運(yùn)用POE教學(xué)策略探究細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)的通透性 論文

運(yùn)用POE教學(xué)策略探究細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)的通透性摘要：紅細(xì)胞在不同等滲溶液中的溶血情況可以反映出細(xì)胞膜對(duì)溶質(zhì)的通透性大小，本文運(yùn)用POE教學(xué)策略，設(shè)計(jì)了“預(yù)測(cè)-觀察-解釋”環(huán)節(jié)，組織學(xué)生在真實(shí)情境中解決真實(shí)問題，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的中心地位，有助學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究思路，提高解決具體問題的能力，發(fā)展終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。關(guān)鍵詞：POE教學(xué)策略，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，細(xì)胞膜的通透性，紅細(xì)胞溶血現(xiàn)象引言：在日常的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于現(xiàn)實(shí)的條件以及教師教學(xué)策略的使用，學(xué)生往往在學(xué)習(xí)的過程是知識(shí)的被動(dòng)接收者、實(shí)驗(yàn)流程的重復(fù)者以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記憶者等，學(xué)生解決的問題往往是由教材或老師提供，而非學(xué)生生成，使得學(xué)生在解決問題的過程中，沒有代入感，難以達(dá)到好的教學(xué)效果。本文進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用POE教學(xué)策略，就在嘗試找到一種切實(shí)可行的方法，將學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的生成者，實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)者、現(xiàn)象的觀察者以及問題的解決者。一、POE教學(xué)策略1.概念[1]POE教學(xué)策略是由GunstoneR.F和WhiteR.T于20世紀(jì)90年代正式提出并發(fā)展。這一教學(xué)策略包含三個(gè)環(huán)節(jié)，即學(xué)生預(yù)測(cè)（Predict）、學(xué)生觀察（Observe）和學(xué)生解釋（Explain）。預(yù)測(cè)過程可以暴露學(xué)生的已經(jīng)有的概念基礎(chǔ)，并在學(xué)生闡述預(yù)測(cè)理由的過程中，使學(xué)生的腦中意識(shí)外顯化于文字，有利于學(xué)生后期進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變與知識(shí)構(gòu)建。觀察過程重點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與記錄并將記錄結(jié)果與課前的預(yù)測(cè)作比較，引發(fā)認(rèn)知的沖突，激發(fā)起學(xué)生的好奇心和求知欲，吸引學(xué)生深入研究要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。解釋環(huán)節(jié)即學(xué)生在發(fā)現(xiàn)認(rèn)知沖突后，通過課上學(xué)習(xí)、與老師同學(xué)探討以及課后查閱資料等方法對(duì)與預(yù)測(cè)不相符的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出合理的解釋，并在此過程中不斷完成已有概念的糾正與新概念的建立。2.理論依據(jù)（1）觀察滲透理論觀察滲透理論認(rèn)為有著不同的知識(shí)背景的人，在觀察同一事物時(shí)會(huì)得到不同的觀察[2]結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)探究的過程中，如果想用觀察去論證某一個(gè)理論，那么就要在觀察之前利用理論進(jìn)行演繹推理，然后看能否觀察到理論預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。在POE教學(xué)策略中，包含學(xué)生觀察過程，要求全班每個(gè)同學(xué)都要完成觀察環(huán)節(jié)，形成文字記錄檔案上交。教師可以通過閱讀學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的文字描述，把握學(xué)生已經(jīng)有的理論基礎(chǔ)，為后續(xù)設(shè)計(jì)活動(dòng)和建立評(píng)價(jià)體系奠定基礎(chǔ)。（2）概念轉(zhuǎn)變理論概念轉(zhuǎn)變理論認(rèn)為，學(xué)生在學(xué)習(xí)一個(gè)新的內(nèi)容之前，腦中并非一片空白，而是包含一些已有概念，比如學(xué)習(xí)者在日常生活與學(xué)校各學(xué)科的學(xué)習(xí)的過程中獲得的直接或者間接經(jīng)驗(yàn)、生成的各種想法與態(tài)度等。這些概念有的正確，有的錯(cuò)誤還有的不準(zhǔn)確，都會(huì)[3]影響學(xué)生后面新概念的建立。