2019版高中生物新教材被動(dòng)運(yùn)輸解讀

1、高中生物新教材“被動(dòng)運(yùn)輸”解讀1問題探討與現(xiàn)行教材相比，本節(jié)問題探討添加了設(shè)問：如果漏斗管足夠長(zhǎng)，管內(nèi) 液面會(huì)無(wú)限升高嗎？為什么？舊看fl iWH* 宇學(xué)生可能會(huì)有這樣想：漏斗內(nèi)蔗糖溶液的濃度一直高于燒杯內(nèi)的清水， 因此燒杯內(nèi)的水分將永不停歇地通過半透膜進(jìn)入漏斗，漏斗內(nèi)的液面將一 直上升不會(huì)停止。實(shí)際上，管內(nèi)液面上升到一定高度之后，管中水柱產(chǎn)生 的壓力將加速將漏斗中的水分“壓出”，水分進(jìn)入漏斗（因?yàn)闈舛炔睿┑?速率和水分流出（因?yàn)楣苤兴膲毫Γ┑乃俾氏嗟葧r(shí)，液面將不在上升。問題探討通過設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生考慮“壓力勢(shì)”的影響，這可以幫助學(xué)生 隨后弄清為什么植物細(xì)胞不能無(wú)限吸水。植物細(xì)胞吸水膨脹后會(huì)

2、對(duì)細(xì)胞壁 產(chǎn)生壓力，細(xì)胞壁反過來(lái)也擠壓原生質(zhì)體，細(xì)胞壁產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致水從植 物細(xì)胞中擠壓出來(lái)，最終植物細(xì)胞吸水和細(xì)胞壁將水從細(xì)胞中壓出之間將 建立平衡。2水進(jìn)出細(xì)胞的原理2.1滲透作用介紹現(xiàn)行教材刪去了滲透作用的介紹，新教材又回來(lái)了。滲透作用是指水分 子通過半透膜的擴(kuò)散。有些老師對(duì)“擴(kuò)散” 一詞有誤解，甚至認(rèn)為擴(kuò)散就 是水分子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。而實(shí)際上擴(kuò)散是有方向的，因此滲透（作用）也 是有方向的：從相對(duì)含量高的一側(cè)向相對(duì)含量低的一側(cè)，這里滲透的方向 是水分子凈移動(dòng)的方向。將人的紅細(xì)胞置于生理鹽水中，水分進(jìn)出紅細(xì)胞達(dá)到平衡，此時(shí)細(xì)胞沒 有水的凈移動(dòng)，沒有發(fā)生滲透作用。只有將紅細(xì)胞置于低滲或高滲溶液

3、中， 才會(huì)發(fā)生滲透作用。思考與討論通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生的思維活動(dòng)，通過和滲透裝置類比，明確哺乳動(dòng)物紅 細(xì)胞的細(xì)胞膜相當(dāng)于一層半透膜，膜兩側(cè)存在“濃度”差時(shí)就會(huì)發(fā)生滲透 作用。新教材此處加了一個(gè)設(shè)問，讓學(xué)生思考會(huì)什么臨床輸液要用生理鹽水, 引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活實(shí)踐并用所學(xué)知識(shí)做出合理的解釋。植物細(xì)胞的吸水和失水植物細(xì)胞的吸水和失水，教材選擇了成熟植物細(xì)胞進(jìn)行說(shuō)明。成熟植物細(xì)胞失水時(shí)， 會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離。質(zhì)壁分離指的哪里和哪里分離， 教材寫得比較具體：細(xì)胞壁和原生質(zhì)層分離。但是名詞委的術(shù)語(yǔ)中我們看 到質(zhì)壁分離被定義為：原生質(zhì)體收縮，部分質(zhì)膜與細(xì)胞壁脫離的現(xiàn)象。我們可以大致看一下教材這一部分的寫法，不管是哺乳

