主題式實驗讓模型構建“格”物致知
——以“滲透作用”模型的構建為例

（江蘇省南菁高級中學 江蘇無錫 214437）

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，是邏輯方法的一種形式。在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中，模型與建模是培養學生科學思維的重要方法。主題式實驗是指借助項目化課程設計理念，將具有關聯性的實驗進行整合成特定的“群體”。主題式實驗的開展可以讓學生體驗更加完整的生物實驗過程，更好地培養學生科學思維和科學探究能力，實現主題式實驗的功能大于各獨立實驗部分之和的效果，即“1+1＞2”，這也符合“教學過程重實踐”的基本理念。下面以“物質跨膜運輸的實例”為例，談談如何精選實驗組成主題式實驗，從入格、立格、升格和出格4個層次實現“滲透作用”模型的構建。

本節課是“物質跨膜運輸的實例”的第二課時。在第一課時中，已完成了如下實驗內容：①利用日常生活中的生物材料（動物和植物）及透析袋搭建了滲透作用裝置；②完成了“植物細胞的吸水和失水”實驗的操作部分。本節課教學重點是利用這些實驗組成的主題式實驗構建“滲透作用”模型。

1 從生活性實驗入格，現滲透作用模型“雛形”

教師通過生活中普遍存在的滲透作用吸水和失水的現象，利用生活化的生物材料展開實驗教學，讓學生感受到本節所學知識與日常生活的密切聯系。這樣的安排在激發學生求知欲的同時，讓學生對滲透作用的發生產生“朦朧感”，開始構建“滲透作用”模型的“雛形”。

課前準備：①將新鮮的土豆和黃瓜去皮，中間掏空后置于清水中，用量筒量取10 mL、20 mL質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液分別置于被掏空的黃瓜、土豆中（內外液面持平）；②將雞蛋鈍端卵殼膜撥出，從尖端處取出內含物，將20 mL質量濃度為0.3 g/mL蔗糖溶液倒入卵殼內，然后將此裝置放于清水中（內外液面持平）。

課堂實驗：靜置一夜后，將蔗糖溶液倒入量筒，復量體積，比較蔗糖溶液前后體積變化。

實驗結果：黃瓜、土豆和卵殼內中的蔗糖溶液體積都明顯增加。

課堂上，對實驗現象的分析能使學生更加直觀地感知“滲透作用”模型的存在，把學生引入“心求通而未通，口欲言而未能”的境界。

2 借模式性實驗立格，讓滲透作用模型“成形”

教師利用模式性的滲透裝置進行實驗，不僅可以快捷、高效地完成實驗，還可以將微觀的實驗現象以宏觀的動態模擬實驗過程呈現給學生，逐漸讓“滲透作用”模型在學生腦海里“成形”。

人教版高中生物必修1關于“滲透作用”模型教學有一個模式性實驗，其中半透膜采用的是玻璃紙。但筆者嘗試用不同品牌的玻璃紙重現此模式性經典實驗均以失敗告終。經查閱資料后，對此實驗進行改進：①用透析袋替代玻璃紙來充當半透膜，并將透析袋進行預處理；②將2只透析袋分別綁在兩只玻璃管一端，將1只塑料袋綁在第三只玻璃管一端；③分別向透析袋和塑料袋中注入質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液，將兩套透析袋的裝置分別置于盛有清水和質量濃度為0.3 g/mL蔗糖溶液的燒杯中（內外液面持平）。將塑料紙的裝置置于清水中（內外液面持平），形成對照實驗。④靜置一段時間后，觀察玻璃管中液面的上升情況。

課堂上，教師首先引導學生分析實驗現象，尤其要注意分析現象背后的原因。接著，通過計算機模擬實驗以更清晰的展現實驗效果。最后，學生通過討論，歸納，總結出滲透作用發生的條件：①要有半透膜；②半透膜兩端具有濃度差。教師重現經典模式性實驗，沖擊學生視覺感官，引起深思。在此學習過程中，學生經歷了觀察實驗、發現問題、分組討論及分析的過程。借助此過程，“滲透作用”模型在學生腦海里漸漸“成形”。

