借助建构模型深入理解物质进出细胞的方式及拓展分析

孟凡龙 （江苏省扬州大学附属中学东部分校 江苏扬州 225003）

借助建构模型深入理解物质进出细胞的方式及拓展分析

孟凡龙 （江苏省扬州大学附属中学东部分校 江苏扬州 225003）

基于拼图游戏的思维通过剪纸和软磁铁尝试建构物质进出细胞方式的模型，结合意外性生成资源展开分析，并通过设置问题情境拓展分析模型，激发学生学习兴趣，培养理性思维，提升科学素养。关键词 建构模型 跨膜运输 拓展分析

模型和建模在生物学教学中有着重要的教育意义，也是生物学核心素养中理性思维的重要组成部分。“模型”就是模拟所要研究事物原型的结构形态或运动形态，是事物原型的抽象和概括。模型方法是通过构建模型来研究、揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。高中生物学课程中的模型建构活动，其主要价值在于让学生通过尝试建立模型，体验建立模型中的思维过程，领悟建模方法，并获得或巩固有关生物学概念。模型建构式教学方式有利于调动学生全员参与到教学活动中，有利于培养学生主动学习和创造性学习的精神，加深其对科学知识的理解，提高课堂教学效率。

“物质进出细胞的方式”是苏教版高中生物必修一第三章第三节的内容，在高考中的等级要求为B级，该知识点与后续的细胞信号传递有直接联系，对理解细胞的生存和生长至关重要。很多教师在对本节课进行公开教学的过程中，通常以物质进出细胞的动画和图形来分析物质进出细胞的方式，然后用表格总结比较这些方式的特点，这样的教学设计由于学生比较被动地接受知识，使得部分学生经常混淆几种方式的特点，对几种方式的本质缺乏深入的理解，从而导致学生在解题应用时错误率较高。为此，笔者尝试基于拼图游戏的思维依托软磁铁模型活动，深度建构物质进出细胞的方式及其特征。

1 基于拼图思维，尝试建构模型

课前准备：通过剪纸的方式为每个小组制作3张正常细胞膜模式图、1张部分细胞膜凹陷的模式图（模拟胞吞过程）、1张部分细胞膜凸出的模式图（模拟胞吐过程）、10个O2分子、10个C6H12O6分子及其载体、10个氨基酸分子及其载体、2个大分子蛋白质，将其都散乱放置在一张A3纸上（图1），另提供3张A3纸。并将图1中的所有剪纸都制作成稍大型的软磁铁模型教具贴在黑板右侧。

图1 模拟物质进出细胞方式的材料

在新授课或者复习课中，首先要由教师或者学生先简单介绍或复习物质进出细胞的几种方式，师生一起结合生活中的具体实例来分析这几种方式的特点。然后，教师结合模拟物质进出细胞方式的学具，提出下列问题：①细胞膜的主要化学成分有哪些？②细胞膜的基本支架是什么？细胞膜有几层膜？③物质进出细胞的方式分别体现了细胞膜有怎样的结构特点和功能特点？

活动要求：教师明确第1、3、5、7小组（即奇数组）的学生通过组内成员的交流协作，分别在4张A3纸上一起建构O2分子、C6H12O6分子、氨基酸分子、大分子蛋白质这4种物质进入细胞过程（即自由扩散、协助扩散、主动运输和胞吞）的模型；第 2、4、6、8 小组（即偶数组）的学生分别在4张A3纸上一起建构O2分子、C6H12O6分子、氨基酸分子、大分子蛋白质这4种物质输出细胞过程（即自由扩散、协助扩散、主动运输和胞吐）的模型。教师要提醒学生注意物质输入和输出细胞时的区别。

小组活动1：物质分配。每个小组的组长将4张A3纸分配给组内的同学，并确定好每张A3纸模拟的是哪种物质进入或输出细胞的过程，然后将散乱分布的4种物质分子分别分配到相应的A3纸上；同时，请4位学生将黑板上的软磁铁模型进行分配。此时有的小组会出现两种载体、蛋白质、能量和细胞膜模式图的混乱放置。教师及时把握这些意外性的生成资源，通过设置下列问题串来引导学生修正有关物质的分配：① 哪些方式才需要载体？② 载体的化学本质是什么？③ 运输不同物质的载体会有什么样的区别？④ 大分子蛋白质如何进出细胞？⑤ 哪些方式需要消耗能量？

