基于模型分析的高中生物學概念教學
——以人教版“主動運輸與胞吞、胞吐”為例

楊 旭

（無錫市第一中學 江蘇無錫 214031）

生物學概念在中學教材中占有較大的比重，它是學習生物學知識、理解生物學原理、領悟生物學本質的基礎，也是中學生物學日常課堂教學的重要內容之一，還是發展生物學科核心素養的重要載體。概念具有較強的抽象性和概括性，每一個概念背后都有著豐富的教學內容。在傳統的概念教學中，教師往往注重對概念的程序化解讀，強調學生對概念表述文字的機械式記憶，學生處于知識學習的被動接受地位。師生看似在課堂上花費了很多時間，教學效果卻是低效的，學生對相關概念沒有深層次的理解，不會在具體問題中應用，不利于學生學習水平提升。學科核心素養視域下的典型概念教學應是基于事實和現象，幫助和促進學生主動共建的過程。

在人教版《必修1·分子與細胞》的“主動運輸與胞吞、胞吐”一節教學中，教師圍繞“人體如何獲取葡萄糖”這一具體情境，以模型分析為教學指導思想，通過創設情境、構建模型、驗證模型、應用模型等教學環節，帶領學生構建主動運輸、胞吞、胞吐等基本概念，注重培養學生的科學思維品質、科學探究能力，促進學生初步形成“結構與功能觀”等生命觀念。

1 創設情境，激發概念萌生

教師聯系學生生活，創設情境：物質的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎之一。例如，葡萄糖分子是生命活動的能源物質，而人是異養型生物，人體所需的葡萄糖都是來源于食物中糖類物質的消化和吸收。通過上一節的學習，學生已經知道葡萄糖等營養物質物質可以通過協助擴散的方式，順濃度梯度進入組織細胞。教師引導學生思考：細胞中是否存在逆濃度梯度的運輸方式？

教師展示圖1，并提供資料：小腸上皮細胞膜上存在載體蛋白G和載體蛋白S。2種轉運葡萄糖的載體蛋白：當進食一段時間后，隨著糖類物質的消化，腸腔局部的葡萄濃度可以達到50～300 mmol/L(高于小腸上皮細胞內),載體蛋白G數量增加。當葡萄糖被大量吸收后，腸腔局部的葡萄糖濃度降低到2 mmol/L（低于腸上皮細胞內），載體蛋白G數量減少，而載體蛋白S活性增強。教師引導學生分析資料，引導學生思考：兩種載體蛋白功能上的差異是什么？載體蛋白S在發揮作用時，是否需要其他物質的參與？小腸上皮細胞存在兩種葡萄糖載體蛋白的意義是什么？

圖1 小腸上皮細胞吸收葡萄糖示意圖

設計意圖：教師創設問題情境，引導學生利用已有的協助擴散的知識去分析實驗現象，培養學生獲取信息、綜合分析、邏輯推理的能力。學生在分析過程中發現自己目前擁有的知識及其原理難以解釋面臨的問題，引發認知和思維沖突，從而促進嘗試推測另一種可以逆濃度梯度運輸、需要消耗能量的物質跨膜運輸方式的存在。這有助于學生對主動運輸概念和特點的理解，讓學生從發現葡萄吸收方式的多樣性，體會到生命世界的復雜性。

2 構建模型，生成概念要素

學生分組構建被動運輸的生理過程模型，并結合模型，討論主動運輸模型的基本內容。教師給出討論的主要議題：①模型中需要包含哪些物質分子，功能各是什么？②主動運輸的生理過程模型與被動運輸的生理過程模型相比，有何異同？③利用該模型解釋葡萄糖等物質分子實現逆濃度梯度的運輸。④總結主動運輸的一般過程。學習小組根據上述4個議題，展開討論，最后小組代表發言，不同小組之間相互評價、相互補充。

學生討論的基礎上，教師通過圖片、動畫、視頻等形式，與學生共同總結主動運輸的一般過程（圖2）：①被轉運的物質分子與載體蛋白特定部位結合；②ATP供能，載體蛋白空間結構發生變化，將其運向高濃度一側；③隨后，載體蛋白空間結構恢復原狀，繼續轉運同種物質。在對生理過程模型的分析過程中，學生對于逆濃度梯度、載體蛋白、細胞代謝提供能量主動運輸概念的3個關鍵要素有了較為清晰的認識。

圖2 主動運輸生理過程模型

設計意圖：模型方法是現代科學方法的核心內容之一，是解決復雜問題的有效手段。教師采取了小組討論學習的形式，基于學生的“最近發展區”設計討論議題，進行模型建構，讓學生明確主動運輸模型中的3個基本要素，鍛煉了學生解讀圖解、類比分析、語言表達等方面的能力。

3 驗證模型，促進概念生成

教師創設情境，引導學生驗證模型：上述主動運輸生理過程模型的構建是基于對小腸腸腔內葡萄糖濃度變化理論的分析推測，理論是否正確需要科學實驗的驗證。學生分組討論實驗設計思路，證明主動運輸需要載體蛋白的協助、需要消耗ATP。教師補充“抑制劑”在生物學實驗設計中作用的內容：通過加入抑制某種物質功能或生理過程的抑制劑，可以對相關生理過程進行科學研究。

