鄭晴晴 （紹興市第一中學(xué) 浙江紹興 312000）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）指出，從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，是生物學(xué)科課程的設(shè)計(jì)宗旨和基本要求[1]。圍繞一個(gè)情境主題展開課堂教學(xué)活動(dòng)，是有效提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方式。針對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中重要概念2.1 物質(zhì)通過被動(dòng)運(yùn)輸、主動(dòng)運(yùn)輸?shù)确绞竭M(jìn)出細(xì)胞，以維持細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)，以浙科版必修1《分子與細(xì)胞》第3 章第3 節(jié)“物質(zhì)通過多種方式出入細(xì)胞”（第1 課時(shí)）為例，嘗試運(yùn)用情境教學(xué)提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 教材分析及概念梳理

本節(jié)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)少且知識(shí)結(jié)構(gòu)完整，其中涉及到的科學(xué)史知識(shí)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的極好素材支撐。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)課的概念梳理見圖1。

圖1 “物質(zhì)通過多種方式出入細(xì)胞”第1 課時(shí)概念結(jié)構(gòu)圖[2]

2 學(xué)情分析

本節(jié)授課對(duì)象是高一學(xué)生，此階段學(xué)生已掌握細(xì)胞膜和ATP 等相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)作好知識(shí)鋪墊。高一學(xué)生雖已具備一定的邏輯推理能力，但仍欠缺，故本節(jié)課旨在通過分析科學(xué)史等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

3 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和知識(shí)內(nèi)容體系，確定了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下：1）分析腎小管細(xì)胞的重吸收作用，運(yùn)用穩(wěn)態(tài)與平衡觀，說明物質(zhì)出入細(xì)胞的意義。2）通過滲透作用實(shí)驗(yàn)及理論探究，構(gòu)建滲透作用概念模型。3）結(jié)合科學(xué)史資料，用控制變量法設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)悟科學(xué)的研究方法和邏輯，以及理解科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系。4）分析Na+離開腎小管上皮細(xì)胞的圖形，運(yùn)用歸納與概括，總結(jié)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式的特點(diǎn)；運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀比較分析多種轉(zhuǎn)運(yùn)方式的異同。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)思路（圖2）

圖2 教學(xué)流程圖

5 教學(xué)過程

5.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題 教師以腎臟形成尿液為大情境，以表格形式比較血漿、原尿、終尿的成分（表1），引出腎小管細(xì)胞的重吸收作用。提出問題：1）腎小管對(duì)葡萄糖的重吸收體現(xiàn)了細(xì)胞膜的何種功能？2）水、尿素、葡萄糖、Na+、K+等不同物質(zhì)以何種方式出入腎臟細(xì)胞？通過真實(shí)的問題情境，學(xué)生認(rèn)識(shí)到腎臟細(xì)胞發(fā)揮功能離不開細(xì)胞膜的選擇透性；由問題2 引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題，進(jìn)而展開本節(jié)課的教學(xué)。

表1 血漿、原尿、終尿成分對(duì)比表[3]

5.2 實(shí)踐探究，構(gòu)建概念 教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合脂雙層的結(jié)構(gòu)，推測(cè)出小分子的水分子或尿素分子通過脂雙層的間隙進(jìn)入腎細(xì)胞，從而引出擴(kuò)散和滲透的概念。學(xué)生6 人一組（確定發(fā)言人、操作者及助手、實(shí)驗(yàn)拍照記錄者），利用師生事先制作完成的滲透裝置（經(jīng)鹽酸處理后的鴨蛋殼膜、紗布分別包扎于長頸漏斗口徑部），開展探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，具體分組見表2。課堂上各小組學(xué)生用燒杯小心地往長頸漏斗中倒入相應(yīng)液體（其中蔗糖溶液濃度為30%），保持漏斗內(nèi)、外液面相平。為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，可滴加1 滴紅墨水于長頸漏斗中。