小组活动2：建构模型。通过交流讨论分析，各小组成员的A3纸上一般都分配了正确的物质。接着，学生在对应的A3纸上通过移动相关剪纸来模拟相应物质进出细胞的过程模型，同时请4位学生通过移动黑板上的软磁铁模型来模拟相应物质进出细胞的过程（图2、图3）。在建构物质进出细胞模型的过程中会出现很多的问题，一般小组常出现以下错误：① 细胞内外物质分子的数目（模拟物质浓度）摆放错误，尤其是氨基酸的数目；② 载体或蛋白质的放置错误；③ 能量的放置错误。

图2 模拟物质进入细胞的方式

图3 模拟物质输出细胞的方式

2 把握生成资源，修正建构模型

针对这些意外生成资源，教师通过下列问题串来引导学生修正模型，同时深入分析模型：① 三种物质跨膜运输方式中细胞内外的物质浓度有何区别？② 结合模型图分析，除了物质浓度外，还有哪些因素会影响物质的跨膜运输？③ 图3中的a、b、c三幅图在现实生活中可能发生吗？若不可能，应改成什么物质？对于问题①，学生很容易回答出只有主动运输是逆浓度梯度进行的，即由低浓度流向高浓度。学生尝试绘制三种跨膜运输方式中物质运输速率与物质浓度的关系曲线，教师要逐步引导学生注意曲线绘制中的坐标轴含义、起点、终点和拐点。为了区分协助扩散和主动运输，教师还可以引入细胞内外的物质浓度与时间的关系曲线。对于问题②，教师引导学生逐个分析载体、能量和温度对物质的跨膜运输的影响，同时请学生尝试绘制三种跨膜运输方式中物质运输速率与氧气浓度（以及呼吸速率）的关系曲线，并比较它们的异同点。对于问题③，教师结合具体生活实例引导学生修正相关物质的名称，同时对物质进出细胞的几种方式进行适当的拓展分析。

3 设置问题情境，拓展分析模型

（1）除了模型中的氧气，还有哪些物质能以简单扩散方式进出细胞？它们进出细胞的速率相同吗？

在简单扩散的跨膜转运中，不需要细胞提供能量和膜蛋白的协助，其通透性主要取决于分子的大小和极性，疏水的小分子、小的不带电荷的极性分子更容易跨膜运输。所以不同的物质跨膜转运的速率差异极大，即不同分子的通透系数有很大差异，如氧气、氮气和苯等物质极易通过细胞膜，水分子较容易通过，尿素的通透性比水分子低100倍。然而即使这种低速的转运在细胞生命活动中也具有一定的生理功能。

（2）细胞膜上的蛋白质都是载体蛋白吗？一种载体蛋白只能运输一种物质吗？

各种细胞膜结合蛋白中，有15%～30%是膜转运蛋白，用来介导物质的跨膜运输。膜转运蛋白可分为两类：一类是载体蛋白，它与特异性的溶质结合后，通过自身构象的改变以实现物质的跨膜转运，既可介导被动运输，又可介导逆浓度或电化学梯度的主动运输；另一类是通道蛋白，它不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道实现对适宜大小的分子和带电荷离子的跨膜转运，只能介导顺浓度或电化学梯度的被动运输。多数情况下，离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后才会开启，在神经元与肌细胞冲动传递过程中起重要作用，含羞草的闭叶反应、草履虫的快速转向运动、内耳听觉的感应等都与离子通道有关。