二、“探究細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)的通透性”教學(xué)內(nèi)容分析1．設(shè)計(jì)理念在新課標(biāo)當(dāng)中強(qiáng)調(diào)：教學(xué)過程注重實(shí)踐，要讓學(xué)生動(dòng)手活動(dòng)，動(dòng)腦思考，通過探究[4]類活動(dòng)，理解生物概念，提升應(yīng)用能力。本實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)于人教版生物必修1分子與細(xì)胞模塊第4章細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出之后，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，使得學(xué)生更好的理解細(xì)胞膜對(duì)不同的物質(zhì)通透性不同，體會(huì)選擇透過性這一生物膜的功能特點(diǎn)，并在實(shí)踐中形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和積極的科學(xué)態(tài)度。2．實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)將人或者是雞的紅細(xì)胞分別放置于各種等滲溶液中。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的等滲溶液包括鈉鹽、銨鹽等離子溶液、葡萄糖溶液以及脂溶性的小分子溶液（圖1）。理論上，紅細(xì)胞在等滲溶液中，形態(tài)保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生溶血，但是由于細(xì)胞對(duì)不同物質(zhì)通透性不同，如果溶質(zhì)能進(jìn)入細(xì)胞，那細(xì)胞內(nèi)的滲透壓就會(huì)升高，大于外界溶液，從而吸水漲破，發(fā)生溶血。圖2左側(cè)是生理鹽水組，紅細(xì)胞在生理鹽水中不發(fā)生溶血，透過試管，不能看到后面白紙上的黑線，圖2右側(cè)是蒸餾水組，紅細(xì)胞在蒸餾水中會(huì)發(fā)生溶血，透過試管可以清晰看見后面的黑線。在后面的操作中，觀察紅細(xì)胞是否發(fā)生溶血，都以這兩組作為參照。2圖1配置紅細(xì)胞的等滲溶液圖2紅細(xì)胞在生理鹽水（左）與蒸餾水（右）中的溶血情況3．學(xué)習(xí)目標(biāo)以上原理是學(xué)生已經(jīng)具備的認(rèn)知基礎(chǔ)，且高一階段的學(xué)生觀察、記憶、想象能力迅速發(fā)展。但是，高一學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面易受感覺的支配，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)往往不能夠達(dá)成研究的目的，且學(xué)生剛?cè)敫咭?，不太有機(jī)會(huì)使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以在動(dòng)手方面還需要鍛煉。因此根據(jù)課標(biāo)要求以及學(xué)情我設(shè)置了以下目標(biāo)：第一，通過探究細(xì)胞對(duì)鈉鹽、銨鹽、葡萄糖及脂溶性物質(zhì)的通透性實(shí)驗(yàn)，形成從生命現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)生物學(xué)問題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問題的能力；第二，通過分析雞血紅細(xì)胞與人血紅細(xì)胞溶血情況的差異，形成結(jié)構(gòu)和功能的生命觀念，認(rèn)同生物多樣性以及復(fù)雜性；第三，以小組合作的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)分配，在方案實(shí)施和討論的過程中，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)溝通合作的能力和創(chuàng)新意識(shí)。完成了目標(biāo)，就能滲透生物學(xué)科核心素養(yǎng)。4．實(shí)驗(yàn)操作流程本實(shí)驗(yàn)具體的操作流程如表1，取12只潔凈的試管，第一只試管里用微量可調(diào)移液器加入3蒸餾水，第二只試管里加入3ml生理鹽水，按照相同操作，在12只試管中加入等量不同的等滲溶液，并用標(biāo)簽紙做好標(biāo)記。繼而每只試管中都加入0.5ml人血稀釋液，觀察現(xiàn)象及記錄溶血時(shí)間。如果探究雞血紅細(xì)胞對(duì)不同物質(zhì)的通透性，只需將人血換成雞血，其余操作相同。三、教學(xué)過程分析1．預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)學(xué)生在課前學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，知曉溶血現(xiàn)象的發(fā)生與否意味著物質(zhì)能否進(jìn)入細(xì)胞以及溶血時(shí)間長(zhǎng)短意味著物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的快慢。然后給學(xué)生分發(fā)學(xué)習(xí)單，學(xué)生根據(jù)已經(jīng)學(xué)習(xí)過的物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的相關(guān)知識(shí)，對(duì)鈉離子、銨根離子、葡萄糖以及脂溶性的小分子能否進(jìn)入細(xì)胞做出判斷，并在學(xué)習(xí)單里預(yù)測(cè)部分（表2）寫出預(yù)測(cè)結(jié)果與理由。