基于科學思維視域下的高中生物學概念教學策略研究

摘 要：概念是生物學領域科學思維發展的重要產物，而科學思維是生物學科核心素養的重要組成內容.文章以人教版必修1“主動運輸與胞吞，胞吐”一課為例，基于教學內容與學情分析，探究概念教學全過程，從引導概念產生至知識體系形成、思維升級，積極引導學生親身參與，建立體驗，準確總結概念，有效促進學生科學思維能力發展.

關鍵詞：科學思維視域；高中生物；概念教學；教學策略

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）21-0139-03

在以往的教學中，對于概念性知識的學習，只是教師簡單講解、學生硬性記憶，這無法讓學生感受概念中的生物學科學思維，與生物學科核心素養理念原理、要求背道而馳.在概念建構中，學生能夠從生物學視角看問題，形成邏輯思維，這是深入學習生物學必備的理性思維，是科學思維的本質.因此，在核心素養導向下，應立足科學思維視域，以生物學概念建構為著力點，引導學生感受概念的形成、內涵與本質、外延與運用，形成生物學思維.

1 教學內容與學情分析

1.1 教學內容分析

在2019年人教版高中生物教材必修1中，對主動運輸知識與胞吞、胞吐知識進行了整合，引導學生更系統地感知、理解生物學的核心概念，掌握細胞生存需要兩項基本條件——營養物質與能量.因此，首先要突破概念難點，理解主動運輸、胞吞、胞吐概念，建立生物模型，進而了解主動運輸、胞吞、胞吐的過程與特點，完成概念知識內涵、本質、外延的學習[1].

1.2 學情分析

在本節課之前，學習了被動運輸知識，學生初步感知了細胞物質運輸.但本節課內容更具抽象性和概念性，理解上難度加大，因此，概念性知識的理解與掌握為學習難點.教學過程中，學生需要建立正確的模型，區分主動運輸、被動運輸，深入探索細胞生活的意義[2].

2 科學思維視域下“主動運輸與胞吞、胞吐”生物學概念教學過程分析

2.1 構建情境，觸發思維——引導概念產生

配合視頻資源，以生物學事實構建問題情境：

甲狀腺激素是一種作用于人體幾乎全部細胞的激素，由甲狀腺分泌.而碘是人體中合成甲狀腺激素的重要原料，但甲狀腺濾泡上皮細胞中碘濃度要明顯高于血液中的濃度，通常為20～25倍.基于這一客觀事實，思考并回答以下問題：

（1）碘被甲狀腺濾泡上皮細胞吸收是被動運輸過程嗎？

（2）聯想現實生活中汽車上坡下坡、逆水行舟等情形，分析甲狀腺濾泡上皮細胞在吸收碘過程中是否需要細胞為其提供能量.

（3）跨膜運輸在細胞運輸中具有特殊性還是普遍性？

情境中，生物學事實與學生的已有認知產生了沖突，使其在原有知識體系外，了解到細胞運輸中除了被動運輸還有其他方式，也理解了細胞運輸中需要能量的支持，這種區別于被動運輸的跨膜運輸是普遍存在的.在此過程中，教師拋出能引出主動運輸概念的關鍵信息和問題，引導學生在思考中鍛煉整合信息能力、批判思維能力、邏輯思維能力.

2.2 任務驅動，發展思維——建立概念框架

基于情境觸發學生思維后，布置驅動性任務，進一步發展科學思維，使學生在已掌握信息基礎上建立概念框架.

播放電影《千與千尋》片段，直觀感受千尋父母進入異界后將自己吃成肥豬的過程，引導學生思考日常中細胞是否會主動吸收外界營養物質，并向學生提供兩項資料：一是采用大蒜治理水體富營養化的資料，二是真核細胞膜上磷酸鹽載體結構圖與細胞運輸動態圖.

任務1：閱讀第一項資料的文字與數據，以合作探究形式解決以下問題：

（1）大蒜根能否吸收磷，有無直接證據？

（2）分析磷酸鹽濃度與吸收速率之間的關系，基于分析結果推測大蒜根細胞在吸收磷時為哪種運輸方式？

（3）根據資料，在0.01 mmol/L與0.025 mmol/L的KHPO組中，大蒜根細胞中磷酸鹽濃度分別為0.04 mmol/L、0.12 mmol/L，可以發現具有逆濃度梯度運輸情況發生，其特點是否與協助擴散特點一致？

（4）發生逆濃度梯度運輸說明有化學勢能障礙被抵消，這種使其抵消的力量是什么？

任務2：觀察第二項資料中的圖片，靜態的真核細胞膜上磷酸鹽載體結構圖中，磷酸鹽離子為中間分子；動態的真核細胞膜上磷酸鹽運輸圖中，可以直接觀察到只有在能量存在時，載體蛋白才能夠改變空間結構，將磷酸鹽向細胞內轉運.基于此，回答以下問題.

（1）磷酸鹽載體如何準確識別磷酸鹽離子？

（2）結合大蒜治理水體富營養化的資料，分析吸收磷酸鹽時需要具備哪些條件？

（3）當磷酸鹽濃度達到0.8 mmol/L后，大蒜根吸收速率趨于穩定的原因是什么？

（4）細胞即使需要消耗能量也要吸收磷，吸收的磷有哪些作用？

通過上述任務可以分析出大蒜根能吸收磷，因其處于磷酸鹽濃度不同的溶液中均會有一定吸收量，但磷酸鹽濃度與吸收速率之間的關系并非線性正相關關系，其不是自由擴散，可能為協助擴散.但基于協助擴散概念，有逆濃度梯度發生時并不符合協助擴散特點，進而可以發現發生逆濃度梯度運輸期間細胞內的能量可以抵消化學勢能障礙［3］.而在轉運磷酸鹽離子過程中，利用蛋白質特定的空間結構可以使磷酸鹽載體準確識別磷酸鹽離子，且運輸期間載體與能量是植物完成吸收動作的基本條件，但載體數量與轉運效率會對吸收速率產生影響.由此可以確定，大蒜因能夠高效吸收磷可以作為整治水體富營養化的物質，從而回答基于《千與千尋》設置的問題，細胞會主動吸收外界營養物質，其通過逆濃度梯度進出細胞完成主動運輸，但需要能量作為支撐.通過完成任務的過程，學生初步感知了細胞的主動運輸，可以建立起概念框架.

