創設模型情境，培養科學思維

摘 要：本文用社會熱點流感病毒引入，以不同物質進出“白細胞”為一條主線情境，通過建構物理模型和數學模型，讓學生分析總結出兩種物質跨膜運輸方式的過程、特點、意義。通過創設的主線情境，在教師引導下，推動學生認識生物學事實，通過核心問題串進行思維訓練，解決微觀情境中的問題，提升了學生社會責任感和擔當能力，培養了學生的科學思維。

關鍵詞：主動運輸；胞吞胞吐；模型；情境；科學思維

一、教材分析及設計思路

“主動運輸與胞吞、胞吐”是人教版高中生物學教材（2019版）必修《分子與細胞》第4章《細胞的物質輸入和輸出》中第2節的內容。對應課程標準大概念“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2個次位概念“2.1.2有些物質逆濃度梯度進出細胞，需要能量和載體”和“2.1.3舉例說明大分子物質可以通過胞吞、胞吐進出細胞”。在此之前，學生已學習了第1節《被動運輸》，通過認識滲透作用及生活中常見的現象等掌握了物質運輸中的被動運輸，其特點是順濃度梯度，不消耗能量 。本節內容主要包括物質運輸中的另外兩種方式：主動運輸和胞吞胞吐，對這兩種方式的過程和特點的理解運用是本節課的重難點。

理解生物膜的結構是理解物質跨膜運輸的方式的關鍵所在。非生命的膜如半透膜只具有被動的過濾作用，而生物膜卻有主動的選擇透過性，尤其是具有主動運輸功能，這是生物膜的生命屬性。膜的生命屬性則主要依賴于生物膜結構中的蛋白質等生物活性物質，還因為生物膜本是生命基本單位細胞的重要組成部分，它并不是獨立行使功能的，生物膜能夠對物質出入進行控制，是以細胞中多種結構和生理過程為基礎的。因此，在對物質跨膜運輸的學習中，需要引導學生從結構與功能相適應以及細胞的協調配合關系的角度來理解。

為讓學生更好地掌握跨膜運輸，本節課設計了“一境到底”的教學策略，以不同物質進出“白細胞”為情境，融入了社會熱點流感病毒。通過一系列具有內在聯系的關鍵問題形成問題鏈，引導學生建模和分析，探究能量、膜轉運蛋白等對于物質運輸的影響，讓深度學習自然發生，培養學生運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。

二、教學目標

基于新版課程標準的要求，為培養學生核心素養，制定了如下教學目標：

（一）建構細胞膜的流動鑲嵌物理模型，解釋主動運輸和胞吞胞吐的特點和意義，在解決問題中培養科學思維觀念。

（二）結合主動運輸和胞吞胞吐，說明囊性纖維病、阿米巴痢疾的成因，宣揚健康文明生活方式，讓學生形成珍愛生命、尊重生命的生命觀念，以及幫助患者的社會責任意識。

（三）通過建構數學模型，探究能量和膜轉運蛋白對于主動運輸速率的影響，指向深度學習，培養學生的科學探究精神。

三、教學過程

（一）建構物理模型，導入新課

1.利用圖片和動畫，引出細胞膜

教師展示有關流感病毒和人類對抗流感病毒的圖片。

教師：同學們知道為什么要戴口罩嗎？

學生：各種回答，如抵抗病毒、預防疾病等。

教師：流感病毒進入人體時，人體細胞會做出怎樣的反應呢？

學生：各種回答，如被人體消滅、人會得肺炎等。

教師播放一段白細胞吞噬細菌的動畫。

教師：我們可以看到白細胞一直在追趕細菌，它的精神值得我們學習嗎？

學生：學習上要有鍥而不舍的精神。

教師：同學們有沒有非常感動呢？我們是不是應該感謝白細胞呢？

學生：是的，感謝白細胞幫我們打敗了病原體。

教師展示出感恩的圖片。

教師：當流感病毒進入人體時，我們的白細胞也會做出相似的反應。那么流感病毒是如何進入白細胞的呢？要進入一個細胞，首先要通過的就是細胞的邊界，那是什么呢？

學生：細胞膜。

設計意圖：通過社會熱點流感病毒的圖片引入新課，設置問題串，引導學生轉移到白細胞，通過動畫的展示，提示讓學生在學習上也要有這種堅持不懈的精神，同時也要感謝白細胞為我們的生命做出的犧牲。此過程圖片和動畫的展示有利于引發學生積極思考和學習的興趣，也滲透了珍愛生命，關注健康的意識。進一步提出流感病毒需要通過細胞邊界才能進入細胞，由此引出下一個概念——細胞膜，而白細胞的細胞膜就是本節教學設計的情境主線。

