基于真實情境和合作探究的“細胞的物質輸入和輸出”單元教學設計

劉怡晴

（安徽省合肥市第八中學 安徽合肥 230071）

1 單元教材分析及設計思路

“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”是2019年人教版《必修1·分子與細胞》的大概念。該教材以“細胞是基本的生命系統”為主線展開，闡述細胞作為基本的生命系統的物質組成、結構、功能和發展。“細胞的物質輸入和輸出”單元是樹立生命觀念中結構與功能觀、物質與能量觀極其重要的一個單元。該單元的內容是由結構到功能的過渡，是在第三單元基礎上對細胞功能的深入認識，加深學生對細胞膜的結構和功能關系的理解。該單元首先通過水分子進出細胞的方式，引出滲透作用的概念，概括被動運輸的概念；在此基礎上區分自由擴散和協助擴散，為進一步介紹主動運輸打下基礎，并介紹了大分子物質通過胞吞、胞吐的方式進出細胞；最后，對物質進出細胞的方式進行總結，闡明質膜具有選擇透過性。學生通過本單元的學習，能夠構建“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”的重要概念。在保留舊教材主體知識結構不變的情況下，本單元部分課題的編排順序發生改變，部分概念更加細致完善，符合知識由易到難的邏輯，符合學生認知規律，強調生物學學科核心素養的培養。

本單元的知識結構如圖1所示。第二、三個次位概念是建立第一個次位概念的基礎，通過課題1“被動運輸”建構次位概念1和2，通過課題2“主動運輸與胞吞、胞吐”建立次位概念1和3。

圖1 單元知識結構圖

在實際教學中，本單元教學有3個困境：滲透作用原理的學習易出現紙上談兵現象；探究實驗易形式化；物質運輸方式中有些概念較抽象。本單元的任務與活動設計見表1。本著反向建構原則，將本單元課題對應4個基本課時劃分成4個任務以建立重要概念，4個任務進一步劃分成12個活動和1次單元評價測試。

表1 單元任務與活動設計

教師采用3種教學策略應對3個困境。（1）模型建構法。建構物理和數學模型直觀理解抽象的物質運輸過程。任務③中用實物構建流動鑲嵌模型，直觀有效地完成轉運蛋白的功能學習。（2）合作探究法。學生為主導，以小組為單位重新設計探究實驗課題，自主完成完整的合作探究活動。任務②中完成質壁分離基本觀察操作后，嘗試用質壁分離現象解決新的問題。（3）情境教學法。所有問題的引出均通過創設真實情境而來，激發學習興趣并進行深層次思考分析以形成更直觀有效的記憶。任務④中情境導入，結合當下熱點分析某品牌飲料是否存在糖類物質，激發學生思考動力。教師創設情境，提高學生學習興趣，促進學生以實驗交流方式進行科學探究，融合新舊知識，在實踐中加深對知識的理解并運用相關知識解決生活中的問題，建構概念，發展科學思維，培養社會責任意識。

2 單元教學目標

①通過對物質跨膜運輸方式的真實情境的分析和物理、數學模型的建構，闡釋生物膜的選擇透過性，樹立科學的結構與功能觀、物質與能量觀。

②運用類比推理、歸納與概括、模型與建模等科學思維方法，分析物質跨膜運輸的方式及特點，并能夠預測給定新情境下的物質運輸規律。

③熟練掌握顯微鏡觀察植物細胞吸水和失水現象的技能，運用科學研究的思路和方法，針對給定的探究情境能夠獨立完成探究實驗的設計過程，體驗科學探究的一般過程，提高動手操作能力和設計實驗的能力。

④能夠運用物質跨膜運輸的知識，解釋生活中常見的生物學現象，分析和解決如蔬菜腌制、合理施肥、治療胃酸等實踐問題，關注環境保護等社會議題。

3 部分單元教學過程

3.1 情境和實驗導入，分析滲透作用和動物細胞的吸水和失水

活動①擴散現象和滲透作用裝置的分析。教師利用燒杯中紅墨水色素分子的運動，啟發學生思考擴散現象。教師課堂演示燒杯——漏斗滲透作用裝置，引導學生分析滲透作用的概念和條件。