载体蛋白在参与协助扩散或主动运输的过程时,可能是单向运输（即只运输一种分子由膜的一侧到另一侧）或协同运输（即运输两种物质，若它们的运输方向相同，称为同向运输；若它们的运输方向相反，称为反向运输）。如Na+-K+泵就是一个跨脂膜的Na+-K+ATP酶，通过水解ATP提供的能量以反向运输方式主动向外运输Na+，向内运输K+来维持细胞内外的离子梯度差。葡萄糖进入小肠或肾细胞中是依靠膜外高浓度Na+沿电化学梯度流向膜内的同向运输完成的。大肠杆菌运输一个乳糖分子进入细胞伴随着一个H+的同向运输。线粒体和低等真核细胞膜中也存在协同运输。

（3）离子都是以主动运输方式跨膜运输的吗？

离子跨膜运输的方式主要与细胞的生理状态、细胞膜电位的变化、膜内外的离子电化学浓度梯度等要素有关，一般有两种方式：① 通过离子通道进行协助扩散；② 通过载体蛋白进行主动运输。前者的实例有神经细胞的静息电位（内负外正）时K+外流的渗漏通道、动作电位（内正外负）时Na+经离子通道内流、静息电位的恢复时K+经离子通道外流、乙酰胆碱与突触后膜上受体接触时Ca+经离子通道内流等。后者的实例有Na+-K+泵、钙泵、质子泵（即H+泵）等维持细胞内外相关离子的平衡均需要消耗一定的能量。

（4）主动运输时所需能量都是由ATP提供的吗？

主动运输是由载体蛋白介导的物质电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧跨膜转运的方式。转运分子的自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相偶联。主动运输过程所需能量来源一般有3种类型：ATP直接提供能量、离子电化学浓度梯度协同的ATP间接提供能量、光能驱动。

（5）胞吞胞吐不需要任何蛋白质的协助吗？

真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成蛋白质、多聚核苷酸、多糖等大分子与颗粒性物质的跨膜运输。胞吞作用是细胞从外界摄入的大分子或颗粒，逐渐被质膜的一小部分包围内陷，其后从质膜上脱落下来形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程。胞吞主要有3种类型：① 吞噬作用，如原生动物变形虫摄取细菌和食物颗粒、高等动物体内巨噬细胞内吞入侵的细菌等；② 胞饮作用，胞吞物为液体，形成的囊泡较小，绝大多数细胞都具有；③ 受体介导的胞吞作用，如动物细胞摄取胆固醇的时需要LDL受体蛋白的识别和网格蛋白的参与摄取、胰岛素与靶细胞表面受体结合进入细胞、巨噬细胞通过表面受体对免疫球蛋白及其复合物的识别和摄入等。胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。所有真核细胞都有组成型的胞吐途径，特化的分泌细胞还有一种调节型胞吐途径。

真核细胞中的胞吞作用和胞吐作用都是通过膜泡运输的方式进行的，并且转运的囊泡只与特定的靶膜融合。目前，已通过实验鉴定有膜融合蛋白参与催化，以克服质膜融合过程中的能量障碍，从而保证了物质有序地进出细胞，这种动态过程对质膜更新和维持细胞的生存和生长是必要的。

（6）只有细胞膜才能控制物质进出细胞？

目前已经认识到植物细胞壁中含有许多生理活性物质，参与许多生命活动过程，如物质的吸收、运输、分泌，细胞间的相互识别等。革兰氏阳性菌细胞壁主要由网状结构的肽聚糖组成，对营养物质的吸收有一定的影响，相对分子量大于10 000的葡聚糖难以通过这类细菌的细胞壁。革兰氏阴性菌细胞壁由外膜和很薄的肽聚糖组成，外膜上存在非特异性孔蛋白，并形成通道，允许相对分子量小于800～900的溶质（如单糖、二糖氨基酸、二肽等）通过。真菌和酵母菌的细胞壁只允许相对分子量较小的物质通过。由此可见不只有细胞膜能控制物质进出细胞，细胞壁也在一定程度上参与。

G633.91

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本文是2016年江苏省“十三五”教育科学规划课题“苏派教育在培养中学生核心素养中的探究与实践”（课题编号为D/2016/02/41）的研究成果。

文件编号：1003-7586(2017)10-0034-03