基于模型分析的高中生物学概念教学——以人教版“主动运输与胞吞、胞吐”为例
时间：2023-03-01 08:10:07 来源：千叶帆 本文已影响人
杨 旭
（无锡市第一中学 江苏无锡 214031）
生物学概念在中学教材中占有较大的比重，它是学习生物学知识、理解生物学原理、领悟生物学本质的基础，也是中学生物学日常课堂教学的重要内容之一，还是发展生物学科核心素养的重要载体。概念具有较强的抽象性和概括性，每一个概念背后都有着丰富的教学内容。在传统的概念教学中，教师往往注重对概念的程序化解读，强调学生对概念表述文字的机械式记忆，学生处于知识学习的被动接受地位。师生看似在课堂上花费了很多时间，教学效果却是低效的，学生对相关概念没有深层次的理解，不会在具体问题中应用，不利于学生学习水平提升。学科核心素养视域下的典型概念教学应是基于事实和现象，帮助和促进学生主动共建的过程。
在人教版《必修1·分子与细胞》的“主动运输与胞吞、胞吐”一节教学中，教师围绕“人体如何获取葡萄糖”这一具体情境，以模型分析为教学指导思想，通过创设情境、构建模型、验证模型、应用模型等教学环节，带领学生构建主动运输、胞吞、胞吐等基本概念，注重培养学生的科学思维品质、科学探究能力，促进学生初步形成“结构与功能观”等生命观念。
教师联系学生生活，创设情境：物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。例如，葡萄糖分子是生命活动的能源物质，而人是异养型生物，人体所需的葡萄糖都是来源于食物中糖类物质的消化和吸收。通过上一节的学习，学生已经知道葡萄糖等营养物质物质可以通过协助扩散的方式，顺浓度梯度进入组织细胞。教师引导学生思考：细胞中是否存在逆浓度梯度的运输方式？
教师展示图1，并提供资料：小肠上皮细胞膜上存在载体蛋白G和载体蛋白S。2种转运葡萄糖的载体蛋白：当进食一段时间后，随着糖类物质的消化，肠腔局部的葡萄浓度可以达到50～300 mmol/L(高于小肠上皮细胞内),载体蛋白G数量增加。当葡萄糖被大量吸收后，肠腔局部的葡萄糖浓度降低到2 mmol/L（低于肠上皮细胞内），载体蛋白G数量减少，而载体蛋白S活性增强。教师引导学生分析资料，引导学生思考：两种载体蛋白功能上的差异是什么？载体蛋白S在发挥作用时，是否需要其他物质的参与？小肠上皮细胞存在两种葡萄糖载体蛋白的意义是什么？
图1 小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图
设计意图：教师创设问题情境，引导学生利用已有的协助扩散的知识去分析实验现象，培养学生获取信息、综合分析、逻辑推理的能力。学生在分析过程中发现自己目前拥有的知识及其原理难以解释面临的问题，引发认知和思维冲突，从而促进尝试推测另一种可以逆浓度梯度运输、需要消耗能量的物质跨膜运输方式的存在。这有助于学生对主动运输概念和特点的理解，让学生从发现葡萄吸收方式的多样性，体会到生命世界的复杂性。
学生分组构建被动运输的生理过程模型，并结合模型，讨论主动运输模型的基本内容。教师给出讨论的主要议题：①模型中需要包含哪些物质分子，功能各是什么？②主动运输的生理过程模型与被动运输的生理过程模型相比，有何异同？③利用该模型解释葡萄糖等物质分子实现逆浓度梯度的运输。④总结主动运输的一般过程。学习小组根据上述4个议题，展开讨论，最后小组代表发言，不同小组之间相互评价、相互补充。
学生讨论的基础上，教师通过图片、动画、视频等形式，与学生共同总结主动运输的一般过程（图2）：①被转运的物质分子与载体蛋白特定部位结合；
②ATP供能，载体蛋白空间结构发生变化，将其运向高浓度一侧；
③随后，载体蛋白空间结构恢复原状，继续转运同种物质。在对生理过程模型的分析过程中，学生对于逆浓度梯度、载体蛋白、细胞代谢提供能量主动运输概念的3个关键要素有了较为清晰的认识。
图2 主动运输生理过程模型
设计意图：模型方法是现代科学方法的核心内容之一，是解决复杂问题的有效手段。教师采取了小组讨论学习的形式，基于学生的“最近发展区”设计讨论议题，进行模型建构，让学生明确主动运输模型中的3个基本要素，锻炼了学生解读图解、类比分析、语言表达等方面的能力。
教师创设情境，引导学生验证模型：上述主动运输生理过程模型的构建是基于对小肠肠腔内葡萄糖浓度变化理论的分析推测，理论是否正确需要科学实验的验证。学生分组讨论实验设计思路，证明主动运输需要载体蛋白的协助、需要消耗ATP。教师补充“抑制剂”在生物学实验设计中作用的内容：通过加入抑制某种物质功能或生理过程的抑制剂，可以对相关生理过程进行科学研究。
