物质跨膜运输方式深度学习的教学设计

许豇羽

摘要：依托科学史，基于结构与功能相适应的生命观念，自主建构物理模型、数学模型，实现对物质跨膜运输方式的深度学习，有效培养学生的生物学核心素养。

关键词：物质跨膜运输方式;模型;深度学习

一、教学设计理念

目前，深度学习越来越成为生物学教学的主流趋势，深度学习对于发展学生的生物学核心素养具有重要的价值和意义。深度学习的关键是挖掘学生的科学思维，培养学生解决问题的逻辑思维能力。依托科学史材料，基于结构与功能观自主建构模型，可以更好地发展科学思维能力。

在对物质跨膜运输方式内容学习以前，学生已掌握了细胞膜的结构及特点。基于学生的最近发展区，本节教学定位在通过建构模型，讲授“细胞膜的结构是如何决定物质进出细胞的方式的”。教学设计上，补充科学史料，通过“问题-假说-演绎-检验-结论”的思维主线，发展学生的科学思维能力。通过对葡萄糖进出细胞方式的认识，尝试提出治疗糖尿病的科学方法，培养基于生物学知识解决现实生活问题的社会责任感。

二、教学过程

（一）搭建模型，创设问题

教师课前在黑板上吸附代表磷脂分子、蛋白质分子、多糖分子及细胞吸收的几种物质分子的磁贴模型，请学生到黑板构建细胞膜的结构模型，其他同学观察评价以进一步完善模型。设置问题：①观察模型，构成细胞膜支架的是什么分子？它是如何分布的？為何这样排布？②结合蛋白质的功能猜测膜上的蛋白质起到什么作用？③膜具有怎样的结构特点？这些特点和膜上分子的运动有什么关系？④基于模型预测几种物质分子是如何跨膜运输的？

设计意图：建构模型复习细胞膜的结构及特点，为预测物质跨膜运输的方式搭脚手架。

（二）挖掘模型，提出假说

学生讨论后作出假说：小分子的O₂、水可通过磷脂分子间的空隙进入细胞;脂肪酸是脂溶性物质，与磷脂相似相溶跨膜运输;较大的葡萄糖分子、水合离子可能需要膜上蛋白质的协助进入细胞。

设计意图：分析模型，运用“结构与功能相适应”的生命观念创设物质跨膜运输方式的假说，发展“创造性思维”能力。

（三）演绎推理，实验检验

1.立足材料，演绎推理。教师呈示脂双层膜对不同分子的通透性的示意图，追问哪些分子能通过脂双层膜，哪些分子不能通过以及如何验证假说。

学生分析得出：O₂、甘油、CO₂能通过脂双层膜，葡萄糖、水合离子不能通过，与假说一致;但水分子只有部分能通过脂双层，可能其余部分需要膜上蛋白质的协助。教师追问如何验证观点。学生讨论后提出可依据“加法原理”，再做一组实验，脂双层上加上蛋白质，如果水分子通透性增大了，说明其跨膜运输需要蛋白质的协助。

设计意图：基于所给材料，推测物质跨膜运输方式，培养学生基于生物学事实演绎与推理的科学思维。

2.建构数学模型，分析影响自由扩散的因素。教师演示红墨水滴入烧杯很快扩散的现象，学生观察得出扩散是由高浓度一侧向低浓度一侧的迁移。教师呈示概念：像O₂、甘油等直接穿过磷脂双分子层向另一侧运输的方式称为自由扩散。学生观察分析这些分子的特点：分子较小或呈脂溶性，所以能与磷脂相溶。教师展示O₂跨膜输速率随膜两侧浓度差的变化数据，学生绘制O₂跨膜运输速率和膜两侧浓度差关系的曲线图，得出结论：自由扩散速率与膜两侧浓度差大小成正比。