2.建構白細胞膜模型，導入新課

教師：請同學們通過以下填空復習鞏固知識，并由此建構一個白細胞的細胞膜流動鑲嵌模型。

細胞膜主要由 " " "分子和 " " "分子構成的。磷脂雙分子層是膜的 " " ，其內部是磷脂分子的疏水端，水溶性分子或離子不能自由通過，因此具有屏障作用。蛋白質有的 " " 在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部 " " "入磷脂雙分子層中，有的 " " "于整個磷脂雙分子層。這些蛋白質分子在物質運輸等方面具有重要作用。

學生活動1：建構一個白細胞的細胞膜流動鑲嵌模型。請同學們分小組將材料包中的“4種膜蛋白”和“磷脂雙分子層”（見圖1）建構細胞膜模型，并標出細胞的內、外側。教師選一組同學代表上黑板用教具建構模型。

圖1 四種不同膜蛋白和磷脂雙分子層

教師對學生在黑板上建構的細胞模型進行評價。

教師：水是生命之源，那么水是如何進入白細胞的呢？

學生：自由擴散或者協助擴散。

教師：兩種方式分別是通過細胞膜的什么

結構？

學生：自由擴散是磷脂雙分子層，協助擴散是水通道蛋白。

教師：所有的動物細胞都會吸鉀排鈉，那么鉀離子是如何進入白細胞的呢？那么流感病毒又是如何進入白細胞的呢？

學生討論。

教師：因為鉀離子是水溶性的離子，不能通過磷脂的疏水端，所以是利用載體蛋白通過主動運輸進入白細胞的。而流感病毒是大分子的顆粒物質，是不能通過磷脂和蛋白質，它利用膜上的糖蛋白識別，通過胞吞進入白細胞的。

設計意圖：生命的起源與進化中最重大的事件之一，就是具有生命的細胞膜的出現。細胞膜的選擇透過性是細胞維持生命活動和自身相對穩定的基礎，這一功能特點的結構基礎就是生物膜的流動鑲嵌模型。通過回憶填空溫故知新，學生建構白細胞膜的流動鑲嵌物理模型，既回顧了前一節水分子通過細胞膜是通過自由擴散和協助擴散兩種方式，又引出了本節的主動運輸和胞吞胞吐兩種方式，把兩節內容通過白細胞的細胞膜串成了一條情境主線，幫助學生形成結構和功能觀。

（二）建構物理數學模型，總結主動運輸的過程、特點和意義

1.閱讀教材總結，演示主動運輸過程

閱讀教材69頁最后一自然段，師生總結主動運輸的5個步驟：結合→能量推動→空間結構改變→轉運并釋放→恢復。

學生活動2：請學生代表在黑板上利用物理模型演示主動運輸過程。

設計意圖：回歸教材，通過學生模型演示活動，活躍了課堂氣氛，體現了以學生為主體的理念。學生通過對文字的理解和演示活動，認識主動運輸通過載體結構的改變來完成物質轉運的事實，體現了結構與功能觀[1]，突破了本節的重難點，有利于學生理解和記憶。

2.分析資料，總結主動運輸特點

請學生閱讀教材內容和學案上4段資料，逐步總結出主動運輸的特點和需要的條件，并歸納出主動運輸的概念。

資料1.槍烏賊神經細胞內部的Na+含量僅為外部的十分之一。如果向槍烏賊的神經細胞內部注射帶有標記的24Na+，不久就可以測得神經細胞周圍的溶液中存在24Na+。

結論1：這說明Na+可以_________（順/逆）濃度地跨膜輸出細胞。

資料2.如果加入氰化物（氰化物抑制細胞呼吸，細胞呼吸產生ATP，ATP可以提供能量），24Na+的外流迅速停止；當追加注射ATP時，24Na+又重新外流，直至ATP用完。

