发展科学思维的问题探究式教学案例分析

孟凡龙

摘要 基于生活情境，构建模型，不断设计问题串深入分析动植物细胞的渗透本质，并通过设计探究实验激发学习兴趣，培养科学思维，提升科学素养。

关键词 科学思维 探究教学 跨膜运输

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

生物学核心素养中提出的科学思维表述为“崇尚并形成科学思维的习惯；能够运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题”。科学思维是一种思维的范式，需要思维者巧妙地管理思维结构，使用理智的标准，充分运用逻辑并精心权衡事实，以提高思维的质量，是自主、自律、自我监控和自我纠正的思维。对科学现象的分析理解、实现科学概念的转变是建立在科学思维能力之上的，发展学生的科学思维显得格外重要。

“物质跨膜运输的实例”是人教版高中生物第四章第一节的内容，包括“细胞的吸水和失水”“物质跨膜运输的其他实例”和探究实验“植物细胞的吸水和失水”三部分内容。教学重点是简述细胞是一个渗透系统，教学难点是探究植物细胞的吸水和失水实验。下面尝试以“观察现象——提出问题——分析现象——得出结论”的探究式教学为主线，通过构建物理模型来突破教学重点；引导学生设计实验流程，归纳科学探究的一般过程来突破教学难点。

1基于生活情境，构建渗透模型

鸡蛋是人们生活中常食用的营养价值很高的食物之一。教师呈现两幅以新鲜鸡蛋为实验材料的家庭实验图：实验组是用镊子轻轻地在新鲜鸡蛋的钝端气室处敲破蛋壳形成小洞，但不破坏壳膜，将其放置在一个碗中，倒入适量能够淹没鸡蛋的自来水；对照组是将一个同样规格的正常鸡蛋，放置在盛有等量自来水的碗中。一段时间后观察两只碗中的鸡蛋。教师首先请一位学生根据生活经验预测实验现象，并解释原因。接着教师呈现实验结果图片，引导学生分析原因。学生一般都能理解水分子进入鸡蛋内导致壳膜破裂。教师可建议学生可以在家中尝试重复该实验。此时，教师引导学生提出问题：

①鸡蛋内的水分是否会流出来呢？

②如何利用现有实验材料进一步设计实验来研究壳膜两侧的水分子流动情况呢？

教师引导学生在鸡蛋壳的小洞处用镊子将壳膜轻轻地取出，保持其完整性；然后，用完整的壳膜包裹住小型普通漏斗口处，并用细线扎紧，将其倒置固定在一烧杯的下部（不要接触烧杯底部），用来研究水分子进出壳膜的方式。教师提出探究性的问题：

①如何设计实验来研究水分子进出壳膜的方式？

②倒置漏斗中溶液的液面变化怎样才能看得更清楚？

③倒置漏斗中的溶液浓度与烧杯中的溶液浓度大小如何设计？应该设计几组？

④壳膜两侧溶液的液面没有发生变化的可能原因有哪些？

通过学生设计分析实验、教师演示实验及动画展示，并提出研究性问题：

①倒置漏斗中液面上升的速度如何变化？

②随着漏斗中液面的上升，漏斗内溶液的浓度如何变化？

③壳膜两侧溶液的浓度差如何变化？

④渗透平衡时壳膜两侧有水分子的移动吗？膜两侧溶液浓度相等吗？教师通过问题串来引导学生深入理解壳膜两侧液面变化的原因。师生一起总结出发生渗透作用的条件，教师适当介绍半透膜的知识。

同时教师指出理解误区：渗透系统的溶液浓度指物质的量浓度而非质量浓度，实质是指渗透压，如质量分数为10%的葡萄糖溶液和质量分数为10%的蔗糖溶液的质量浓度相等，但质量分数为10%的蔗糖溶液的渗透压小，故水可通过半透膜由蔗糖向葡萄糖溶液移动。

2绘制物理模型，剖析渗透细胞

能够发生渗透现象的细胞称为渗透细胞，一般的动植物细胞都是渗透细胞，那么选择什么样的动植物细胞有利于观察细胞的渗透现象呢？

2.1动物细胞的渗透现象

根据取材便捷、有颜色易观察、细胞分散、易受环境溶液影响等的实验材料特点，学生很容易想到哺乳动物成熟的红细胞。教师呈现猪成熟红细胞的图片，提出探究性的问题：如何设计实验来探究猪成熟红细胞的渗透现象？设计实验时教师引导学生注意实验的对照原则，如显微镜观察的次数、不同的外界溶液；实验步骤中如何使猪成熟红细胞浸润在不同的溶液中。

