基于生命觀念的教學設計

摘 要：生命觀念是生物學學科核心素養的組成部分。本文以“鹽堿地植物的生存策略”為情境，通過實驗探究植物主動運輸無機鹽過程中的能量供應，探討鹽堿地環境中植物的生存策略，以及胞吞胞吐對耐鹽植物的意義。本文將主動運輸和胞吞胞吐整合到一個具體實例中，實現概念整合，從而促進學生形成“物質與能量觀”“進化與適應觀”“結構與功能觀”等生命觀念。

關鍵詞：生命觀念；主動運輸；胞吞胞吐

文章編號：1003-7586（2024）10-0018-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析及設計思路

本節內容選自人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第4章第2節，屬于《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中的大概念2“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”下的重要概念“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”。

生命觀念的教學應重在理解其實質意蘊，重在概念整合，重在指導解決實際問題。^［1］本節課創設“鹽堿地植物的生存挑戰和應對策略”的真實情境，并貫穿教學過程。學生通過探討真實問題，實現概念整合，促進“物質與能量觀”“進化與適應觀”“結構與功能觀”等生命觀念的形成，促進自身科學探究能力和科學思維的發展，發展關愛環境、關注生態的社會責任意識。

2 教學目標

（1）通過探究離子逆濃度梯度運輸的過程，闡述主動運輸的特點、過程和意義，理解物質跨膜運輸與細胞膜結構、細胞內能量的關系，認同細胞膜的選擇透過性原理，發展科學探究能力，建立結構與功能、物質與能量相關聯的生命觀念。

（2）通過分析水和無機鹽在耐鹽堿植物細胞中的運輸方式，解讀耐鹽堿植物特殊的生命現象是對環境長期適應的結果，認同生命的獨特性與復雜性，發展科學思維，建立進化與適應觀等生命觀念。

（3）通過了解鹽堿地植物難以生存的原因，形成保護生態環境的意識，提升社會責任意識和擔當能力。

3 教學過程

3.1 情境導入，激發學習興趣

教師播放視頻，介紹我國可耕種土地面積不到國土總面積的13%，有大面積鹽堿地不能有效利用。教師提出問題：為什么鹽堿地中植物不易存活？教師引導學生結合所學知識，分析鹽堿地土壤的滲透壓高導致植物細胞失水的現象。興趣小組展示實驗結果：紫色洋蔥鱗片葉表皮細胞在高滲鉬酸鈉溶液中發生質壁分離，并且液泡變藍。

設計意圖：學生從數據中了解我國的土地鹽堿化狀況，認識到有效利用鹽堿地的重要意義。分析鹽堿地難以被有效利用的原因，并通過實驗結果證實高滲溶液中的細胞會失水。從宏觀推測到微觀觀察證實鹽堿地植物失水的事實。教師以紫色洋蔥和鉬酸鈉溶液為實驗材料，用鉬酸鈉進入細胞使紫色洋蔥表皮細胞使液泡變藍的實驗現象激起學生的興趣和求知欲，引導學生分析洋蔥表皮細胞變藍的原因，說明離子能進入細胞，為后續實驗探究埋下伏筆。

3.2 實驗探究構建主動運輸概念

概念是思維和探究的基礎，也是思維和探究的結果，是觀念形成的基礎，也是擔當社會責任的基礎。^［1］概念教學是高中生物學教學的核心內容，概念是形成和支撐生命觀念的重要依據。教師展示資料并提出問題：植物細胞內正常代謝的K+最佳濃度是100mmol/L，而土壤中的鉀素含量只有0.1～1.0mmol/L，聯想生活中走上坡路、逆水行舟的情境，離子的逆濃度梯度運輸可能還需要什么？

學生推測離子逆濃度梯度運輸需要轉運蛋白協助并消耗能量。教師引導學生設計實驗，并探究細胞逆濃度梯度運輸離子是否需要消耗能量。教師引導學生分析實驗的自變量和因變量，并提供呼吸抑制劑丙二酸鈉。學生認為實驗自變量是能量的有無，實驗因變量是鉬酸鈉溶液中變藍細胞所占的比例，并以小組合作的形式設計實驗方案。

學生進行實驗操作，教師展示學生在顯微鏡下觀察到的實驗結果。

學生分析結果，得出結論：隨著時間推移，呼吸抑制劑處理組中，變藍細胞比例明顯小于正常組，說明能量能夠影響鉬酸鈉溶液中的離子進入細胞。

教師補充說明：無論是哪種物質，逆濃度梯度穿過膜的過程都需要載體蛋白的協助，而且總會消耗能量。學生總結主動運輸的概念：主動運輸是由載體蛋白所介導的物質逆電化學梯度或濃度梯度進行跨膜運輸的方式，它是一種需要消耗能量的物質跨膜運輸過程。

學生利用磁力貼模擬物質逆濃度梯度進行主動運輸的過程。學生需要在不同磁力片所代表的物質中做選擇，準確判斷運輸方向為逆濃度梯度；選擇磷脂雙分子層上合適的轉運蛋白；ATP能量驅動載體結構發生變化，進而完成物質轉運，最終形成結構與功能觀。

設計意圖：學生根據教師提供的資料，按照“提出問題—做出假設—設計實驗—進行實驗—分析結果”的科學探究的一般步驟，證實主動運輸需要能量，從而對主動運輸的概念認識得更真實、深刻。引導學生基于實驗證據和事實，用歸納與概括的方法闡釋概念，培養科學探究能力，促進其科學思維的發展。