活動②觀看動物細胞吸水與失水真實情境的視頻。教師引導學生結合觀看的視頻進行類比推理。學生總結：動物細胞的細胞膜相當于一層半透膜，動物細胞可發生滲透作用。

設計意圖：通過模擬情境的分析，教師引導學生歸納滲透作用的原理和條件。學生分析擴散現象和滲透作用的真實情境，運用類比推理、歸納與概括的科學思維方法，對動物細胞的吸水和失水進行闡釋，初步樹立結構與功能觀。

3.2 直觀展示蒜苗的吸水和失水情境，激發探究欲望

活動③觀察植物細胞的吸水和失水現象。教師課前準備實驗材料，課堂演示相對較硬的蒜苗剖開后的吸水和失水的現象。一段幾秒鐘的蒜苗“開花”的動態視頻立刻抓住了學生的注意力。

教師提出問題：植物細胞的吸水或失水取決于什么條件？植物細胞是否會吸水脹破？植物細胞的水分主要集中在哪個結構？水分子進出細胞需要經過哪些膜結構？學生主動思考和解釋，歸納總結出植物細胞吸水和失水的條件與動物細胞的相似之處、植物細胞壁的功能和特性。于是，教師引出新概念“原生質層”。結合教材中成熟的植物細胞模式圖，學生類比滲透作用，推理出成熟植物細胞的原生質層相當于半透膜。

設計意圖：教師展示宏觀的蒜苗的吸水和失水的真實情境引導學生類比推理、分析和總結，訓練學生的科學思維。

3.3 回到細胞本身，規范實驗操作并歸納概括

活動④觀察植物細胞的吸水和失水現象。本實驗在教材中為探究性實驗，但探究實驗的問題、結果和結論均在教材直接呈現，學生探究欲望不強，易做成驗證性實驗。筆者改進實驗，由學生先進行實驗實操訓練，完成植物細胞吸水和失水的操作步驟的學習，并對動手操作能力進行評價，激發學習興趣，發展學生的技能。學生完成實驗后，帶著真實的實驗體驗，反思實驗中出現的問題：在質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液中植物細胞發生了什么變化？更換到清水中植物細胞又發生了什么變化？質壁分離中的“質”和“壁”分別指什么？質壁分離發生的基本條件有哪些？學生主動思考和解答系列問題，進而描述總結質壁分離的現象特征。

設計意圖：學生動手實踐，熟練掌握使用顯微鏡觀察植物細胞吸水和失水現象的實驗操作技能，由真實的實驗體驗情境提出問題并進行知識的歸納與概括、解釋和總結，發展科學思維，并樹立科學的結構與功能觀。

3.4 體驗科學探究的一般過程并解決實際問題

活動⑤探究不同條件下的植物細胞的吸水和失水。教師給每組準備好實驗報告記錄單，引導學生針對實驗提出新的探究問題。學生提出的問題主要有：不同濃度的高濃度溶液處理植物細胞，質壁分離程度和時間是否有差異？什么樣的植物細胞可以發生質壁分離？不同種類的溶液處理植物細胞，質壁分離的現象是否相同？具體探究之前，教師對科學探究的一般步驟進行規范說明：提出問題——作出假設——設計實驗——實施實驗——分析實驗——得出結論。接著，學生分組根據提出的問題自主設計探究實驗方案，動手實踐完成，并對實驗設計和結果進行歸納總結和評價。學生參與積極性高，不同組別選擇了不同探究課題，自變量分別為不同濃度的外界溶液、不同類型的植物材料、不同種類的溶質。

