指向學科核心素養培養的教學設計

吳久宏 潘金元

摘要 以“血透析”為引入情境，充分利用生活原型豐富學生感知，遴選、整合科學史料培養學生科學思維，最大化調動學生的多感官參與，讓學生真正成為學習的主人，培養學生的社會責任和家國情懷。

關鍵詞 被動運輸 教學設計 科學思維 社會責任

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

1教材分析

本節是2019年版蘇教版《必修1·分子與細胞》（以下簡稱新教材）第二章第三節第二課時的內容，闡明并比較了簡單擴散、依賴通道蛋白的協助擴散、依賴載體蛋白的協助擴散3種被動運輸方式。與舊教材相比，新教材強調了依賴通道蛋白的協助擴散，以及被動運輸不需要細胞供能。從內容上看，這一節內容既承接了前面所學“細胞中的元素化合物、質膜的選擇性”內容，又為后面細胞功能、代謝及選擇性必修“電位的產生”作出了輔墊，起到承上啟下的作用。

在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中相對應的內容要求是（次位概念2.1.2）：舉例說明有些物質順濃度梯度進出細胞，不需要額外提供能量。對應于“大概念2細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”“重要概念2.1物質通過被動運輸、主動運輸等方式進出細胞，以維持細胞的正常代謝活動”。

針對教材地位和課標要求，筆者對教材作了一定的處理：將教材上的結論通過情境還原、科學史料等方式，讓學生成為知識的探尋者，感悟知識的形成過程。

2學情分析

通過前面的學習，學生已經知道細胞中存在多種化合物，并知道細胞質膜將細胞與外界環境分開，從而對細胞質膜如何運輸這些化合物產生了濃厚的興趣。但是，本部分教學內容屬于微觀層次，涉及很多化學和物理學知識，學生缺乏生活體驗，會帶來學習上的困難。

3教學目標

1通過分析經典滲透裝置和歐文頓的實驗結果，概括簡單擴散的過程及影響因素，發展科學思維。2基于科學史料的分析，建立依賴通道蛋白協助擴散的概念，樹立結構與功能觀。

3通過比較通道蛋白和載體蛋白，概括依賴載體蛋白協助擴散的過程，培養科學探究、科學思維。

4通過人工透析、扎染等教學素材，培養社會責任和文化自信。

4教學重難點教學重點：簡單擴散、依賴通道蛋白的協助擴散、依賴載體蛋白的協助擴散3種被動運輸方式，都是順濃度梯度運輸，不需要額外提供能量。

教學難點：影響簡單擴散的因素;通道蛋白和載體蛋白的比較。

5教學過程

5.1利用真實情境，任務驅動學習

課堂伊始，教師播放一段來自國家官方網站的“透析技術拯救人類”的視頻。視頻中提及：“近幾十年來，隨著我國居民營養過剩、環境污染的加劇，慢性腎臟病發病率逐年上升，尿毒癥患者數量逐年增加。2020年透析患者達69萬人。”教師提出問題：同學們有沒有聽說過視頻中介紹的透析技術？聽說過的同學，知不知道該項技術利用了什么原理？學生可能只能說出大致的內容，但是不準確。此時，教師不需要去急著糾正學生的錯誤，而是要充分肯定、鼓勵學生。

教師繼續提出問題：在實踐中得以運用的透析技術運用了哪些生物學的基礎知識、原理？在學生小組討論、交流后，教師追問：透析技術的關鍵是人工合成的具有選擇透過性的膜材料。那么，物質如何進出細胞呢？

5.2利用生活原型，引出科學概念

教師聯系中國傳統文化，突出文化自信，展示非物質文化遺產“扎染”的圖片，引導學生思考：色素分子如何到達布料的內部？教師鼓勵學生大膽推測，引出簡單擴散的概念：色素分子從高濃度一側向低濃度一側移動，該現象在物理學上被稱為擴散。

5.3經典圖例再用，突破教學難點

教師結合上一節學生所學的“滲透作用示意圖”（圖1），引導學生比較：水分子的移動與上述染料分子的移動，有什么異同？

學生思考、小組討論、交流。然后，教師進行點撥：兩者都是從分子個數多的向分子個數少的地方移動，直至最后分子個數相等。但是，水分子是溶劑，如果分子多，說明溶液低;色素分子多，它是溶質，說明溶液濃度高。學生從而明確了教材中提到的結論：滲透和擴散是兩個不完全相同的物質轉運過程。

教師引導學生歸納簡單擴散的概念：物質以擴散的方式進出細胞，不需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量，動力是物質的濃度差。這種運輸方式稱為簡單擴散，也叫自由擴散。并提出問題：物質以自由擴散的方式進出細胞，是不是沒有限制因素呢？

教師呈現資料：19世紀末，歐文頓等科學家曾用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行過上萬次的實驗，發現，脂溶性物質優先通過細胞膜（圖2）。

學生分組討論后，得出結論：脂溶性是限制因素之一，還有“相對分子質量大小”“所帶電荷的種類和數量”等。學生通過比較、歸納，自主建立簡單擴散的概念模型，強化物理、化學、生物學科的交叉與融合。學生在探究中自主地發現問題，避免了知識的直接輸入和傳授，同時培養了信息歸納整理能力。