在小组交流讨论的基础上，教师进一步展示科学家的研究思路：将离体的小肠上皮细胞置于不同浓度的葡萄糖溶液中，分别加入载体蛋白抑制剂、ATP合成抑制剂，葡萄糖运输速率均下降；
科学家还分别测定了在不同的外界葡萄糖浓度条件下，载体蛋白G和载体蛋白S对葡萄糖的运输速率，分别加入ATP合成抑制剂后，载体蛋白S的运输速率明显下降（图3）。
图3 两种葡萄糖载体蛋白转运速率曲线
实验验证了主动运输生理过程模型的正确性。学生综合该模型中的3个关键要素，归纳出主动运输这一概念的核心内容：物质逆浓度梯度进行跨膜运输，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。
设计意图：模型验证的环节让学生体会到实验设计的一般思路，培养了学生设计实验、分析数据的能力，锻炼科学思维。在模型的构建、验证等学习过程中，学生在头脑中逐步生成主动运输概念的基本表述和内在含义，体验到了概念的认知和构建的过程，学会了像科学家一样进行思考。
教师展示相关生理过程图解（图4），引导学生利用已有的知识的基础，结合主动运输生理过程模型尝试解释葡萄糖从肠腔运输到内环境中的过程。并提供问题串：①图中涉及到几种载体蛋白，与被转运的物质之间是否存在选择性？②葡萄糖分子从肠腔运输到体内中要直接穿过几层生物膜？③葡萄糖在进行跨膜运输时分别是逆浓度梯度，还是顺浓度梯度？④葡萄糖逆浓度运输时所需能量是否直接来源于ATP？⑤葡萄糖逆浓度进入细胞的运输方式是否属于主动运输？⑥钠、钾离子如何进出细胞，是否属于主动运输？⑦钠、钾离子和葡萄糖的跨膜运输之间存在怎样的关系？⑧主动运输的跨膜运输方式对生命生存的意义是什么？
图4 小肠上皮细胞吸收葡萄糖生理过程图解
设计意图：教师利用问题串，培养学生应用模型解决实际问题的能力。学生在已有知识的基础上，运用主动运输的模型去分析葡萄糖分子如何穿过小肠上皮细胞进入人体这一关键问题：在运输部位方面，通过小肠上皮细胞面向肠腔一侧和面向内环境一侧两个部位，分析葡萄糖分子进、出小肠上皮细胞在过程上的差异；
在能量来源方面，通过分析钠钾离子进出细胞方式、与葡萄糖运输之间的关系，了解主动运输所需的能量既可以直接来源于ATP，也可以来源于消耗ATP所建立起来的离子梯度；
在载体蛋白功能方面，比较两种葡萄糖载体蛋白、钠钾泵功能上的差异，理解“载体蛋白只能运输一种或一类离子或分子”，加深对膜的“选择透过性”的理解。通过梳理葡萄糖运输与离子运输之间的关系，学生能够用联系的思想来分析问题，体会生命系统的整体性、结构与功能相统一等生物学的基本观念。
在明确葡萄糖进入小肠上皮细胞的方式之后，教师进一步引导学生分析：消化道内的葡萄糖主要来自淀粉等多糖类物质的消化，淀粉的消化是在淀粉酶、麦芽糖酶的作用下完成，而这些酶的化学本质是蛋白质，属于大分子物质，它们是在细胞内合成的。细胞如何实现大分子物质的输入和输出？教师引导学生回顾分泌蛋白的合成分泌过程引出“胞吐”的概念，展示吞噬细胞吞噬病原体的过程引出“胞吞”的概念，师生合作对胞吞和胞吐这两种物质运输模型进行分析，从运输方向、是否需要膜蛋白参与、能量需求等内容进行分析和总结，促进学生建构胞吞、胞吐的基本概念。
本节课以“人体如何获取葡萄糖”为情境，巧妙地将主动运输、协助扩散、胞吞和胞吐等概念串联起来，结合文字、图解、视频、实验等学习资料，通过模型分析的方法，锻炼了学生构建概念、应用概念的能力，加深了学生对概念的理解。同时，本节课的教学内容不是独立的知识点，整合本章的内容，在弄清了小分子、大分子等各类物质进出细胞的基本过程后，教师带领学生一起总结本章的知识要点，构建以大概念统领的概念体系图（图5），总结、展现概念之间的逻辑关系。
图5 物质跨膜运输概念体系
本节课的概念教学在生物学事实情境中展开，教师引导学生基于模型分析的方法总结出“被动运输、主动运输、胞吞和胞吐”等次位概念，进而形成“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动”等重要概念。最终，学生理解“细胞的生存需要能量和营养物质”这一大概念。本节课充分体现了内容聚焦大概念的新课程基本理念。
笔者注重运用“模型建构”的方法，将概念的要点融入模型的科学理性分析过程中，顺理成章地生成概念的基本表述，让学生更加深入地理解了概念的内涵和外延，以科学思维引领科学探究，以科学探究促进科学思维，同时促进学生形成“结构与功能观”等生命观念。
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