3.建构数学模型，分析协助扩散的影响因素。教师播放《开讲啦》颜宁教授关于葡萄糖转运蛋白（GLUT蛋白）的介绍：GLUT蛋白就像膜上的一道道“旋转门”，将细胞外的葡萄糖快速转运至细胞内。而糖尿病发病的原理就是膜上缺少GLUT蛋白，导致细胞吸收葡萄糖的能力下降。教师追问：如果你是一名致力于攻克糖尿病问题的科学家，你有好的见解么？学生讨论后得出可以采用增加膜上GLUT蛋白数量的方法。教师表扬学生基于生物知识解决现实生活问题的社会责任感，同时勉励学生理论转化成实践需要不断地实验探索。教师图表展示葡萄糖进入红细胞时运输速率随浓度差改变而变化，学生据此绘制曲线图，分析曲线得到结论：一定浓度范围内，协助扩散速率随膜两侧浓度差升高而变大;超过一定范围后，运输速率将不受转运蛋白数量的限制。教师指出这种需要转运蛋白（通道蛋白和载体蛋白）介导的扩散方式称为协助扩散。

4.建构数学模型，分析主动运输的影响因素。教师追问：是不是所有物质都是顺浓度梯度进出细胞的？学生大多持怀疑意见。教师展示资料一：进食后不久，淀粉被分解成大量的葡萄糖散布在小皮细胞表面。由于小肠细胞靠近肠腔的一端呈“刷”状，大大增加了细胞膜表面积，使得小肠细胞膜外葡萄糖浓度远小于细胞内浓度，但小肠细胞依然在快速地吸收葡萄糖。教师追问：小肠上皮细胞以什么方式吸收葡萄糖？需要什么条件？如何设计实验验证你的假说？学生讨论得出：小肠上皮细胞逆浓度梯度吸收葡萄糖，不仅需要蛋白质协助，可能还需要消耗能量。学生依据“减法原理”设计出两组实验，一组停止能量供应，其他条件不变，一组去除载体蛋白，其他条件不变。分别研究小肠上皮细胞吸收葡萄糖的速率变化，若都变慢，说明假说正确，反之错误。

教师展示科学史实：科学家分别给离体的小肠上皮细胞培养液加入呼吸酶抑制剂（抑制能量供应）和载体蛋白抑制剂，小肠细胞吸收葡萄糖的速率均下降。学生的猜想得到验证。教师指出像小肠上皮细胞吸收葡萄糖这种既需要能量供应也需要蛋白质协助的运输方式称为主动运输，小肠细胞对大多数水合离子的吸收也是通过这种方式。

教师展示葡萄糖进入小肠上皮细胞时运输速率随耗氧量变化曲线，学生分析得出：一定范围内，主动运输速率与能量多少（教师提示无氧呼吸释放能量远少于有氧呼吸）成正比，超过一定范围后，运输速率受到载体蛋白数量的限制。

教师追问：同种物质跨膜运输方式一定相同么？思考这对于细胞有何意义？学生交流得出：同种物质跨膜运输方式不一定相同。红细胞缺少线粒体，无氧呼吸产生能量少，协助扩散是一种节能的方式。而小肠上皮细胞需要大量吸收葡萄糖供给组织细胞，主动运输有利于细胞能不受浓度限制，选择性地吸收物质来维持生命活动的需要。

设计意图：展示科学史前半段资料，引导创设物质跨膜运输方式的假说，培养创造性思维能力;基于假说设计实验并预测实验结果，发展演绎与推理能力;展示科学史后半段资料，检验假说的正确性得出结论，培养归纳与概括能力;对推测性结论提出质疑，培养批判性思维能力;建构数学模型分析物质跨膜运输速率的影响因素，发展建模解决问题的思维能力。

（四）建构模型，归纳概括

教师请学生用同种磁贴数量的多少代表物质浓度，星形磁贴代表能量，用箭头、文字辅助模拟不同物质跨膜运输的方式，分析细胞膜结构是如何影响物质进出细胞的方式。

三、反思

本节教学通过补充科学史料，建构物理模型和数学模型，发展了学生多元化的科学思维，培养了“结构与功能相适应”的生命观念，多维立体地落地了生物学科核心素养，实现了对物质跨膜运输方式的深度学习。