挖掘“物质跨膜运输”的“能量本质”的教学探讨

肖巧玲 李越

生命系统存在于无机世界之中，必然遵循万物之理——物理。教师将生物学知识放在物理情境下解释，将有助于学生更加准确地把握知识点。《普通高中生物课程标准（实验稿）》中要求：初步形成生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与统一性的观点。把生命活动在局部的结构和功能的多样性建立在整个自然的结构和功能的统一性的物理学规律的基础之上，这也有助于学生形成科学的世界观和辩证唯物主义的自然观。下面以“物质跨膜运输”一节教学为例探讨如何在生物学课堂中渗透物质运输的能量本质。

1 “物质跨膜运输的实例”教材分析

1.1 教材分析

人教版从《必修1·分子与细胞》“物质跨膜运输的实例”一节开始介绍细胞的功能，承接了前面3章所介绍的细胞的分子组成和细胞结构。这一章围绕细胞膜的结构和功能，由浅入深，由感性到理性，循序渐进地向学生说明了细胞膜的结构和功能，以及二者相统一的观点。“物质跨膜运输的实例”这一教学内容一个重要的知识点是渗透的原理，教材中采用半透膜的物理装置通过液柱的移动来呈现渗透现象。

1.2 对“物质跨膜运输的实例”常用的教学方式分析

（1） 常用的教学方式：

利用物理渗透装置介绍渗透的相关原理，再引入对哺乳动物红细胞以及成熟的植物细胞吸水和失水现象的分析比较是教师对这部分内容常见的教学程序：① 教师从生活经验入手，用墨水在清水中的扩散等为例，吸引学生注意力，引导学生进入学习情境。对于物理渗透装置，多数教师的处理方式是围绕渗透作用发生的两个条件——具有半透膜、存在浓度差，设计实验或围绕课本“问题探讨”中的三个问题设计问题串。传统教学中，部分的学习以学生认识到渗透作用发生的两个条件为最终目标，然后教师以这一学习结果为前提，帮助学生理解动植物细胞的渗透实验；② 通过回忆以哺乳动物红细胞为材料制备细胞膜的实验，教师带领学生分析实验现象、条件等，然后将其与物理渗透装置进行类比，得出哺乳动物红细胞的细胞膜相当于一层半透膜，并继续推广到其他动物细胞；随后，对于成熟植物细胞，教师引导学生分析成熟植物细胞的结构特点。结合前面两个实验，教师可以引导学生提出问题：“水分跨成熟植物细胞的运输是通过渗透作用完成的吗？”然后，用渗透的观点作出假设；最后师生通过完成成熟植物细胞质壁分离和复原实验以及类比前面两个实验来验证假说。

（2） 教学分析：

以上教学看似完美，但在访谈中仍发现学生在学过“物质跨膜运输的实例”一节后仍有这样的疑惑：从物理学概念“力”的角度看，支持上升的这一段液柱的力是什么力？从“能量”的角度看，物理学中的重要思想——能量守恒定律讲的是能量不可能凭空产生，也不可能凭空消失，它只能从一种形式转化成另一种形式，那么，上升的一段液柱所带来的重力势能的增加是从何而来？由于漏斗内是蔗糖溶液，烧杯里是清水，即漏斗内的蔗糖溶液浓度始终高于烧杯中溶液，按照课本上的思路，水分子理应持续不断的从烧杯中向漏斗中渗透，那么，水分子的运动究竟怎样能够达到平衡呢？

这些疑问说明学生并没有真正理解渗透现象的科学原理，只是暂时记住了渗透作用发生的两个条件，而对于为什么满足了这两个条件就会有液面升高没有深刻的认识，也不能深刻地理解这两个条件的意义。教材所隐含的大量教学资源也需要被挖掘，如对于物理渗透装置中涉及到的能量、渗透压等概念。只有当学生将新知识与原有的能量、压强等知识结合起来，对这液柱进行深入的讨论，上述隐藏在学生思维深处的困惑才会外显出来，所以对这段上升液注的讨论是突破现象看本质的钥匙。

2 相关文献探讨

通过对中国知网收录的相关文献的查阅，共收集到三篇关于对该节内容教学策略进行探讨的论文。① 汪忠教授（2006年）关于这一节教学的研究，建议通过演示实验让学生观察现象，从现象中得出结论，实现从现象到结论的过程，并且改进实验装置，培养学生提出问题、设计实验、进行实验、得出结论的科学素养。② 刘小平（2011年）以杠杆平衡演示实验为切入点，以问题为导向进行探究实验，通过层层铺垫、巧设“路标”引领学生自主提出问题、探究问题、获得结论。③ 洪永清（2015年）提出通过观察渗透现象，探究动物细胞在不同浓度溶液中形态发生变化的原因，实施“植物细胞的质壁分离和复原”实验等教学过程，使学生在习得相关知识的同时领悟科学探究的一般过程和方法。这三种教学策略各有特点，教学目标都以领悟探究过程、培养探究能力为主，但都是局限在生物学这一范畴进行讨论。这使得这一部分内容成为了知识海洋中的一个孤岛，学生回忆起这一内容时，很难和其他学科知识建立联系。

文献查阅还可知有教师也发现学生对动态平衡机理产生疑惑，但对此的教学建议是用化学反应中的动态平衡原理来类比解释，并没有解答与该现象发生有关的能量的原理。这样的教学处理易导致学生通过浅层表象来记忆，根本上没有摆脱机械记忆的桎梏。只有当学生能够从“渗透压”与“能量转化”关系这一知识层次解释这一现象时，知识框架才会在学生脑子里建立起来，形成真正的科学知识体系。

