基于实验改进的“物质跨膜运输的实例”教学设计

谢雯菁 荆林海 徐国艳

（1北京师范大学燕化附属中学 北京 102500 2北京市基础教育研究中心 北京 100088 3北京市燕山教研中心 北京 102500）

1 教学设计指导思想

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：“从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养”。“物质跨膜运输的实例”一节是高二学生所接触的第1节探究内容的课程，如何“创设科学探究的情境”，如何“基于实验事实，引导学生运用科学思维分析生命现象，树立生命观念”是设计这节课的指导思想。

2 教学分析

2.1 教材分析 本节是高中生物学（人民教育出版社）必修1第4章第1节的内容，是知识体系中细胞结构与功能2个部分的联结点，主要包括：“渗透装置”“水分进出动、植物细胞的实例”“其他物质跨膜运输的实例”3个部分的内容。

2.2 学情分析 通过前几章的学习，学生对细胞的基本结构有了一定的认识，本节教学中应注重对实例的分析探讨，让学生体会结构与功能间的联系。此外，本节涉及的实例较多，应对相应的实验进行适当改进和整合，有助于引导学生进行实验分析，理解生命现象。

2.3 教学目标 能通过实验分析，说出水分渗透的原理；能通过实验类比，说出动、植物细胞失水或吸水的条件，体会稳态与平衡的观念；尝试进行实验设计，能举例说明原生质层的选择透过性，体会结构与功能相适应的观念。

2.4 教学重、难点

1）重点：①动、植物细胞失水或吸水的条件；②原生质层的选择透过性。

2）难点：原生质层的选择透过性。

3 教学过程

本节课主要通过呈现实验照片及视频资料，创设探究的情境；再基于实验事实，引导学生分析、推理、总结。考虑到课堂实验的条件所限及教学环节的完整性，本节课中所涉及的4组实验均由教师与部分学生在课前完成，录制成视频在课堂展示。

3.1 情境创设 以“输液”的话题引入，让学生思考“为什么要选用0.9%NaCl溶液作为注射用溶剂？”目的在于让学生能根据自身生活经验及原有知识储备，基本了解本课所要探究的问题，即水分的跨膜运输。

3.2 分析渗透实验，发现渗透基本规律 实验装置及实验组设置照片如图1所示。装置中长颈漏斗一端用半透膜封住，内部的液体模拟细胞内环境，并在其中加入了几滴胭脂红，使液面位置更加清晰，烧杯中液体模拟细胞外环境。与教材中的单一组实验不同，此处设置了3个实验组，分别呈现装置失水、吸水、水分进出平衡的现象，从照片中可清晰观察到漏斗内液面的变化。如此改进，有利于学生形成实验对照的思想，并通过对比，更容易总结发现水分渗透的规律。

图1 利用渗透装置探究渗透原理

3.3 类比渗透装置，分析动物细胞渗透现象 让学生观察教材中红细胞在3组不同浓度NaCl溶液中形态变化的图片（高渗溶液中皱缩、低渗溶液中胀破、等渗溶液中保持原有形态），引导学生类比渗透装置，探究动物细胞失水和吸水的条件。

3.4 类比渗透装置，分析植物细胞渗透现象 此环节用到的素材是洋葱外表皮细胞的实验视频。为了让学生类比渗透装置时思路更清晰，这部分实验也是分成3个组。各实验组设置及实验结果见图2。

图2 洋葱外表皮细胞在不同浓度蔗糖溶液中失水或吸水的现象

在此环节中，还应该注重引导学生理解实验探究的设计思想。所以，呈现B组实验之前，设置了一个问题：将常态的植物细胞置于清水中，会观察到怎样的现象？面对不明显的吸水现象，引导学生思考得出“先使细胞发生质壁分离，再将其置于清水中观察吸水现象”的实验思路。

最后的C组，也设置了一个疑问：“使水分进出平衡的蔗糖浓度是多少？”学生能答出“与细胞液的浓度一致”，但是“细胞液的浓度也是未知的”，由此给学生留下一个课后探究的问题：“利用质壁分离的原理设计实验测定细胞液浓度”。这样设计目的在于维持学生继续进行探究的兴趣，也让学生更加充分体会稳态与平衡的生命观念。

3.5 问题延伸：其他物质跨膜运输的实验验证这一环节向学生展示洋葱外表皮细胞在KNO3溶液中的质壁分离和自动复原的实验（图3）。通过对实验现象的分析，学生理解原生质层的选择透过性。

为了引导学生理解实验探究的设计思想，在展示此实验之前，也设置了一系列的问题：蔗糖分子能否进出细胞？若不能则如何验证？这是一个难点，学生无法给出完美的方案。继而引导逆向思维：如果蔗糖能进出细胞，实验结果又将如何？在学生提出猜想后，再展示“能进出细胞的物质——K+和NO3-”的实验过程。在对比“KNO3溶液与蔗糖溶液中，细胞能否发生质壁分离与复原的现象”后，学生很容易得出“K+和NO3-可以进入细胞，而蔗糖不能的结论”，进而顺利推导出“细胞膜/原生质层具有选择透过性”的结论。

图3 洋葱外表皮细胞在1mol／L KNO3溶液中发生质壁分离及自动复原

3.6 总结 为了完善本节课的结论：活的原生质层才具有选择透过性，教师补充了最后一个实验：用NaOH处理已发生质壁分离的洋葱外表皮细胞，观察原生质层透性的变化。实验利用了花青素遇碱变绿的颜色变化反映液泡内物质的扩散情况（图4）。在视频最后的画面里，可清晰观察到，花青素充满了细胞壁内的全部区域，而原生质层的位置还处于原先质壁分离时的状态，从而能判断该细胞并非发生了质壁分离复原，而是失去了原生质层的选择透过性。由此学生也能体会结构与功能的一致性：原生质层的微观结构被强碱破坏后，其相应的选择透过的功能也随之不复存在了。

图4 0.5 mol／L NaOH处理对洋葱外表皮细胞选择透过性的影响

4 教学反思

本节课完成的4组实验向学生呈现了更为清晰、直观、动态的生命现象，创设了真实的实验情境，更容易激起学生探究的热情。这4个实验贯穿整节课，使每个教学环节都是通过实验分析引导学生形成概念。学生能够基于相关实验事实，运用科学思维进行探究，并树立稳态与平衡观、结构与功能观等生命观念。

本节课仍有待改进，从开放性课后实验设计题“利用质壁分离的原理设计实验测定细胞液浓度”的反馈情况来看，大部分学生对于实验设计的思想把握基本到位，但对实验的“实际”问题考虑并不充分，这也反映出探究实验的学习，仅有教师的示范是不够的，学生需要在亲身体验中感受实验的细节，独立面对可能遇到的问题，并思考与解决。