4、動(dòng)物紅細(xì)胞還是成熟植物細(xì)胞，教材都在引導(dǎo)學(xué)生尋找“半透膜”在哪里，然后再分析“半 透膜”兩側(cè)存在濃度差會(huì)怎樣。其目的是期望學(xué)生在動(dòng)植物細(xì)胞中找到“透裝置”。正是基于這樣的考慮，教材突出強(qiáng)調(diào)了原生質(zhì)層，雖然原生質(zhì) 層不是被普遍接受的術(shù)語(yǔ)，但用在此處能言簡(jiǎn)意賅地說(shuō)明成熟植物細(xì)胞可 以構(gòu)成一個(gè)滲透系統(tǒng)，否則每次都是細(xì)胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細(xì) 胞質(zhì)，我們作為讀者也會(huì)不勝其煩。這里只需要讓學(xué)生明確發(fā)生了質(zhì)壁分 離即可，并不需要強(qiáng)調(diào)一定是原生質(zhì)層和細(xì)胞壁分離（為分?jǐn)?shù)計(jì)，還是強(qiáng) 調(diào)一下吧）。“濃度”一一一個(gè)艱難的選擇教材介紹成熟植物細(xì)胞主要通過滲透作用吸水和失水時(shí)，比較了細(xì)胞液濃度和外界溶液濃度的大小

5、。細(xì)胞液中溶質(zhì)是多種多樣的，有電解質(zhì)也有非電解質(zhì)；實(shí)驗(yàn)時(shí)外界溶液 中的溶質(zhì)是蔗糖，屬于非電解質(zhì)，這在化學(xué)上是沒法比較兩者濃度大小的。 而且作為教師，我們清楚這里實(shí)際比較的是滲透壓（或滲透勢(shì)），電解質(zhì) 和非電解質(zhì)的滲透壓（或滲透勢(shì)）不能一概用物質(zhì)的量濃度加以衡量，還 要考慮電解質(zhì)和非電解質(zhì)對(duì)水的吸引能力（束縛能力）是有差異的?？紤]到學(xué)生的認(rèn)知水平，教材此處用“濃度”代替滲透壓（滲透勢(shì)）是 一個(gè)折中的處理。為了彌補(bǔ)這一不嚴(yán)謹(jǐn)表述的缺憾，課后練習(xí)題測(cè)量細(xì)胞 液濃度時(shí)，問的是“相當(dāng)于”多大濃度的蔗糖溶液，而不是問細(xì)胞液濃度 是多少。同樣的，在講哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的吸水和失水時(shí)，我們最好說(shuō)成紅 細(xì)胞內(nèi)的溶液

6、相當(dāng)于 0.9%的氯化鈉濃度，而不要說(shuō)兩者濃度相等。3探究一一植物細(xì)胞的吸水和失水 3.1預(yù)備知識(shí)新教材在學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)前先介紹了不少預(yù)備知識(shí)，有點(diǎn)散。概括起來(lái)有 兩個(gè)方面。一方面介紹了細(xì)胞壁的透性和伸縮性?，F(xiàn)行教材講細(xì)胞壁是全透性的， 溶于水中的物質(zhì)都能通過細(xì)胞壁；新教材修改為水分子對(duì)細(xì)胞壁是全透性 的，不再提溶于水中的物質(zhì)都能通過細(xì)胞壁，這主要是考慮到溶于水的大 分子蛋白質(zhì)很難穿過細(xì)胞壁。另一方面此處點(diǎn)出：教材所述的水進(jìn)出細(xì)胞，主要是指水經(jīng)過原生質(zhì)層 進(jìn)出液泡。此處教材故意引導(dǎo)學(xué)生把原生質(zhì)層當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行考慮，這 樣做是為了引導(dǎo)學(xué)生尋找成熟植物細(xì)胞中的滲透系統(tǒng)。教材的質(zhì)壁分離圖 像也曾被懷