結論2：這說明物質逆濃度梯度跨膜運輸需要消耗_________。

資料3.當用藥物抑制神經纖維膜上的載體蛋白的活動時，Na+的移出再次停止。

結論3：這說明物質逆濃度梯度跨膜運輸需

要 _________。

資料4.心肌細胞可以從血液中逆濃度梯度地吸收Ca2+、K+。有研究發現，若對心肌細胞施用某種毒素（抑制載體蛋白活性），可使心肌細胞對Ca2+吸收量明顯減少，而對K+的吸收則不受影響。

結論4：一種載體蛋白通常只適合與_________結合。載體蛋白與所轉運的物質之間具有高度的_________性。

設計意圖：通過資料1、2和3，師生共同總結出離子的運輸是逆濃度的，需要能量和載體蛋白，幫助學生形成物質與能量觀。通過第4個資料和圖片得出載體蛋白運輸的專一性，有助于學生結構與功能觀的建立。在分析資料的過程中，需要學生自主探索思考和研究，并且從資料中篩選、整理、提取關鍵信息，能在實踐中學會運用所學知識的技能，提升解決實際問題的能力，培養了學生自主學習的習慣和能力，也培養了科學思維。

3.小組合作建構數學模型，歸納主動運輸意義

學生活動3：建構主動運輸的數學模型。分小組討論并在學案的坐標圖（見圖2）中畫出曲線，并請每組學生代表上黑板展示，教師給予評價。

教師總結：其實自然界中主動運輸的例子還有很多。事實1：人的甲狀腺濾泡上皮細胞可以主動地吸收碘離子，小腸細胞可以主動吸收氨基酸和葡萄糖，植物可以主動地從土壤中吸收鎂離子和鉀離子。教師展示兩種生物的圖片，生物中還有主動排出體內多余鈉離子的實例。事實2：生活在海邊的動物海鷗可以通過眼部的鹽腺和唾液分泌出多余的鈉離子。事實3：鹽堿地中的植物桐花樹可以通過葉片分泌出多余的鹽?？梢娭鲃舆\輸是普遍存在的，師生共同歸納總結出主動運輸的意義。

教師講述：如果主動運輸出現問題，我們的生命活動就會受到影響。比如，囊性纖維?。ㄕ故驹摬〉南嚓P圖片和致病機理），癥狀是咳嗽痰多、呼吸困難、細菌感染，研究發現主要是細胞膜上運輸氯離子的載體異常而引起的。

設計意圖：讓學生通過小組討論后畫出主動運輸的曲線，建構數學模型。此環節對于學生來說難度較大，教師可以對學生小組進行現場指導提示。小組合作可以讓學生相互交流溝通想法，提高口頭表達能力和溝通能力，在共同完成任務的過程中培養他們的團隊協作能力和合作意識。建構的數學模型可以更直觀地幫助學生理解主動運輸。教師通過圖片列舉出的幾個主動運輸的實例，擴大了學生知識面，認識到它的普遍性。通過囊性纖維病的介紹，讓學生明白主動運輸存在的意義，培養了生命觀念，讓學生更關注健康，珍愛生命。

（三）合作探究，總結胞吞胞吐過程、特點和意義

學生閱讀教材71頁第二自然段，討論總結歸納出胞吞的三個步驟：結合→內陷→進入細胞內部。

學生活動4：學生代表上黑板用教具演示胞吞過程。

教師提問，學生思考：當白細胞將病毒吞入后，它會去哪里呢？這些物質會形成囊泡，和溶酶體融合，被消化分解，最后的殘渣廢物會通過囊泡排出細胞，這種方式就是胞吐（見圖3）。教師展示馬達蛋白運輸囊泡的動畫圖，師生共同總結出胞吞胞吐的條件：能量和膜上的蛋白質。

教師展示電子顯微鏡下看到的痢疾內變形蟲，它可以通過胞吞吃掉人體的細胞，又可以通過胞吐排出代謝廢物。如果感染了它，就會得阿米巴痢疾。這種病是通過飲食傳播的，教師溫馨提醒學生不要吃路邊攤，注意培養良好的個人衛生習慣。