2.3 歸納總結，初建模型——深度學習概念

通過上述學習，學生認識到主動運輸是一個從低濃度一側向高濃度一側運輸的過程，即完成逆濃度梯度.回歸教材，結合主動運輸示意圖，嘗試完成以下歸納總結任務.

任務1：歸納探究中獲得的信息，嘗試總結主動運輸的概念、特點、意義、影響因素，并舉例.

任務2：提供低密度脂蛋白進入細胞資料與人體腸道內痢疾變形蟲胞吞、胞吐過程資料.回答以下問題，按照上述學習思路嘗試對胞吞、胞吐的概念、特點、影響因素進行歸納.

根據低密度脂蛋白進入細胞資料分析：動物細胞為什么需要膽固醇？低密度脂蛋白進入細胞內部需要哪些條件？細胞膜具有哪些特性？根據細胞膜合成規律分析如何預防動脈粥樣硬化.

根據人體腸道內痢疾變形蟲胞吞與胞吐過程資料分析：變形蟲如何獲取食物？胞吞與胞吐有哪些對象？能否列舉其他胞吞、胞吐現象？

總結以上理論性內容后，利用VR技術在虛擬軟件上向學生出示載體蛋白模型、分子顆粒模型，由學生自行演示載體蛋白轉運物質過程.通過初建生物模型，直觀可視化理解主動運輸概念、胞吞與胞吐概念，分析知識本質，達成深度學習，養成正確的科學思維習慣.

2.4 繼續探究，拓展思維——運用概念知識

在掌握與理解主要概念基礎上，引導學生繼續深入探究，

并拓展思維.不再將視角局限在某個概念內，而是從宏觀視角出發，分析概念之間的聯系與區別，把握知識本質，了解知識外延，對概念進行再認識，進而發現歸納總結中的問題.

構建模型過程中，很多學生發現明明已經對概念知識進行了嚴謹的總結，但在運用知識過程中仍然會發現漏洞，如忽視載體蛋白的特異性、忽視細胞膜內外物質濃度差異.基于此，學生發現在上述學習中對于概念的歸納與總結存在漏洞或錯誤，其中在總結主動運輸影響因素過程中，僅認識到能量供應會產生影響，通過模型發現載體蛋白的種類與數量也會產生影響.在實踐試錯過程中將學生思維激活，對模型構建、語言表達上的不足進行修正.

以上環節結束后，為避免學生機械性記憶知識，應利用習題加以鞏固.出示小腸絨毛上皮細胞吸收葡萄糖示意圖，由學生自主分析葡萄糖進入小腸絨毛上皮細胞時的運輸方式、小腸絨毛上皮細胞向組織液內轉運葡萄糖時的運輸方式.習題的引入使教學更加完整，學生進一步將理論知識與實踐相結合，通過解決實際問題將概念知識形象化、具體化，進一步提高科學思維素養.2.5 系統整合，建構體系——促進思維升級

自行系統整合知識、建構知識體系是生物學概念教學的最終目標，其能夠使學生將分散的知識點系統地整合起來，更直觀地表達知識之間的聯系，做到融會貫通，形成系統的學習思維.建構知識體系過程中，需要精細地處理知識關鍵點，使層級邏輯清晰，強化鍛煉學生的邏輯思維能力.目前，系統建構知識體系最便捷的工具則是思維導圖，利用其平面式呈現方式，激發學生思考與聯想知識內容，并進行個性化的表達，將生物學概念的探究過程用生物學語言表達出來，助力學生思維升級.

有學生將“物質出入細胞的方式”作為主線，按照分子的大小將出入細胞的方式分為兩大類：離子與小分子主要通過被動運輸（自由擴散、協助擴散）、主動運輸方式出入，大分子和顆粒物質通過胞吞、胞吐方式出入，進而分析不同出入方式的方向、特點、結構基礎等.回憶與鞏固相關概念，按照由主到次的原則建立知識的聯系，形成體現自身理解的個性化表達，使建構知識體系如同設計藝術作品一般，將自我想法可視化，將學習“主動運輸與胞吞，胞吐”生物學概念的方法抽象為一般方法，形成系統、科學的思維.“物質出入細胞的方式”思維導圖如圖1所示.

3 結束語

綜上所述，教師應重視生物學概念教學，基于生物客觀事實還原概念的形成過程，通過深度探究、實踐應用，把握生物學概念本質，促使學生自行完成概念內容總結、模型構建，體驗知識的形成與應用，從而切實發展科學思維.

參考文獻：

［1］ 孫天寶.高中生物教學中學生科學思維的培養[J].新課程研究，2023（18）：105-107.

[2] 馬文斌.高中生物教學中勞動教育的滲透探究[J].智力，2023（17）：28-31.

[3] 岳書真.啟發式教學在高中生物教學中的有效應用策略[J].天天愛科學（教學研究），2023（06）：66-68.

［責任編輯：季春陽］