在小組交流討論的基礎上，教師進一步展示科學家的研究思路：將離體的小腸上皮細胞置于不同濃度的葡萄糖溶液中，分別加入載體蛋白抑制劑、ATP合成抑制劑，葡萄糖運輸速率均下降；科學家還分別測定了在不同的外界葡萄糖濃度條件下，載體蛋白G和載體蛋白S對葡萄糖的運輸速率，分別加入ATP合成抑制劑后，載體蛋白S的運輸速率明顯下降（圖3）。

圖3 兩種葡萄糖載體蛋白轉運速率曲線

實驗驗證了主動運輸生理過程模型的正確性。學生綜合該模型中的3個關鍵要素，歸納出主動運輸這一概念的核心內容：物質逆濃度梯度進行跨膜運輸，需要載體蛋白的協助，同時還需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量。

設計意圖：模型驗證的環節讓學生體會到實驗設計的一般思路，培養了學生設計實驗、分析數據的能力，鍛煉科學思維。在模型的構建、驗證等學習過程中，學生在頭腦中逐步生成主動運輸概念的基本表述和內在含義，體驗到了概念的認知和構建的過程，學會了像科學家一樣進行思考。

4 應用模型，加深概念理解

教師展示相關生理過程圖解（圖4），引導學生利用已有的知識的基礎，結合主動運輸生理過程模型嘗試解釋葡萄糖從腸腔運輸到內環境中的過程。并提供問題串：①圖中涉及到幾種載體蛋白，與被轉運的物質之間是否存在選擇性？②葡萄糖分子從腸腔運輸到體內中要直接穿過幾層生物膜？③葡萄糖在進行跨膜運輸時分別是逆濃度梯度，還是順濃度梯度？④葡萄糖逆濃度運輸時所需能量是否直接來源于ATP？⑤葡萄糖逆濃度進入細胞的運輸方式是否屬于主動運輸？⑥鈉、鉀離子如何進出細胞，是否屬于主動運輸？⑦鈉、鉀離子和葡萄糖的跨膜運輸之間存在怎樣的關系？⑧主動運輸的跨膜運輸方式對生命生存的意義是什么？

圖4 小腸上皮細胞吸收葡萄糖生理過程圖解

設計意圖：教師利用問題串，培養學生應用模型解決實際問題的能力。學生在已有知識的基礎上，運用主動運輸的模型去分析葡萄糖分子如何穿過小腸上皮細胞進入人體這一關鍵問題：在運輸部位方面，通過小腸上皮細胞面向腸腔一側和面向內環境一側兩個部位，分析葡萄糖分子進、出小腸上皮細胞在過程上的差異；在能量來源方面，通過分析鈉鉀離子進出細胞方式、與葡萄糖運輸之間的關系，了解主動運輸所需的能量既可以直接來源于ATP，也可以來源于消耗ATP所建立起來的離子梯度；在載體蛋白功能方面，比較兩種葡萄糖載體蛋白、鈉鉀泵功能上的差異，理解“載體蛋白只能運輸一種或一類離子或分子”，加深對膜的“選擇透過性”的理解。通過梳理葡萄糖運輸與離子運輸之間的關系，學生能夠用聯系的思想來分析問題，體會生命系統的整體性、結構與功能相統一等生物學的基本觀念。

在明確葡萄糖進入小腸上皮細胞的方式之后，教師進一步引導學生分析：消化道內的葡萄糖主要來自淀粉等多糖類物質的消化，淀粉的消化是在淀粉酶、麥芽糖酶的作用下完成，而這些酶的化學本質是蛋白質，屬于大分子物質，它們是在細胞內合成的。細胞如何實現大分子物質的輸入和輸出？教師引導學生回顧分泌蛋白的合成分泌過程引出“胞吐”的概念，展示吞噬細胞吞噬病原體的過程引出“胞吞”的概念，師生合作對胞吞和胞吐這兩種物質運輸模型進行分析，從運輸方向、是否需要膜蛋白參與、能量需求等內容進行分析和總結，促進學生建構胞吞、胞吐的基本概念。

5 教學反思

本節課以“人體如何獲取葡萄糖”為情境，巧妙地將主動運輸、協助擴散、胞吞和胞吐等概念串聯起來，結合文字、圖解、視頻、實驗等學習資料，通過模型分析的方法，鍛煉了學生構建概念、應用概念的能力，加深了學生對概念的理解。同時，本節課的教學內容不是獨立的知識點，整合本章的內容，在弄清了小分子、大分子等各類物質進出細胞的基本過程后，教師帶領學生一起總結本章的知識要點，構建以大概念統領的概念體系圖（圖5），總結、展現概念之間的邏輯關系。

圖5 物質跨膜運輸概念體系

本節課的概念教學在生物學事實情境中展開，教師引導學生基于模型分析的方法總結出“被動運輸、主動運輸、胞吞和胞吐”等次位概念，進而形成“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”等重要概念。最終，學生理解“細胞的生存需要能量和營養物質”這一大概念。本節課充分體現了內容聚焦大概念的新課程基本理念。

筆者注重運用“模型建構”的方法，將概念的要點融入模型的科學理性分析過程中，順理成章地生成概念的基本表述，讓學生更加深入地理解了概念的內涵和外延，以科學思維引領科學探究，以科學探究促進科學思維，同時促進學生形成“結構與功能觀”等生命觀念。