2 基于跨学科教学角度的教学建议

2.1 理解“渗透”的科学过程

在科学术语中，扩散是指物质中的分子由高浓度向低浓度运动，直至均匀分布、达到动态平衡的现象。很多教师从扩散的概念出发，将水的运动方向总结为：水分子的运动是顺着浓度梯度而流动。这一解释并未触及扩散的本质。无论是在气体、液体或者是固体中，凡存在浓度差即存在能量，物质的扩散本质上是在能量的推动下进行的。人教版中关于渗透压的定义是“所谓溶液渗透压，简单地说，是指溶液中溶质微粒对水的吸引力”，这一描述学生不容易理解。事实上，渗透压是溶液的固有属性，在数值上等于施加于浓溶液液面上的恰好能阻止渗透继续发生的额外压强。范托夫公式表示，在一定温度下，溶液的渗透压与单位体积溶液中所含不能通过半透膜的溶质的粒子数（分子数或离子数）成正比，而与溶质的本性无关。

典型的渗透装置（图1）中有三种状态要注意分析。图1a所示渗透作用刚开始，此时，漏斗内蔗糖溶液的渗透压远大于烧杯中的渗透压。水分子进入漏斗的速率大于出来的速率，从而导致漏斗内液面升高，继而升高的水柱产生的压强越来越大，同时随着水分子进入漏斗，漏斗内的溶液浓度降低，渗透压降低。图1b所示漏斗内渗透压降低到与上升的水柱产生的压强相等时，水分子进出漏斗的速率一致。此时漏斗内稀溶液的渗透压等于漏斗中高出烧杯液面的液注产生的压强，即1b图中，漏斗内溶液的渗透压的大小等于高度为h的水柱产生的压强。如图1c所示，也可以用一个外力来抵消渗透压的作用，使水分子的运动达到平衡状态。因此，以上三个图示的分析，便能把渗透压的概念量化成一定高度的水柱或者是一个固定大小的外力产生的压强，便于学生理解。同时这个过程实现了由渗透压产生的能量向水柱的重力势能的转化。

2.2 将科学过程转化为教学过程

物理渗透装置是整节课的开始，也是最直观，最简洁的展示科学过程的教学内容。如何在物理渗透装置部分帮助学生理解科学过程是教学成败的关键。建议教师以效果显著的课堂实验为开端辅以课件展示，以学生已有的生活经验和知识为基础，围绕能量概念和原理铺设问题、解释渗透作用，引导学生用渗透作用解释动植物细胞的吸水和失水，最终将复杂的生物新知识与学生已有的能量等物理知识相结合，从而帮助学生建构自身的知识体系。

第一环节：问题驱动引出“能量”本质。

教师利用自制的物理渗透装置进行实验。在此基础上，教师依次抛出3个问题：实验前后，实验装置都发生了哪些变化？驱使液面上升的力是什么力？能量不可能凭空产生，也不可能凭空消失，它只能从一种形式转化成另一种形式，那么，上升的这一段液柱所带来的重力势能的增加从何而来？由于受到知识储备的限制，高中生往往很难把浓度的改变和液注上升联系起来。这就需要教师帮助学生突破限制，指出上升的液柱所产生的重力势能来自于蔗糖溶液和清水之间的浓度差产生的能量，并且说明半透膜在这一过程中允许水分子通过，而不允许蔗糖分子通过，从而造成漏斗液面升高，引导学生尝试利用物理学中的能量守恒的观点对实验现象进行总结和归纳。教师还可以通过概括的方式，在更多的科学事实下帮助学生得到一个观点：凡存在浓度差，即存在能量，如香水分子在空气中的传播等。

第二环节：类比方法直观认识“能量”。

教师通过课件的形式，帮助学生回顾以哺乳动物红细胞为材料制备细胞膜的实验。教师引导学生利用浓度差即为能量这一观点分别解释在低渗、高渗溶液中水分子发生渗透的方向以及红细胞的行为变化，进而学生可以将其与物理渗透装置进行类比，从细胞体积形态的变化，直观感受能量带来的细胞膜的伸缩运动。

第三环节：围绕“能量”探究学习。

教师从生活现象入手进行提问，结合前面两个实验，引导学生提出问题：植物细胞吸水和失水是通过渗透作用完成的吗？教师引导学生用物理概念和规律对植物细胞失水现象进行解释，即做出假设的过程。教师要求学生结合成熟植物细胞的模式图解生理解细胞壁、细胞质、液泡等结构在实验中所起到的作用，以此为基础，设计实验，实施实验，验证假说，得出结论。这样做的目的是使学生能够剥离出非本质的因素，在成熟植物细胞这一特定的情景下利用概括性更大的原理解释质壁分离与复原实验。

4 反思

德国物理学家普朗克曾经说过：“科学是内在的统一体，它被分解为独立的部门不是由于事物的本质，而是由于人类认识能力的局限性，实际上存在着从物理到化学，通过生物学和人类学到社会学的连续链条。”由于各学科内部自成体系，对同一问题的解释常出现表达的不同，各学科教学中也常常出现知识重叠、知识点前后衔接不上、教学资源的浪费等。教学过程中，教师需要站在多学科的角度思考生物知识，运用学生熟悉的其他领域的知识解释生物概念往往能取得意想不到的效果。

参考文献：

[1] 陈维，汪忠.“物质跨膜运输的实例—水分的跨膜运输Ⅰ”的探究式教学[J].实验教学与仪器，2006（05）：11-14.

[2] 刘小平.“物质跨膜运输的实例”的教学突破[J].生物学教学，2011（03）：8-9.

[3] 洪永清.“物质跨膜运输的实例”一节的探究式教学设计[J].生物学教学，2015（01）：29-31.