类比在生物学教学中的应用

郑赛彬 高育蒙 陈秉初

摘 要 基于TWA模式，以“物质出入细胞的方式”一节为例，通过教学设计来探讨类比在生物学教学中的应用。

关键词 类比 生物学教学 TWA模式

中图分类号 G633.91 文献标识码 B

类比是一个将两个不同领域的知识系统，借由彼此间某种结构的相似性，由已知系统（又称类比物）推导至欲知系统（又称目标物），从而获取知识的过程。类比在科学教学中扮演着重要的角色，是一种有效的科学学习方式，可以促进学生科学知识的产生与精加工。近年来类比的相关研究逐渐受到重视，尤其国外学者对类比的设计、教科书中所含类比的内容分析等研究关注较多，而且证了实类比教学的有效性。此外，国外一些学者依据不同的理论，将类比应用于教学，提出了多种类比教学模式，其中比较典型的类比教学模式有GMAT模式和TWA模式。下面基于TWA模式，通过教学设计来体现类比在生物学教学中的应用。

1 TWA模式（Teaching with Analogies Model）

TWA模式是由Glynn提出的一种类比教学模式。TWA模式包括6个教学步骤：（1） 介绍将要学习的科学概念（即目标物）；（2） 唤起学生对类比概念（即类比物）的记忆；（3） 辨认类比物的特征；（4） 标出目标物和类比物的相似特征；（5） 得出科学概念的结论；（6） 指出非类比之处。

Glynn指出TWA模式具有下列优点：（1） 假如教科书中所使用的类比没有清楚地解释，或是安排方式不恰当，则TWA模式可为教师提供教学时的参考；（2） 若只提供类比教材让学生自行阅读，可能会因为学生对科学概念的了解不完整或不正确，而导致学生迷思概念的产生。此时，如果让学生熟悉TWA模式，再让他们自行阅读或设计类比，可增加学生对科学概念的理解。

Glynn在TWA模式的教学步骤上，尤其强调教师应该将类比概念与科学概念之间的对应关系解说清楚。Duit也提到使用TWA模式时，要特别注意教学步骤2~5，留意学生们所了解的类比是否与教师所预想的一致，并且确定学生能真的了解类比的相似之处。TWA模式最重要的环节是步骤4和步骤6，因为只有当学习者清楚地了解目标物和类比物的相似之处时，才有助于映射的顺利产生。教师还应该时刻提醒学生注意类比的失效之处，以免产生不恰当的过度推论。本研究认为Glynn的TWA模式，步骤清晰，适用于实际教学，可以为教师运用类比进行教学提供参考依据。下面以高中生物“物质出入细胞的方式”一节为例，通过课堂教学设计具体分析TWA的应用。

2 “物质出入细胞的方式”的教学设计

2.1 学习任务分析

细胞是生物体结构和功能的基本单位，它不仅与周围的环境之间发生物质交换，而且与周围的其他细胞之间也要发生物质交换。因此，学习“物质出入细胞的方式”非常重要，它不仅与第二章中质膜的结构和功能有着密切的联系，而且与所有新陈代谢的活动密切相关，如叶绿体和线粒体代谢过程中的物质转运方向,神经纤维上兴奋传导的实质等。学生对“物质出入细胞的方式”的顺利掌握是准确理解生命活动实质的基础。

2.2 学习者分析

学生已经掌握细胞膜的结构基础，了解细胞是由一层具有选择透过性的质膜包被着，这为本节课的学习打下了认知的基础。同时，学生具备了一定的化学和物理知识，能理解浓度高的溶液渗透压高，地势高的物体具备的势能大，这有助于通过分析“物体在河流上下游间的运输”来类比学习“物质出入细胞的方式”。

2.3 教学目标

（1） 知识目标：简述扩散的特点；阐明渗透的概念及原理；概述被动转运和主动转运的概念；区别被动转运和主动转运两种不同的方式；概述胞吞和胞吐两种方式。

（2） 能力目标：通过分析“物体在河流上下游间的运输”来类比物质出入细胞的各种方式，初步学会用类比的思维理解生物学的重要概念；通过区别物质进出细胞的不同方式，学会分析问题。

（3） 情感、态度与价值观目标：通过理解扩散和渗透作用的过程，知道生命活动不断发展变化以及适应的特性，学会自觉地用发展变化的思维认识生命；通过联系生产、生活等实际，产生学习生物学的兴趣和关心社会生活的意识。