3.3 實例分析拓展主動運輸內涵

教師展示耐鹽植物液泡膜的離子運輸示意圖（圖1）并提出問題：圖中H+進、出液泡分別是什么運輸方式？已知液泡內Na+濃度高于液泡外，Na+進入液泡的運輸方式是什么？

結合主動運輸特點，學生很容易判斷出H+進入液泡的過程是主動運輸，出液泡是協助擴散。教師借助能量來源的問題，介紹H+順濃度梯度協助擴散的同時使Na+逆濃度梯度跨膜轉運，是直接利用離子的電化學勢能進行的主動運輸，也是間接利用ATP能量的主動轉運過程。學生根據能量來源不同，歸納總結出主動運輸的能量可以分為由ATP直接供能（ATP驅動泵）和間接供能（協同轉運）兩種。

設計意圖：教師引入主動運輸的其他例子，拓展教學內容，深化學生對主動運輸需要能量的認識并認同主動運輸普遍存在的現象，引導學生說出主動運輸的意義，認同主動運輸對生物體的正常生命活動具有重要意義。

3.4 學以致用，解決問題

教師展示資料：土壤中Na+含量的升高是土壤鹽化的重要原因，細胞內高濃度的Na+會對細胞質中酶的活性產生較大影響。很多植物不能在鹽堿地生存，因而鹽堿地不能被有效利用，但耐鹽植物檉柳能在鹽堿環境中正常生存。教師引導學生思考：從水和Na+跨膜運輸的角度分析，耐鹽堿植物檉柳可能通過哪些途徑適應鹽堿環境生存？

學生討論回答，減少膜上Na+轉運蛋白從而減少Na+的吸收；將細胞內的Na+主動運輸并分泌到細胞外；主動運輸過程中Na+轉進液泡內儲存，并增大細胞液濃度促進細胞吸水；調控細胞膜上水通道蛋白的數量，影響細胞吸水和失水。

設計意圖：學生積極思考、學習致用，利用所學知識解釋檉柳等耐鹽堿植物的生存策略，體會耐鹽堿植物在長期進化過程中形成的適應性策略，從而形成進化與適應觀。教師利用水通道蛋白的調控過渡到下一部分胞吞胞吐的教學。

3.5 認識胞吞胞吐

學生討論耐鹽堿植物的生存策略，教師展示植物細胞膜上水通道蛋白調控的過程圖（見圖2），印證學生討論提出的耐鹽植物生存策略。教師通過圖片介紹水通道蛋白這類大分子物質在轉運時不能直接穿過膜，而是以囊泡形式進行物質運輸，進一步說明分泌蛋白在胞內合成，以囊泡方式運輸到細胞外。

教師播放白細胞吞噬細菌的視頻，學生根據視頻內容直觀體會胞吞胞吐時細胞膜受體的識別作用、膜的變形與融合過程，通過實例體會受體在胞吞過程中的重要作用以及膜的流動性。教師通過問題串引導學生思考：胞吞胞吐運輸的物質有什么特點？胞吞和胞吐過程的實現體現生物膜的什么特點？胞吞和胞吐需要什么條件？學生總結胞吞胞吐是一種大分子物質的運輸方式，需要膜上蛋白質參與，且需要消耗能量。

教師展示檉柳的泌鹽現象的圖片，檉柳的小葉片還有幼嫩的莖都會分泌鹽，形成白色鹽粒。教師展示檉柳鹽腺的結構圖，鹽腺是檉柳這類抗鹽堿植物所特有的結構（由六個分泌細胞及兩個收集細胞構成，分泌細胞兩兩成對排列形成三列，外層兩個分泌細胞含有大量線粒體，并與外壁形成收集鹽分的收集腔用于排鹽，內層的分泌細胞與收集細胞緊密相連），它能通過液泡將細胞內的高濃度鹽隔離，再通過胞吐將多余的鹽分排出體外。

教師提出問題：分泌細胞泌鹽是以胞吐形式進行的，而胞吞胞吐一般運輸的是大分子物質，小分子鹽以胞吐形式進行運輸有什么好處？教師引導學生分析鹽腺細胞以胞吐形式泌鹽的意義。

設計意圖：白細胞吞噬細菌的動態視頻幫助學生了解胞吞胞吐的發生過程，引導學生分析為什么細胞通過胞吞胞吐進行物質運輸，幫助學生概括胞吞胞吐的概念和特征。學生通過鹽腺的特殊例子，了解胞吞胞吐也可以運輸小分子，認識生命活動的復雜性，提升對生命本質的認識。

3.6 系統歸納形成生命觀念

本節課沿著一個主線情境巧妙地將主動運輸和胞吞胞吐的內容貫穿起來。教師以磷脂雙分子層為支架構建結構模型，對物質的跨膜運輸方式及其共同特征進行總結，讓學生認識到膜具有選擇透過性。細胞通過被動運輸、主動運輸、胞吞和胞吐有選擇地吸收或排出物質，這些運輸過程都依賴于細胞膜的結構，特別是與膜蛋白的種類和數量等有關，體現了膜的結構決定膜的功能，有助于學生養成結構與功能相適應的生命觀念。

4 教學反思

在本節課的教學中，教師以發展學生的生命觀念為線索進行教學設計，創設教學情境，引導學生在解決問題的過程中學習，利用知識框架提出問題引導學生思考。教師要充分發揮生物學學科的實驗優勢，設計探究實驗活動，探討現實問題，拓展思維空間，促進學生進行有質量的、開放性的思維活動，發展學生的科學思維和科學探究能力，有助于學生深入理解結構與功能觀、進化與適應觀、物質與能量觀等生命觀念。教師也需要利用真實情境引導學生關注環境問題，增強社會責任意識，體會根據所學知識解決問題、解釋現象的樂趣，挖掘德育價值。

參考文獻

［1］譚永平.生物學學科核心素養：內涵、外延與整體性［J］.課程·教材·教法，2018，38（8）：86-91.