表2 學(xué)生分組情況表

教師引導(dǎo)學(xué)生分析以下問題：1）預(yù)測(cè)各組不同滲透裝置下的長頸漏斗內(nèi)的溶液量會(huì)如何變化并說出理由；2）第1、2 組漏斗內(nèi)的液面是否會(huì)一直上升。要求各組通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的推測(cè)，拍照的組員可進(jìn)行延時(shí)攝影并上傳至釘釘群。全體學(xué)生分析第3、4 組和第5、6 組漏斗內(nèi)液體不會(huì)升高的原因，并總結(jié)滲透作用發(fā)生需要滿足的基本條件。在動(dòng)手體驗(yàn)與理論探究的基礎(chǔ)上，學(xué)生以文字的形式完成任務(wù)1：構(gòu)建滲透作用概念模型（圖3）。

圖3 滲透作用概念模型

學(xué)生利用簡易工具實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的探究是體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)探究能力的外顯形式。通過不同組別的探究活動(dòng)，師生共同分析總結(jié)，突破滲透作用這一抽象概念的理解難點(diǎn)，更為后續(xù)動(dòng)、植物細(xì)胞的滲透吸水（失水）的內(nèi)容學(xué)習(xí)作好知識(shí)鋪墊。

5.3 假說演繹，領(lǐng)悟方法 水分子通過細(xì)胞方式的進(jìn)一步探索：教師呈現(xiàn)資料1～2，提出問題：1）細(xì)胞膜與人造膜在物質(zhì)組成方面的區(qū)別是什么？2）水分子通過細(xì)胞膜的方式是否借助于其他物質(zhì)？3）具體是什么物質(zhì)？引導(dǎo)學(xué)生提出假說：細(xì)胞中存在特殊的輸送水分子的通道蛋白——水通道蛋白CHIP28（channel-forming integral protein 28）。

資料1：1950年，Solomon 通過測(cè)量不同條件下水通透細(xì)胞膜的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對(duì)水的通透性遠(yuǎn)高于人造膜。

資料2：1987年，科學(xué)家阿格雷（P.Agre）分離純化人紅細(xì)胞中32×106的多肽時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)還存在分子量稍小的28×106蛋白質(zhì)。且該蛋白質(zhì)在紅細(xì)胞及腎小管中含量非常豐富，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)大約含有20 萬個(gè)分子，且與膜骨架結(jié)合緊密。

教師利用示意圖講解阿格雷利用基因工程技術(shù)構(gòu)建高效表達(dá)CHIP28 蛋白的非洲爪蟾（Xeno‐pus laevis）卵母細(xì)胞的過程，即用顯微操作技術(shù)將CHIP28 的RNA 注射進(jìn)入卵母細(xì)胞中。非洲爪蟾的卵母細(xì)胞幾乎對(duì)水不通透，非常適合進(jìn)行水通道蛋白的研究。教師呈現(xiàn)阿格雷構(gòu)建后的卵母細(xì)胞表達(dá)CHIP28 蛋白實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4），學(xué)生分析得出CHIP28 蛋白的表達(dá)量與時(shí)間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用不含CHIP28 的對(duì)照組細(xì)胞和高效表達(dá)CHIP28 的卵母細(xì)胞、低滲溶液、顯微鏡、計(jì)時(shí)器等材料，進(jìn)行小組合作（確定好記錄者、發(fā)言人）完成任務(wù)2（演繹推理）：驗(yàn)證CHIP28 是水通道蛋白的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖4 卵母細(xì)胞表達(dá)CHIP28 實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]

教師借助希沃助手將各小組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案投屏在黑板上，請(qǐng)不同組別學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，教師補(bǔ)充。教師呈現(xiàn)阿格雷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5），學(xué)生由此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：CHIP28 是水通道蛋白。

圖5 表達(dá)CHIP28 的細(xì)胞和對(duì)照組細(xì)胞滲透吸水結(jié)果[4]

