类比推理在《物质跨膜运输的实例》教学中的实施与反思

徐阳

【摘要】本文旨在呈现通过建构渗透模型后进行类比推理，再通过实验验证得出“细胞膜及其他生物膜是选择透过性膜”这一核心概念的科学研究思路。

【关键词】模型建构 类比推理 高中生物教学设计

【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）15-0163-02

科学模型是人们按照科学研究的特定目的，在一定的假设条件下，用物质形式或思维形式再现原型客体的某种本质特征，诸如关于客体的某种结构（整体或部分的）、功能、属性、关系、过程等等[1]。例如DNA分子双螺旋结构模型，种群增长模型等等。

科学研究的宗旨是把认识对象的内在机制由全然未知的“ 黑箱” 转化为半透明的“灰箱”直到全透明的“白箱”[2]。要达到这一目的， 一个非常有效的方法就是进行类比推理。类比推理是科学研究中常用的方法之一。例如萨顿将看不见的基本与看得见的染色体的行为进行类比，根据其惊人的一致性，提出基因位于染色体上的假说。

因此，本节教学设计重点在于建构渗透模型后进行类比推理并实验验证后得出“细胞膜及其他生物膜是选择透过性膜”这一核心概念。

一、设计思想

本节课的教学是从上一章“细胞膜—系统的边界”一节中细胞膜的功能出发，提出“细胞膜为什么能够控制物质的出入呢？”这个核心问题展开，由渗透装置进行类比推理动物细胞及植物细胞，认识到动物细胞的细胞膜相当于半透膜，植物细胞的原生质层相当于半透膜。然后对类比推理得到的结论进行进一步的实验检验，即通过资料分析中番茄和水稻对不同离子的吸收柱形图，分析得出细胞膜并不是单纯的半透膜，而是可以根据细胞需要进行主动选择的膜。然后讨论这种选择性是普遍存在于各个生物体内的，最终得出核心概念“细胞膜及其他生物膜都是选择透过性膜”。至始至终本节内容都是围绕核心问题和核心概念来进行探究性地学习。

二、教学过程

1.引入

教师以细胞壁不是系统边界，细胞膜有控制物质进出的功能引入核心问题：为什么细胞膜可以控制物质的进出？

2.教师实验展示：萝卜的吸水失水实验

实验准备：取三只大小形状基本一致的红萝卜分别标记为A组B组和C组，并分别在侧面挖1个长宽均约为1cm，深度为2cm的方形坑。其中A组坑内加入半坑清水，B组坑内加入半坑高浓度的蔗糖溶液，C组坑内不做任何处理。三组红萝卜放在培养皿上在同样的条件下静置6小时。学生可以观察到ABC三组红萝卜坑中溶液的体积变化，用手也能感觉到红萝卜的软硬程度变化。

教师引导学生思考为什么会出现这样的变化，并提出问题：A组清水坑里的水少了，水去哪儿了？B组蔗糖坑里的水变多了，多出来的水又是从哪里来的？

学生通过思考可以得出，清水坑里的水进入了萝卜里，所以变少了，即发生了细胞的吸水。B组萝卜细胞里的水出来了所以蔗糖坑里的水变多了，即发生了细胞的失水。正因为细胞的吸水和失水，所以A组萝卜变硬，B组萝卜变软。

教师继续提出问题并引出物理模型——渗透装置：那为什么植物细胞会发生这样的吸水和失水？水是怎样进出细胞的呢？在解决这个问题之前，我们先来看一个跟这个实验现象很相似的实验装置。

3.构建物理模型——渗透装置

教师按照教材设置渗透装置，并引导学生观察，一段时间后漏斗内的液面变化。通过问题串设计引导学生分析实验现象并得出发生渗透作用的条件。

师：漏斗管内的液面为什么升高？

师：为什么水会从清水进入到蔗糖溶液中呢？清水和蔗糖溶液相比，水分子的相对含量是否有差异？

师：这属于物理学上的什么现象？

师：但水分子的这种扩散是经过了一层半透膜的，这种特殊的扩散称作渗透作用。

师：要使漏斗管内液面升高，装置需满足什么条件？

师：如果把半透膜换成纱布/保鲜膜，液面还会升高吗？如果内外都是清水？都是蔗糖溶液呢？如果漏斗内是清水，外面是蔗糖溶液呢？

总结渗透作用发生的条件：①需要有半透膜 ②膜两侧溶液有浓度差

教师引导学生回到萝卜实验中关注水分子的移动是否也是扩散现象。学生通过分析水分子的相对含量能够理解水分子的移动也属于扩散现象。

师：这两个实验的现象如此相似，是否细胞就相当于这里的渗透装置呢？

师：为了解决这个问题，我们需要走进细胞中，去看看细胞吸水失水过程中发生了怎样的变化。

三、教学反思与建议

本节教学过程的实施大约需要两节课的时间，本文内容属理论课，建议于教室中完成，第二节是探究细胞吸水和失水的实验，于实验室内完成。

1.探究实验的处理

本节课的教学设计是旨在将一种科学研究的一般方法相对完整地呈现给学生，重在呈现对“细胞膜是如何控制物质进出”这一核心问题和“细胞膜及其他生物膜都是选择透过性膜”这一核心概念的逻辑推理上。为了完整地呈现这种逻辑推理的设计思想，从而选择性地弱化了本节课中的探究实验“植物细胞的吸水和失水”的研究方法——假说演绎法的体验，将这个探究实验处理成根据实验现象类比推理渗透装置，完成模型的构建。对假说演绎法中提出假说、设计实验、预测实验现象及结论这一部分内容将放在第5章第1节《降低化学反应活化能的酶》中的探究实验“影响酶活性的条件”中在实验室完成。

2. 萝卜实验需知

萝卜的吸水失水实验需要教师至少提前6个小时完成。处理后实验现象可以保持很久。所以建议教师上课前一天的晚上临睡前做好，早上起来后直接放在培养皿里就可以带去实验室里给学生观察了。

3. 渗透装置实验需知

渗透装置中半透膜的选择至关重要。教材中选择的是玻璃纸这种半透膜，可以用生物材料鸡蛋的卵壳膜代替，实际效果很好。鸡蛋卵壳膜简称蛋膜，在生鸡蛋稍尖的一端，轻轻敲出直径大小约1.2 cm的小孔，倒出蛋清和蛋黄，留下蛋壳用清水洗净，浸泡在质量分数为15%的盐酸中15～20 min。处理期间需经常翻动蛋壳，以使蛋壳能均匀浸泡在液体中，待蛋壳变薄变脆后，轻轻用力剥出蛋膜。对于以蛋膜为半透膜材料的装置，将温度控制在35℃—40℃时，用质量分数为0.4—0.5/mL的蔗糖溶液，實验效果较好[3]。

整个实验所需要的时间为6—8 Inin，准备简单，操作方便，实验现象明显，便于课堂的演示。

参考文献：

[1]孙小礼.科学方法中的十大关系[M].北京：学术出版社，197.

[2]李玉兰.类比推理的机制与功能[N].武汉大学学报，1995（3）.

[3]蒋素梅.对“渗透作用”实验的几点改进[J].中学生物学，2012（5）.