教師呈现猪成熟红细胞在不同溶液中的3种渗透现象图，引导学生分析动物细胞发生渗透作用的条件，并要求学生尝试绘制水分子进出细胞的物理模型图。教师可以绘制细胞在等渗外界溶液中的水分子进出细胞物理模型图，请学生参考后绘制另外两种模型图，并提醒学生可以用箭头的长度、粗细、数量等不同的方式来表示水分子进出细胞的多少。教师引导学生进一步理解哺乳动物要维持生命活动的正常进行，就需要通过神经-体液-免疫网络来调节细胞外液的理化性质，保持内环境的稳态。

2.2植物细胞的渗透现象

参考研究动物细胞渗透作用的实验材料，教师引导学生采用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞来研究植物细胞的渗透现象。学生自主绘制紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的基本结构。教师适当修正后，引导学生预测该细胞在3种不同浓度的外界溶液中可能发生的实验现象。然后，教师播放动画演示植物细胞的失水过程，引导学生分析：植物细胞壁的伸缩性很小，而细胞膜、液泡膜和两者之间的细胞质都有很强的伸缩性，细胞失水时收缩明显，且非常薄，一般将这些结构当做一个半透膜，称为原生质层。教师适时引导学生观察正常植物细胞的原生质层。学生自主绘制发生质壁分离的紫色洋葱外表皮细胞，并标注主要结构。

当细胞不断失水时，原生质层就会与细胞壁逐渐分离开来，即发生了质壁分离现象。教师引导学生一起总结：

①什么样的细胞才能发生质壁分离？原核细胞，如细菌会发生质壁分离吗？

②细胞发生质壁分离的内在条件和外界因素有哪些？

③细胞发生质壁分离过程中液泡体积、液泡颜色、细胞液浓度分别会发生怎样变化？

④发生质壁分离的细胞如何才能复原到正常状态？

教师及时呈现图1，师生一起分析植物细胞质壁分离及其复原实验的流程、操作注意事项。接着教师提出探究性问题：

①若质壁分离的细胞无法发生复原，可能的原因有哪些？

②若实验材料改用无色的洋葱内表皮细胞，可以发生质壁分离吗？显微镜下能看到质壁分离的动态过程吗？如何处理才能看到呢？

教师引导学生发散思维、设计探究实验，发展学生的科学思维。

3把握渗透本质，设计拓展实验

在学生对植物细胞质壁分离及其复原实验深入理解的基础上，教师引导学生设计探究实验，用不同浓度的蔗糖溶液、显微镜、不同品种的洋葱鳞茎、刀片、镊子、滴管、载玻片、盖玻片、吸水纸等仪器材料，设计实验方案探究下列问题：

①判断某成熟洋葱细胞是否是活细胞；

②测定洋葱某细胞中细胞液浓度范围；

③比较不同品种成熟洋葱细胞的细胞液浓度大小；

④鉴别KN03溶液和蔗糖溶液。

在学生设计实验、分析实验、预测结果、表达交流各个环节中，教师引导学生完善实验设计思想、理念和原则，进而使学生构建实验设计的一般范式，提升学生的核心素养。

教师总结：当外界溶液的浓度大于细胞液的浓度，细胞就失水，由于原生质层的伸缩性大于细胞壁，原生质层就与细胞壁分离，即发生质壁分离；出现质壁分离的细胞，如果外界溶液的浓度小于细胞液，细胞就吸水，即发生质壁分离复原。那么是不是所有的物质都像水分子一样顺浓度梯度运输呢？

教师呈现资料：水稻和番茄分别在含Ca²⁺、Mg²⁺、Si⁴⁺培养液中培養，一段时间后培养液中离子浓度的变化图。教师提出问题：

①番茄、水稻对这三种离子的吸收与对水分子的吸收有关系吗？

②这些物质的运输也是顺相对含量梯度吗？

③从该资料中你能得出什么结论？

教师联系学生的生活，提出问题：细胞是一个渗透系统，在生活中能够发生很多渗透现象，如糖渍番茄、盐渍黄瓜、清水浸泡蔬菜、过量施肥使农作物“烧苗”、海带中碘含量较多等，请用本节课学过的相关知识解释这些现象。这些案例体现了生物膜的重要功能特性，即细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜，水分子、一些离子和小分子可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。