫。

設計意圖：培養學生運用證據和邏輯作出判斷的科學精神，以及歸納與概括、推理等科學思維能力。

3.2.3水分子、葡萄糖、離子等物質跨膜運輸的研究

教師分別按照上述兩個環節開展水分子、葡萄糖、離子等物質跨膜運輸的研究。在水分子跨膜運輸研究教學中，學生根據圖1現象，提出的假說是“自由擴散”及“協助擴散”。假說提出后，教師及時引導學生總結出“協助擴散”的概念。師生共同總結“協助擴散”的特點，分析“自由擴散”與“協助擴散”的異同點。

教師補充：根據相同點，把這2種方式又統稱為“被動運輸”。接著進行“證據”及“結論”部分教學，再次展示圖2，并提供資料：

在動物腎臟內，水分子的跨膜運輸速率遠大于自由擴散的速率。之后，類似結果不時公之于眾，直到1988年美國科學家阿格雷（P.Agre）才成功地將構成水通道的蛋白質分離出來，他在分離純化紅細胞膜上的蛋白質時，發現了一個疏水性跨膜蛋白稱為AQPl。阿格雷將含有AQPl蛋白和不含此蛋白的細胞進行了對比實驗。當將這2種細胞放在同一種水溶液中時，膜中含有AQPl蛋白的細胞通過滲透作用不斷吸收水分而發生腫脹，不含該蛋白的細胞則沒有變化。由此看來，水分子的跨膜運輸有2種形式：自由擴散和協助擴散。水分子更多的是借助細胞膜上的水通道蛋白以協助方式進出細胞。如尿液形成過程中水分進入腎臟細胞，正常成年人每天產生的原尿約為180L，最終只有約1.5L的尿液排出。其他的水去哪兒了？被腎小管細胞吸收進入血液了。該過程需要水分子大量、快速通過細胞膜進入腎臟細胞，自由擴散的運輸速率遠不能滿足生命活動的需要，而協助擴散能提高水的轉運速率。可見，水的2種跨膜運輸方式是細胞適應不同狀況的需要。

教師提出水通道蛋白及運轉機理，促進學生形成“結構與功能相適應”觀念。

在分析“被動運輸”的意義時，教師提出問題：這種運輸方式有何不足呢？學生回答：只能從高濃度一側運往低濃度一側，細胞很“被動”。教師追問：細胞能不能主動從外界獲取物質呢？接著，按照“現象——假說——證據——結論”的邏輯過程進行有關“葡萄糖、離子跨膜運輸的研究”的教學，最終完成表1的填寫。根據圖2提供的證據，學生提出離子的運輸是“自由擴散”和“主動運輸”的假說是完全符合邏輯推理的，教師應該給與大力表揚與鼓勵（因為這種觀點與教材有出入），培養學生實事求是、大膽質疑的科學精神。

在教學過程中，教師提供哺乳動物細胞2種離子在細胞內外濃度的有關數據（表2），可以更有力地使學生明確“主動運輸”的存在及意義。教師引導學生歸納主動運輸及特點、與被動運輸的異同點，使學生理解主動運輸和被動運輸都屬于“跨膜運輸”，轉運的物質一般是小分子、離子等內容。然后，教師追問：“主動運輸”的機理是怎樣的？提供關于載體蛋白的結構、運轉機理的圖片（圖3）或視頻，促進學生建立體現“結構與功能相適應”觀念。

設計意圖：學生了解了物質跨膜運輸方式的研究方法，觀察到實驗結果，并通過2種膜的通透性數據圖表，將定性與定量證據結合在一起，真實地觸摸到實證，通過歸納、推理、概括等科學方法的訓練，培養了科學思維。學生認識到2種膜在物質通透方面確實存在差異，進而學習通道蛋白與載體蛋白的運轉機理，依據結構與功能的適應性提出假說：部分水分子、葡萄糖、離子的跨膜運輸需要蛋白質的協助。

3.2.4觀看動畫，描述模式圖

教師播放胞吞和胞吐的動畫過程，提出問題：小分子、離子一般是通過跨膜運輸方式進行轉運的，而大分子、顆粒狀物質又是怎樣運輸的？學生閱讀教材中有關內容，概括胞吞和胞吐運輸方式的共同點。教師引出膜泡運輸的概念，引導學生比較跨膜運輸和膜泡運輸，自主建構概念。

3.2.5梳理概念總結歸納

教師創設情境：你能選擇一種標準對3種方式進行分類嗎？師生共同根據是否需要載體、物質運輸的濃度方向、是否耗能等條件對物質跨膜運輸方式進行總結（圖4）。

3.2.6模型建構

教師展示細胞膜的流動鑲嵌模型示意圖，引導學生開展物理模型建構活動：在圖中畫出CO2出細胞、葡萄糖（G）進出紅細胞、K⁺進或出細胞時跨膜運輸的過程示意圖，可借助必要的箭頭和文字說明（圖5）。

教師引導學生在坐標曲線中描述3種運輸方式與運輸速率之間的關系，開展數學模型建構的活動。對協助擴散與主動運輸存在的“飽和效應”，教師按照“系統論”的思想提出：細胞與其他系統一樣，內部也是由各種組分組成的，各組分之間相互作用、相互調節。這樣最終實現物質能量的“平衡與穩態”，完成“生命觀念”中“平衡與穩態”觀的教學目標。

4教學反思

（1）基于學科核心素養的教學要尊重事實。生命是復雜的，事實遠比教材呈現給學生的內容復雜得多。例如，對水的跨膜運輸方式，教材中只提到了自由擴散，事實上協助擴散能實現水的大量轉運。再如，協助擴散過程中除載體蛋白外，還有通道蛋白。生物學教師要尊重事實，思考為學生提供什么樣的實證資料。學生在學習中，不能只是獲悉生物學結論性的知識，更應該學會在真實復雜的情境中作出正確判斷，從而對生命現象、生命規律有科學的認識，樹立正確的生命觀念。

（2）基于學科核心素養的的課堂要創設民主、和諧、開放的課堂氛圍，喚醒學生沉寂而僵化的思維，鼓勵學生獨立思考。例如，在出示人工膜與生物膜物質通透性圖示后，教師的問題是“你從圖中得出什么信息”，而不是指向性更明確的“生物膜的通透性與人工膜有什么不同”。這種開放性問題能促使學生仔細觀察圖表，盡可能多地獲得圖中信息，從而全面深入地分析問題。