模型構建在“細胞的物質輸入和輸出”復習課中的應用

哈爾濱師范大學附屬中學 范世一 張慶嶺

模型構建體現了新課標對學生理性思維的培養與要求，是生物學中一種常見的分析問題的方法。根據適用對象的不同，常見的生物模型可分為數學模型、物理模型和概念模型三種。數學模型培養學生將數據處理成曲線或者總結成公式的建模能力；概念模型培養學生處理核心概念之間邏輯關系的建模能力；物理模型培養學生對物質或細胞的主要結構進行形象化的建模能力。學生需理清關鍵對象之間多維度的、科學立體的關系，將抽象的思維可視化，將被動記憶轉化成深度學習與主動提取應用的過程，并適用于較復雜教學情境，促進高階思維能力的提升。

本章節內容從細胞結構延伸到細胞功能的學習，層層深入。在教學中通過科學探究——深化拓展——總結提升三個建模活動來培養學生的結構功能觀，形象具體展示跨膜運輸過程，辨析多種物質跨膜運輸方式，能夠有效提高學生參與的廣度與深度，有利于鞏固生物學概念，加深知識的理解與聯系，培養學生的科學思維與創造性思維。

一、結合數學模型的科學探究

通過探究植物細胞的失水與吸水，學生已經初步掌握了探究實驗的一般步驟和方法，章末復習中應進一步培養學生科學探究的能力，教師應幫助學生發現問題，鼓勵學生分析問題，最終通過引導學生進行科學探究實驗與模型構建解決問題。教師在教學時可以安排如下實驗：

實驗思路：

沉水植物可修復富營養化水體，凈化水質，教師可選用常見的沉水植物黑藻作為實驗材料，通過檢測相同時間內其對磷元素的吸收量，繪制曲線反映物質吸收規律，分析物質運輸方式與限制因素等。

實驗步驟：

（1）選用長勢相同的黑藻若干，從頂端一側切成10 cm備用。配制具有濃度梯度的磷酸二氫鉀溶液（0.01 mmol/L；0.1 mmol/L；0.25 mmol/L；0.5 mmol/L；1 mmol/L；1.5 mmol/L）作為自變量，分別在六個燒杯中放置500mL 不同濃度溶液編號1~6。

（2）各組放入2 條黑藻，在相同溫度濕度等環境條件下培養6 小時后測量剩余溶液中磷酸二氫鉀濃度，統計表格數據，計算出平均每小時吸收磷的速率并填寫表格。

結果處理及分析：

（1）繪制平均磷吸收速率曲線，根據生成曲線的趨勢判斷黑藻細胞吸收磷酸二氫鉀的方式（見圖1）。

圖1 某小組構建黑藻吸收磷的數學模型

（2）已知黑藻細胞質濃度小于0.01 mmol/L 的磷酸二氫鉀溶液，推測該組黑藻細胞吸收磷的方式。

通過以上具有難度梯度的問題引導學生比較分析不同跨膜運輸方式的條件與特點，不同階段的限制因素等，學生需要將數據表格處理成曲線，從質壁分離的定性研究深入到定量研究。學生自主構建的數學模型清晰地反映了物質運輸的特點，利于分析出主動運輸與被動運輸的區別，同時為后面的模型構建奠定了基礎。在這一過程中教師引導學生設計實驗探究黑藻細胞是否通過協助擴散吸收磷酸二氫鉀，學生課后繼續探究并構建模型分析結果，有助于學生逐步形成批判與質疑的理性思維，培養其逐步形成生命觀念和生態保護的社會責任意識。

二、完善物理模型訓練科學思維

主動運輸需要轉運蛋白與能量，能量來源并非只是ATP。教師可以給出如下兩個例題帶領學生建構物理模型。

例題一：有關光合作用中化學滲透理論的知識應用。將離體類囊體放置于PH=4 的緩沖液中，待平衡后轉移至含有ADP 與磷酸的PH=8 緩沖液中，結果發現在黑暗中，順濃度梯度運輸氫離子積累電化學勢能可供給ATP 的合成。請在圖2 中兩種轉運蛋白處補充箭頭表示氫離子運輸的方向，分析兩種運輸方式的區別。

圖2 氫離子運輸物理模型（學生用）

例題二：小腸上皮細胞利用SGLT1 轉運蛋白吸收葡萄糖是與順濃度梯度運輸鈉離子共同完成的，屬于特殊形式的主動運輸。請在圖3 中SGLT1 轉運蛋白及鈉鉀泵處補充箭頭來標注鈉離子運輸的方向，分析電化學梯度驅動的運輸與鈉鉀泵中鈉離子運輸方式的區別。

圖3 鈉離子運輸物理模型（學生用）

細胞借助順濃度梯度物質運輸積累的電化學勢能，可同時為另一物質主動運輸供能。這是2019 年人教版教材未提及的知識，也是學生理解上的難點。教師給出一定的圖解，讓學生結合信息繼續完善物理模型，化繁為簡的同時增強了趣味性，初步培養學生的物質能量觀。

三、細化知識框架，構建概念模型

章末復習整合中，學生需要對知識有整體的把握，對概念形成內在的邏輯關系。教師可引導學生自主構建本章思維導圖（見圖4），通過科學探究過程與科學思維的建成，立足于關鍵概念構建知識網絡框架，結合文字及圖片表示知識屬性及涵蓋內容，用箭頭及括號等形成多維度的聯系，便于在較為復雜的情境中準確提煉知識點及應用。教師可對學生進行多元化評價，把知識與愛好相結合，將透徹理解的知識放入記憶宮殿，力求做到活學活用，事半功倍。

圖4 學生制作的思維導圖

模型構建是養成學生理性思維的重要途徑之一。作為復習課，教師從生態情景入手進行任務驅動教學，借助一系列模型構建將微觀的細胞物質運輸可視化、形象化，便于學生較為透徹而全面地理解和辨析多種運輸方式。本節課的最后教師給學生小組提供超輕黏土與卡紙、膠水等材料，用于課下進一步領悟建模方法，小組之間相互評價并展出較為全面準確有創意的物理模型，培養學生的學習主動性與創造性，落實對生物學科核心素養的培養。