3 尋經典性實驗升格，促滲透作用模型“顯形”

通過上述實驗教學的開展，學生基本掌握了“滲透作用”模型的條件，但動植物細胞是否能通過此模型進行吸水和失水呢，還沒有得到驗證。筆者再次借用“雞蛋外卵殼膜”搭建的實驗進行過渡后，借助學生學習過的“體驗制備細胞膜的方法”及“植物細胞吸水和失水”兩個經典性實驗和學生一起尋找發生滲透作用的兩個條件，讓學生對“滲透作用”模型進行升格完善。

教師通過問題進行過渡：嘗試解釋“雞蛋外卵殼膜”搭建的實驗裝置中，雞蛋內的水為什么會增加？學生通過交流，討論，類比，很容易說出發生滲透作用具備的兩個條件。教師追問：將裝置換成動物細胞放在清水中，會發生什么情況呢？請用學過的實驗佐證自己的想法。由于學生剛學過經典性實驗“體驗制備細胞膜的方法”，很容易歸納出動物細胞通過滲透作用吸水和失水的條件。問題串的思考和類比推理可以使學生認識到紅細胞的細胞膜相當于半透膜，吸水或失水取決于細胞內外的濃度差（圖1）。

圖1 紅細胞發生“滲透作用”吸水與失水模式圖

接著，教師追問，引發學生對植物細胞結構的回憶：植物細胞放在清水里也會脹破嗎，為什么？植物的吸水與失水能否觀察？如果可以，請用學過的實驗佐證自己的想法。由于上一節課上學生已經完成“植物細胞吸水和失水”實驗的操作過程，能尋找到解決問題的實驗證據：植物細胞在失水情況下出現的質壁分離和重新吸水后出現的質壁分離復原現象。接著，教師出示自繪的植物細胞失水路線圖，通過問題驅動，引領學生對植物細胞失水過程進行深度學習。最后，通過設問“成熟植物細胞能不能看成滲透系統呢？”引發學生對滲透作用裝置的深度思考。通過交流討論，學生可以自發得出成熟的植物細胞是可以構成滲透系統的結論（圖2）。

圖2 成熟的植物細胞發生“滲透作用”吸水與失水模式圖

在兩大經典實驗的基礎上，教師以“問題串”為導向，層層設疑，激發學生探究動植物細胞發生滲透作用條件的異同點，使學生對“滲透作用”模型內涵和外延的學習得到升格，促使“滲透作用”模型顯現其本質。

4 返實踐性實驗出格，化滲透作用模型“遁形”

在學生掌握“滲透作用”模型的內涵和外延地基礎之上，教師進一步引導學生聯系生活實踐活動，用“滲透作用”模型去解決生活中的實際問題，從而通過理論聯系實際，激勵學生學以致用。

例如，教師引導學生解讀“血液凈化溶質清除實驗”的原理（圖3），讓學生明白：血液凈化溶質清除原理之一就是經由半透膜兩側的血液及透析液中的分子，在限定的空間內自由擴散，以達到相同的濃度。教師還可以引導學生分析“半透膜灌溉的原理與應用”等實踐性活動，使學生明白：可以用特殊工藝制成高分子半透膜，用這種半透膜制成不同規格的袋狀容器，可以實現科學精準的對植物實施灌溉。

圖3 血液凈化溶質清除原理模式圖

通過類似的實踐性活動（實驗），讓學生站在高于“滲透作用”模型的視角，化“滲透作用”模型為“隱性”，促使知識的融會貫通。

教師引導學生從觀察生活中存在的實驗現象出發，改進原教材的實驗，并加入實踐性實驗，使學生最大限度地參與到實驗中來，提高學生的科學思維與科學探究能力；由模式性實驗到經典性實驗，實現由淺入深的分析“滲透作用”模型的內涵和外延，逐漸上升到理論高度，再由理論去解決生活中較為復雜的實踐性問題。教師通過四“格”主題式實驗，層次遞進，潛移默化地實現對“滲透作用”模型的構建，從而提高學生的生物學學科核心素養。