以不同濃度為自變量的探究小組，發現在相同時間內植物細胞失水情況差異明顯。以不同材料為自變量的探究小組，自行選擇了洋蔥鱗片葉內表皮細胞、水綿細胞（學生在學校附近水溝打撈而來）、菠菜葉下表皮細胞、番茄表皮細胞進行滲透失水現象觀察。以番茄表皮細胞為材料時，學生沒有觀察到現象。教師引導學生對其結構進行分析和推理，學生自己得出必須是有液泡的成熟細胞才能觀察到質壁分離現象的結論。以不同溶質為自變量的探究小組，有學生希望能觀察到質壁分離自動復原的現象，教師引導該學生課后繼續觀察，結合數碼顯微鏡的成像完成實驗結果的視頻化輸出，學生自己錄制的視頻中自動復原現象清晰可見。后續課堂上，教師對該學生的主動探究精神進行了肯定和表揚。

在真實的實驗探究中，學生自主提出問題，根據實驗現象進行結果分析，思考并解決問題：什么樣的植物細胞會發生質壁分離？隨著外界濃度的增大，植物細胞吸水和失水的程度呈現怎樣的變化？為什么硝酸鉀溶液中的植物細胞質壁分離后會自動復原？教師總結延伸，學生思考、歸納完成質壁分離的條件和復原的機制。由此，教師聯系生活實際，提出問題：“燒苗”是什么原因造成的？給植物澆水施肥時應注意什么？腌制食品時為什么會產生水分？植物細胞液的濃度無法直接測量，有無測量的辦法？如何判斷一個成熟的植物細胞是否死亡？學生分組討論，在已有知識背景下提出解決思路。

設計意圖：教師基于教材實驗又創生教材實驗，引導學生主動提出新的問題，在規范科學探究的一般步驟的基礎上，促進學生自主設計探究實驗并動手實踐，評價展示與歸納概括，使學生體驗科學探究的一般過程，提高動手操作能力和設計實驗的能力，有效提升邏輯思維和批判性思維能力，訓練科學思維，并進行遷移應用解決生活中的實際問題，落實社會責任的培養。

3.5 歸納概括被動運輸的概念和特點

活動⑥歸納水分子進出細胞的方式和特點。結合動物細胞與植物細胞的吸水與失水的探討，教師引導學生進行類比推理：水分子進出植物細胞通過擴散作用，原生質層相當于半透膜；水分子進出動物細胞通過擴散作用，細胞膜相當于半透膜。教師指出水分子進出細胞的方式稱為被動運輸，提出問題：被動運輸具有什么特點？與擴散現象相聯系，學生歸納總結“被動運輸不需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量，且順濃度梯度進行”。

設計意圖：教師綜合水分子進出植物細胞和動物細胞的方式，引導學生歸納總結出被動運輸的概念和特點，從而建構物質運輸方式的概念，發展科學思維，樹立生命觀念。

4 單元教學反思

本單元教學內容是“分子與細胞”模塊的重要組成部分。學生在初中階段對植物細胞的吸水和失水有感性認識，對細胞膜的結構和功能有初步認識，為本單元內容學習打下基礎。在能力方面，學生具備科學推理和探究能力，但設計完整科學實驗分析復雜情境的原理及實驗動手操作能力有待發展。本單元教學中，完整的探究實驗過程鍛煉學生的科學探究能力。教師所使用的情境全部是真實情境，涉及到的實驗是教師提前完成或學生課上自主完成，所使用資料等情境來源于真實的實驗，契合新課標強調的“基于事實和證據形成概念”思想，落實了生命觀念的培養，強調科學思維的訓練和科學探究能力的培養。學生在實踐中加深概念理解并將知識遷移應用以解決實際生活中的問題，培養社會責任素養。除采用課時校本作業、單元評測等常規評價方式之外，教師通過實驗方案評價、實驗報告評價、實驗采集結果評價、合作小組評價、課堂即時評價等進行多元化教學評價，對教學效果及時反饋，激發學生學習熱情，促進生物學學科核心素養的養成。此外，在真實實驗情境創設中，教師還需更進一步完善細節；在部分探究中學生參與度低；學生在實驗設計的規范上仍存在一些問題，需要進一步鍛煉。