7、疑是假的，因?yàn)榇蠹铱吹降馁|(zhì)壁分離經(jīng)常是原生質(zhì)層很不規(guī)整。 究其原因主要是大家滴加蔗糖后不久就進(jìn)行觀察，此時(shí)還處于水從液泡進(jìn) 入原生質(zhì)層然后再進(jìn)入外界環(huán)境的過程中，如果大家再等待一會(huì)，等到外 界的水充分穿過原生質(zhì)層進(jìn)入液泡，水分進(jìn)出細(xì)胞達(dá)到大致平衡時(shí)，就能 看到原生質(zhì)體的整體收縮，此時(shí)顯微鏡下的圖像就和教材給出的示意圖相 似了。探究的邏輯分析合理假說(shuō)的提出要依據(jù)一定的已知信息，教材舉了一些具體的例子讓學(xué)生體會(huì)植物細(xì)胞的吸水和失水，并將其與動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水進(jìn)行類比。 在此基礎(chǔ)上我們提出假說(shuō)：水分通過滲透作用進(jìn)出植物細(xì)胞。驗(yàn)證該假說(shuō) 的關(guān)鍵是在植物細(xì)胞中找到滲透裝置，或者說(shuō)要找到“半透膜” ？半

8、透膜 有兩個(gè)候選：細(xì)胞壁或原生質(zhì)層。已知構(gòu)成原生質(zhì)層的細(xì)胞膜能控制物質(zhì)進(jìn)出，因此我們推測(cè)原生質(zhì)層也能控制物質(zhì)進(jìn)出，相當(dāng)于“半透膜”。這樣假說(shuō)就轉(zhuǎn)變?yōu)椋涸|(zhì)層相當(dāng) 于一層“半透膜”嗎？在假說(shuō)的基礎(chǔ)的上進(jìn)行演繹推理，得出當(dāng)外界溶液濃度高于細(xì)胞液濃度時(shí)，細(xì)胞就會(huì)失水；當(dāng)外界溶液低于細(xì)胞液濃度時(shí)，細(xì)胞就會(huì)吸水。外界 溶液的溶度可以人為控制，這時(shí)最關(guān)鍵的就是尋找一個(gè)合適的觀察指標(biāo)， 用于確認(rèn)細(xì)胞的失水和吸水。洋蔥鱗片葉外表皮的細(xì)胞滿足上述觀察指標(biāo) 的要求，因?yàn)樗囊号葜泻凶仙纳?，失水后色素濃度?huì)增大，紫色 加深，范圍變??；吸水后色素濃度會(huì)降低，紫色變淡，范圍變大。實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)施作為探究活動(dòng)，由學(xué)

9、生制定實(shí)驗(yàn)步驟為宜。教材直接給出了實(shí)驗(yàn)步驟， 其中滴加蔗糖后再滴加清水的操作，對(duì)學(xué)生而言比較突兀。為了讓滴加蔗 糖和滴加清水之間的過渡更自然一些，可以這樣做：一種是把實(shí)驗(yàn)步驟處理為先加蔗糖然后再去蔗糖（這里的去蔗糖就是加清水）。此類先加自變量再減掉自變量（有時(shí)是先減后加）的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在 生物學(xué)中還是相對(duì)常見的，通過前后對(duì)照用以確認(rèn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象是添加蔗 糖溶液引起的，去除蔗糖溶液后，恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，即質(zhì)壁分離復(fù)原。這 種處理方式對(duì)學(xué)生思維的要求略高。另一種處理方式，先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟至添加蔗糖溶液，隨后就進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀 察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果紫色變深且范圍變小符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。同時(shí)，學(xué)生能觀察到質(zhì) 壁分離，直觀感受到原

10、生質(zhì)層的伸縮性。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們可以引導(dǎo)學(xué) 生再去思考：向質(zhì)壁分離的植物細(xì)胞滴加清水，結(jié)果會(huì)如何？這樣的過渡 更加流暢自然一些。4自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散均.用好自電4T融town新教材把自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散放在一節(jié)進(jìn)行處理，主要是考慮到兩者都屬于被動(dòng)運(yùn)輸，被動(dòng)運(yùn)輸?shù)膶?shí)質(zhì)是通過膜的擴(kuò)散。這里談幾個(gè)小問題。自由擴(kuò)散（簡(jiǎn)單擴(kuò)散）現(xiàn)行教材通過無(wú)蛋白的脂雙層膜對(duì)不同分子或離子通透性的分析，讓學(xué)生明確離子（因?yàn)閹щ姾退系碾p重影響）不能自由穿過脂雙層，分子的 極性和大小影響其在脂雙層中擴(kuò)散的速率。實(shí)踐中，很少見到教師能夠較 好地處理現(xiàn)行教材中這個(gè)問題探討，其中很重要的一個(gè)原因在于學(xué)生缺乏 化學(xué)基礎(chǔ)。新教材刪去