5.4基于科學史料，構建科學概念

5.4.1資料分析，發現新問題

教師提供資料，提出問題：比較生物膜與人工膜（雙層磷脂）對水分子的通透性，結果如圖3所示。水分子在通過細胞膜時的速率與人工膜的速率有何不同？從膜的成分思考，造成上述差異的原因可能是什么？

學生根據細胞膜的成分、結構與功能的關系，作出合理的推測：人工膜與生物膜的水分子的通過速率與膜上的蛋白質有關。教師提醒學生實驗設計的注意事項：自變量是什么？因變量是什么？學生展示基本思路：一組人工膜上有蛋白質，另一組人工膜上沒有蛋白質，檢測水通過膜的速率。

5.4.2提供科學史料，引發學生探究

教師提供資料，引導學生思考：11991年，彼得·阿格雷制造了脂質體（只有磷脂雙分子層），并讓一種含有水通道蛋白（即重組脂質體），一種則不含這種蛋白。他將這兩種脂質體分別做成泡狀物，然后放在水中。結果發現：重組脂質體對水的轉運活性比普通脂質體高出10倍。在細胞質膜上真的有轉運水的蛋白質嗎？

22000年，阿格雷與其他研究人員一起公布了世界上第一張水通道蛋白的高清晰度照片，并于2003年獲得諾貝爾獎。眾所周知，正常成年人腎臟每天產生180L原尿，最終生成尿液只有1.5L。其他的水到哪去了？這與腎小管細胞膜上的水通道蛋白有什么關系？

在學生思考、討論的過程中，教師點撥：正常成年人能快速通過腎小管和集合管重吸收絕大部分水回血液。這是通過兩種被動運輸的方式完成的，其中主要依賴于細胞上水通道蛋白的作用。這兩種方式運輸水的速度不同，是生物對不同生命活動需要的適應。

然后，學生歸納、總結：水通過人工膜，從水分子多的一側向水分子少的一側運輸，這是自由擴散;而水借助膜上的轉運蛋白進出細胞的物質擴散方式，是協助擴散。因此，水跨膜方式有自由擴散和協助擴散兩種。這兩種方式都是物質以擴散方式進出細胞，不需要消耗細胞內化學反應釋放的能量，均是被動運輸。

教師播放“科學史話：人類對通道蛋白的探索歷程”的視頻，拓展通道蛋白的門控原理，拓寬學生的視野。

在整個過程中，教師引導學生基于證據和邏輯分析、比較、探究，概括出簡單擴散的特點，還使學生了解水通道蛋白的作用。

5.4.3引導學生建構“通道蛋白”和“載體蛋白”的概念

學生觀察鈉離子依賴通道蛋白進行協助擴散的示意圖和葡萄糖分子依賴載體蛋白進行協助擴散的示意圖，利用表格比較通道蛋白和載體蛋白的區別（表1）。

在此基礎上，教師總結：“通道蛋白”和“載體蛋白”都屬于轉運蛋白。像這種借助于膜上的轉運蛋白進出細胞的物質擴散方式，叫做協助擴散。然后，展示自由擴散和協助擴散示意圖，引導學生學生歸納比較簡單擴散與協助擴散的異同點。學生得出簡單擴散與協助擴散的共同點：不需要細胞供能的被動運輸。

5.4.4回應最初情境，激發社會責任

教師再次播放課堂“透析技術拯救人類”的視頻，強調透析技術的關鍵是利用膜的選擇透過性。此時，教師提醒學生：如果要想實現這個技術，僅依靠生物學的原理是不夠的，還有物理的、化學的一些原理、技術支撐。因此，同學們在平時的學習中要注重學科之間的融合，提升運用所學知識解決生產、生活中問題的能力。

5.4.5設置懸念，埋下伏筆

在課堂進行小結的基礎上，教師拋出這樣的問題啟發學生思考：海帶細胞內的碘離子濃度遠高于海水中的碘離子濃度，但海帶細胞仍可以從海水中吸收碘離子。這是怎么回事？這與今天的學習內容矛盾嗎？這樣的設問一方面激起學生探尋新知的欲望，更為下一節課學習“主動運輸”做了很好的過渡和認知鋪墊。

6教后反思

本節課以“情境主線、任務驅動、論證歸納”為教學設計的靈魂，倡導“讓學”的理念：讓學生立于課堂中央，真正成為學習的主人、思維的主人、素養發展的主人。教師為學生提供學習與發展的素材，不是把教材的結論告訴學生，而是為他們的“最近發展區”提供腳手架。

教師聯系社會和學生生活，創設情境，鼓勵學生運用所學知識嘗試解釋透析技術的原理，既有利于培養學生的科學思維，也促進學生運用所學知識解決人們生活中的問題，從而滲透培養社會責任核心素養。

課堂中緊扣生活的原型來突破抽象的概念，通過類比、歸納、比較等手段突出重點、達成目標。整個課堂以生為本，讓學生的生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任在潛移默化中得到發展和升華。

參考文獻：

中華人民共和國教育部：普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]北京：人民教育出版社：，2020.

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