教師提問：此實(shí)驗(yàn)是否能嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f明CHIP28是水通道蛋白？CHIP28 的角色可否有其他形式？學(xué)生的思維再一次被充分調(diào)動(dòng)。師生提出質(zhì)疑：CHIP28 也許并非是水通道蛋白本身，可能是調(diào)節(jié)水通道開閉的蛋白質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如何選擇實(shí)驗(yàn)材料以排除其他蛋白的干擾？教師介紹阿格雷的進(jìn)一步的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：將此蛋白構(gòu)建于人造膜中，通過與人造膜組對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組膨脹而對(duì)照組則沒有變化，最終證明CHIP28確實(shí)為一種水通道蛋白。阿格雷也因此獲得了2003年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。同年獲得此獎(jiǎng)項(xiàng)的還有解析了K+通道蛋白立體結(jié)構(gòu)的美國科學(xué)家麥金農(nóng)（R.Mackinon）。由此引出諸如水、K+這種通過通道蛋白或載體蛋白的順濃度梯度的高效擴(kuò)散形式為易化擴(kuò)散，同屬于被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。

水通道蛋白發(fā)現(xiàn)歷程的科學(xué)史，是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，以及善于捕捉實(shí)驗(yàn)中的意外發(fā)現(xiàn)、鍥而不舍追求真理的科學(xué)精神的好素材。故在此環(huán)節(jié)，層層環(huán)扣、遞進(jìn)設(shè)疑，學(xué)生由此領(lǐng)會(huì)邏輯思維之美，感悟生物學(xué)科的理性與人文之美，進(jìn)一步加深了對(duì)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念的豐富內(nèi)涵的理解。

5.4 分析圖形，比較歸納 教師呈現(xiàn)資料3：腎臟對(duì)葡萄糖的重吸收依賴2 類葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（載體蛋白）：一類是鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，一類是葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（圖6）。引導(dǎo)學(xué)生分析問題：1）腎小管上皮細(xì)胞以怎樣的方式運(yùn)出葡萄糖？2）從物質(zhì)運(yùn)輸?shù)臐舛确较蚝秃哪芙嵌?，分析?xì)胞運(yùn)出Na+的方式與易化擴(kuò)散、擴(kuò)散的不同之處；3）綜合以上分析，腎小管上皮細(xì)胞怎樣吸收Na+和葡萄糖？

圖6 腎小管上皮細(xì)胞葡萄糖重吸收過程示意圖[5]

問題1 的設(shè)置使學(xué)生能及時(shí)運(yùn)用新學(xué)的易化擴(kuò)散的知識(shí)作出判斷，及時(shí)鞏固知識(shí)；問題2 和問題3 的設(shè)置促使學(xué)生通過圖形分析Na+、葡萄糖出入細(xì)胞的過程，從而自主歸納主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)，以及比較3 種運(yùn)輸方式在濃度方向、耗能情況、是否借助于載體蛋白或通道蛋白等方面的區(qū)別，以此深刻理解物質(zhì)出入細(xì)胞方式的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)。

5.5 回歸情境，應(yīng)用知識(shí) 最后，回歸情境，學(xué)生認(rèn)識(shí)到腎小管上皮細(xì)胞排出代謝廢物的同時(shí)又保證營養(yǎng)物質(zhì)不丟失，使得腎臟發(fā)揮正常的排泄功能，以維持人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

回歸到最初情境，首尾呼應(yīng)，學(xué)生通過運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解釋具體真實(shí)的情境問題，增強(qiáng)自身運(yùn)用知識(shí)的意識(shí)和能力。

6 教學(xué)反思

本節(jié)課以腎臟形成尿液的過程為大情境，引出學(xué)習(xí)主題：不同物質(zhì)出入腎細(xì)胞的方式。引導(dǎo)學(xué)生深入思考，開展?jié)B透實(shí)驗(yàn)并結(jié)合科學(xué)史資料進(jìn)一步探索水分子的易化擴(kuò)散方式，了解并體會(huì)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程，學(xué)習(xí)假說-演繹法的科學(xué)思維方法；通過K+通道進(jìn)而類比出K+進(jìn)入細(xì)胞的易化擴(kuò)散方式；在此基礎(chǔ)上，再通過圖形分析更進(jìn)一步地探索Na+離開腎小管上皮細(xì)胞的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式。由淺入深，由簡到難，層層遞進(jìn)，學(xué)生最終構(gòu)建這些重要概念，有效提升了自身的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。