11、了這個(gè)問題探討，可能也是基于這樣的考慮。新教材選擇引導(dǎo)學(xué)生從脂溶性的角度去思考什么樣的物質(zhì)容易自由擴(kuò) 散。對(duì)學(xué)生而言，脂溶性要比極性更容易理解一些。協(xié)助擴(kuò)散現(xiàn)行教材正文主要介紹了載體介導(dǎo)的協(xié)助擴(kuò)散，新教材這里明確提出， 協(xié)助擴(kuò)散包括載體介導(dǎo)的和通道介導(dǎo)的兩種類型，載體和通道則統(tǒng)稱為轉(zhuǎn) 運(yùn)蛋白。通道介導(dǎo)的和載體介導(dǎo)的協(xié)助擴(kuò)散有著一定的差異。載體需要先和被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)結(jié)合，引發(fā)載體構(gòu)象的變化，從而完成物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。經(jīng)通道進(jìn)行物 質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，通道并不和被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)結(jié)合，而是通過通道自身的結(jié)構(gòu)選擇 形狀、大小、電荷適宜的分子或離子通過。這里可以額外跟學(xué)生講一下， 經(jīng)過通道的運(yùn)輸都是協(xié)助擴(kuò)散，尤其是經(jīng)過離子通道

12、通道的運(yùn)輸，通常還 會(huì)用“流”來(lái)命名，如 Na+內(nèi)流、K+外流，Ca2+內(nèi)流等等，有些教輔把主動(dòng)運(yùn) 輸也稱為“流”，實(shí)際上是不符合規(guī)范的。關(guān)于水的跨膜運(yùn)輸，現(xiàn)行教材將水通道蛋白的研究則放在了課后“科學(xué) 前沿”欄目中。新教材則直接在正文中就明確提出水的跨膜運(yùn)輸包括自由 擴(kuò)散和水通道蛋白介導(dǎo)的協(xié)助擴(kuò)散。另外，新教材課后安排了生物科學(xué)史 話”人類對(duì)通道蛋白的探索歷程”，其中對(duì)水通道研究的介紹更加詳細(xì)， 尤其是提到了科學(xué)家先發(fā)現(xiàn)水跨膜運(yùn)輸速率的異常，然后推測(cè)存在自由擴(kuò) 散以外的運(yùn)輸方式，最后發(fā)現(xiàn)水通道蛋白。這樣的細(xì)節(jié)介紹具有思維訓(xùn)練 的價(jià)值。最后教材還介紹了影響協(xié)助擴(kuò)散的三個(gè)因素：濃度差、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量以及溫度。溫度影響擴(kuò)散的速率，這一點(diǎn)是放在教材課后練習(xí)題中讓學(xué)生思 考的。5建構(gòu)概念，發(fā)展素養(yǎng)，重視實(shí)踐本節(jié)需要建立的概念是：細(xì)胞中物質(zhì)的輸入和輸出都需要經(jīng)過細(xì)胞膜。脂溶性分子通過自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞，協(xié)助擴(kuò)散借助膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成，膜轉(zhuǎn) 運(yùn)蛋白包括載體蛋白和通道蛋白。自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散都不需要細(xì)胞代謝 提供能量，叫做被動(dòng)運(yùn)輸，水分子進(jìn)出細(xì)胞既可以自由擴(kuò)散，也可以借助 通道蛋白進(jìn)行協(xié)助擴(kuò)散。通過探究植物細(xì)胞吸水和失水的原理這個(gè)實(shí)驗(yàn)，