設計意圖：通過建構物理模型，讓學生掌握了胞吞胞吐的過程，明白了它們也需要膜上蛋白質的識別。通過囊泡運輸的動畫，讓學生總結出這個過程依賴于細胞膜的流動性，也就是分子的運動，所以是需要消耗能量的。最后通過圖片的展示，讓學生認識了阿米巴痢疾和變形蟲有關，引導學生關注健康的生活方式，培養了學生的社會責任和生命觀念意識。

（四）深化小結，比較不同的跨膜運輸方式

根據本堂課的板書（見圖4），師生共同總結歸納出不同物質輸入輸出白細胞的方式的條件、實例等。

通過表格（見表1）總結對比不同運輸方式的運輸方向、是否耗能、需要的膜蛋白和物質實例，除自由擴散其余方式均借助膜蛋白，這又一次體現了蛋白質是生命活動的承擔者。一般來說，一種轉運蛋白只能轉運一種或一類物質，它是細胞膜具有選擇透過性的結構基礎。胞吞或胞吐也需要膜上特定蛋白質的參與，它們需要依賴細胞膜的結構特點——流動性。

設計意圖：本節課是第4章的最后一節，學習結束需要對本節課學習的各種物質跨膜運輸方式的特點進行總結對比，能通過特點、條件、實例、圖表等直接判斷不同的運輸方式，故最好的辦法就是利用表格進行歸納對比和提煉總結。師生共同完成的白細胞物質運輸的物理模型展示在黑板上，讓學生更直觀地看到不同物質跨膜運輸的異同。通過師生共同總結歸納，在課堂教學中將抽象的文字轉化為圖表的形式，能擺脫記憶枯燥知識的束縛[2]，讓學生對新課標中“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”這一重要概念能更好地理解和掌握，培養了學生的科學思維，提高了課堂教學效率。

（五）課堂小檢測，學習效果評價

本堂課最后通過兩道選擇題對學生學習效果進行檢測評價。

設計意圖：通過兩道例題可以評價學生對兩種耗能的跨膜運輸方式特點的掌握情況。例1的曲線圖讓學生明白離子大部分是主動運輸的，需要消耗能量，不同離子需要載體蛋白是具有特異性的。例2讓學生掌握胞吞胞吐的特點，但針對的是少數大分子物質，并不是跨膜運輸中最基本的方式。兩道例題的反饋說明學生能較好地掌握本節內容的重難點，能運用課堂所學的生命觀念，探索生命活動規律，解決實際問題。

四、教學反思

教學情境的創設應圍繞現實問題（包括熱點問題），盡量做到新穎、真實、科學、恰當，有一定的信息量和適當的復雜度，能夠成為學生運用學科知識分析和解決實際問題的載體。知識不是單純地重復和記憶，需要學生主動地探尋和使用，課堂教學也不是教師將事實性知識或思維直接傳遞給學生，而是學生個人的思維過程、個人對知識的主動建構過程[3]，因此培養學生科學思維非常重要。本節課的教學設計和實施中基本達到了預期教學目標，但也存在一些問題：首先本節課主要采用了建構模型來突破重難點，但是模型較為單一；其次，生物本來就是以實驗為基礎的學科，如能在課堂中加入一些創新的演示實驗或者學生實驗，課堂就會更精彩。另外，如果針對學習層次更高的學生，可以適當加入簡單的實驗設計，以期提升學生的科學探究素養。

結束語

本節課通過情境創設、模型建構、問題驅動將學生與教材，以及健康生活之間建立有效連接，進行了深度理解、深度探究、深度思維。課堂中的小組合作、模型演示等學生活動貫穿始終，學生的參與度較高，學生為主教師為輔的課堂實現了學習方法的指導、認知結構的完善、科學思維的培養、學習成就感的獲得。

參考文獻

[1]朱正威，趙占良.生物學必修1分子與細胞教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2019：211-222.

[2]湯云湞.“主動運輸與胞吞、胞吐”一節的圖表教學[J].生物學教學，2022，47（7）：81-83.

[3]劉恩山，曹保義.普通高中生物學課程標準解讀[M].北京：高等教育出版社，2020：9.