2.4 教学重点和难点

（1） 教学重点：渗透作用的原理。

（2） 教学难点：被动转运和主动转运的区别。

2.5 教学过程

（1） 介绍要学习的概念。

概念介绍：

① 细胞膜是选择透过性膜；

② 扩散：H2O、CO2、O2、甘油、乙醇等小分子物质仅依赖浓度差通过细胞膜；水分子的扩散即为渗透。

③ 易化扩散：葡萄糖等从高浓度溶液到低浓度溶液的扩散需要载体协助，但不需要额外提供能量。如葡萄糖进入红细胞。

④ 主动转运：离子、氨基酸等物质从低浓度运输到高浓度既需要载体的帮助，又需要克服浓度差做功，并且需要消耗能量。

⑤ 胞吞和胞吐:大分子蛋白质等物质出入细胞不需要载体,但需要消耗能量并依赖细胞膜的流动性,形成具膜小泡,通过膜的融合方式完成。

（2） 唤起学生对类比物的记忆。

先展示一张河流图和一张拱桥图（图1）。

教师引导学生回忆及讨论：

① 河流上游和下游的特点：

② 水流的方向。

学生讨论的结果：

① 上游：在河流的上段，地势较高。下游：在河流的下段，地势较低。

② 水流从上游到下游。

（3） 确认类比物的相关特征。

教师设计一系列问题串：

① 假设一个乒乓球要从河流的上游经过桥洞运送到下游,最简单的办法是什么？是否需要载体？是否需要人额外对其施加动力？

② 假设一个铁球要从河流的上游经过桥洞运送到下游,最简单的办法是什么？是否需要载体?是否需要人额外对其施加动力？

③ 假设一个铁球要从河流的下游经过桥洞运送到上游,最简单的办法是什么？是否需要载体?是否需要人额外对其施加动力？

学生讨论，并得出结果。

① 乒乓球可直接从上游经过桥洞漂向下游。

② 铁球需借助载体如小船从上游漂到下游。

③ 铁球从下游运往上游需要载体如小船,还需要划动船桨消耗能量才可以克服势能。

（4） 对应目标物与类比物两者的相似性。

类比：物质出入细胞的方式，如扩散、渗透、协助扩散、主动运输，可以类比为物体在河流上下游间的运输。物质跨膜运输过程中膜两侧具有浓度差的溶液可类比为河流的上游和下游，上游和下游之间的拱桥可类比为细胞膜，桥洞就是物质穿过的通道，不同大小的桥洞代表不同物质经过的通道。具体目标物和类比物对应如表1。

概念类比：“扩散”可类比为把乒乓球从河流的上游经桥洞运送到下游，“易化扩散”可类比为把铁球从上游经桥洞运送到下游，“主动转运”可类比为把铁球从下游经桥洞运送到上游。

学生讨论： 根据类比物的特点,讨论扩散、渗透、易化扩散、主动转运的特点。

学生讨论结果见表2。

（5） 归纳目标物的重点。

教师归纳提升：归纳各概念之间的相同点和不同点：如载体的需要、能量的消耗、物质的移动方向、穿过膜的层数等。再让学生试着用“滑滑梯”方式来类比物质的跨膜运输，再次建构新知识，深化对概念的理解。

（6） 指出类比的限制。

教师引导学生反思：指出以上的类比只是帮助理解的比喻，有局限性。

学生讨论：分别讨论扩散、渗透、易化扩散、主动转运的类比物的局限性。

学生讨论的结果：

① 扩散:河水只能从上游流向下游，但扩散的过程是一个动态变化过程，低浓度溶液中的溶质分子可以扩散到高浓度溶液中，但由于高浓度溶液的溶质分子扩散到低浓度溶液的分子数远远大于低浓度扩散至高浓度的分子数，因此总体表现出高浓度的溶质分子向低浓度溶液扩散的结果。

② 渗透：当扩散的对象为水分子时，则是低浓度溶液中水分子向高浓度溶液扩散的量大于高浓度溶液中水分子向低浓度溶液扩散的量。

③ 易化扩散与主动转运：小船类比为载体，但载体是位于细胞膜上，构成细胞膜的组成成分，不能像小船一样主动到码头载人或物；且载体具有专一性，不同的物质需要不同的载体。

教师补充：当需要跨膜运输的物质是大分子物质如蛋白质等物质的时候，细胞膜上的载体或磷脂双分子层都不允许它穿过，大分子物质只能通过胞吞和胞吐的方式进出细胞。

类比：胞吐可类比为吹泡泡的过程，可以把嘴巴里面的口香糖类比为一个细胞，每吹出一个泡泡就相当于送出一个蛋白质分子。

教师提问：吹泡泡的过程需要消耗能量吗？送出蛋白质分子的过程需要载体吗？蛋白质分子有没有穿过细胞膜？

教师总结：归纳出胞吞胞吐是一个不需要载体，但需要能量ATP，并且没有穿过细胞膜的运输过程。

2.6 教学反思

生物学课堂中类比方法的应用是普遍存在的，当教师试图把一个新概念向学生解释清楚时，总是会去寻找与之相关的知识或相关的生活经验，以帮助学生了解不熟悉的概念，协助他们在已有知识的基础上顺利建构新知识。例如在本节课的教学中，利用学生已有的化学和物理知识，再结合学生自身的生活经验来帮助其理解扩散、易化扩散、主动转运和胞吞、胞吐现象，学生就能较轻松地理解这些抽象的微观概念。但因为类比物和目标物不可能完全对应，若教师没能及时提醒，学生又会过度引申，导致产生误解。如从物理学的角度考虑，如果没有外力作用，物质只能从势能高的地方往势能低的地方跑，那么水分子只能从上游向下游移动，但在渗透过程中，水分子也会从水分子少的溶液向水分子多的溶液方向运动，这可能会影响学生正确理解物质的跨膜运输是一个动态平衡的过程。因此，在使用类比的过程中，教师尤其要关注容易引起学生误解的方面并加以提醒和引导，告诉学生类比的局限性。虽然类比教学存在着不足之处，但其优点是不容忽视的，本文以浅薄的教学经验为大家提供一个类比的教学范例以供参考，望不吝指正。

参考文献：

［１］ Ｄｕｉｔ Ｒ. Ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ａｎａｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔａｐｈｏｒｓ ｉｎ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ［J］. Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ, １９９１, ７５（６）: ６４９–６７２.

［２］ Ｇｌｙｎｎ Ｓ Ｍ. Ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ ｃｏｎｃｅｐｔｓ: Ａ ｔｅａｃｈｉｎｇ－ｗｉｔｈ－ａｎａｌｏｇｉｅｓ ｍｏｄｅｌ. Ｔｈｅ ｐｓｙｃｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ, １９９１: ２１９–２４０.

［３］ 吴相珏，刘恩山．普通高中课程标准实验教科书（生物学必修１）［M］．杭州：浙江科学技术出版社，２００９：５２－５９.