表2學(xué)習(xí)單中的預(yù)測(cè)部份一、預(yù)測(cè)（根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并闡述理由）1我的預(yù)測(cè)2我的預(yù)測(cè)理由1.什么物質(zhì)能進(jìn)？什么物質(zhì)不能進(jìn)？2..物質(zhì)進(jìn)入的快慢？2．觀察環(huán)節(jié)預(yù)測(cè)完后，學(xué)生分小組按照實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄紅細(xì)胞在不同的等滲溶液中能否溶血，如果能溶血，就記錄溶血的時(shí)間，并填寫在學(xué)習(xí)單中的觀察部分（表3），并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后與之前預(yù)測(cè)結(jié)果相比較，看是否相符。二、觀察（觀察相關(guān)事實(shí)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與預(yù)測(cè)作比較）3．解釋環(huán)節(jié)在教學(xué)實(shí)踐過程中，學(xué)生填寫了預(yù)測(cè)結(jié)果并闡述預(yù)測(cè)的原因，部分結(jié)果見圖3。然后分小組觀察細(xì)胞在不同溶液中的溶血現(xiàn)象（見圖4），并在學(xué)習(xí)單中記錄溶血的時(shí)間，部分結(jié)果見圖5。學(xué)生在將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)做對(duì)比后，產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，經(jīng)全班匯總整理，沖突主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：第一，人血紅細(xì)胞比雞血紅細(xì)胞更容易發(fā)生溶血；第二，紅細(xì)胞在等滲鈉離子溶液不會(huì)使發(fā)生溶血；第三，紅細(xì)胞在等滲銨鹽溶液會(huì)發(fā)生溶血，但時(shí)間很不同；第四，脂溶性物質(zhì)更容易通過細(xì)胞，其中通過的速度乙醇＞丙酮＞乙二醇>甘油；第五，目測(cè)在半小時(shí)內(nèi)，紅細(xì)胞在等滲葡萄糖溶液中不發(fā)生溶血。圖3學(xué)生預(yù)測(cè)結(jié)果及預(yù)測(cè)原因2圖4細(xì)胞在不同等滲溶液中的溶血情況圖5紅細(xì)胞在等滲溶液中的溶血時(shí)間產(chǎn)生認(rèn)知沖突后，學(xué)生以小組為單位，分配任務(wù)，采用課下多種方法，嘗試去解決問題。課上小組派代表匯報(bào)自己的研究成果，然后小組之前間交流，攻克全班在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的所有問題?，F(xiàn)以個(gè)別問題為例，展示一下學(xué)生解決問題，對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋的的過程。（1）解釋血紅細(xì)胞在等滲葡萄糖溶液中不發(fā)生溶血學(xué)生在操作過程中發(fā)現(xiàn)，在半小時(shí)內(nèi)紅細(xì)胞在等滲葡萄糖溶液中不發(fā)生溶血。此結(jié)果與大部分同學(xué)的預(yù)測(cè)產(chǎn)生沖突，因?yàn)橹皩W(xué)生學(xué)過葡萄糖能以協(xié)助擴(kuò)散的方式進(jìn)紅細(xì)胞。學(xué)生就此問題提出假設(shè)：葡萄糖進(jìn)紅細(xì)胞速度慢，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，還是會(huì)發(fā)生溶血。如何對(duì)假說進(jìn)行驗(yàn)證？學(xué)生提出，可以制作血液臨時(shí)裝片，在顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)。2圖6是生理鹽水組，可在顯微鏡下觀察到完整的具細(xì)胞核的雞血紅細(xì)胞，圖7是蒸餾水組，紅細(xì)胞吸水漲破，無完整紅細(xì)胞。圖8是處理紅細(xì)胞30min的葡萄糖組，以細(xì)胞核作為參照，可以看到膨脹的紅細(xì)胞。由此現(xiàn)象可以得出，學(xué)生假設(shè)正確。目鏡20X物鏡40X圖6生理鹽水組目鏡20X物鏡40X圖7蒸餾水組目鏡20X物鏡40X圖8雞紅細(xì)胞在等滲葡萄糖但是對(duì)人血紅細(xì)胞進(jìn)行鏡檢時(shí)，由于沒有細(xì)胞核作為參照，不容易觀察到膨脹或漲破的紅細(xì)胞。教師可在此引入分光光度計(jì)，將定性觀察和定量分析相結(jié)合。探究過程如下：學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)操作單（表4）配制0%溶血及100%溶血，然后以二者為原液，配置出20%溶血，40%溶血60%溶血及80%溶血，并在波長(zhǎng)為455nm時(shí)用分光光度計(jì)測(cè)出各組透光率，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)繪制出溶血率和透光率的標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖8）。對(duì)葡萄糖組設(shè)置時(shí)間梯度，每30分鐘測(cè)一次透光率并記錄，最后利用標(biāo)準(zhǔn)方程算得溶血率。從學(xué)生處理的數(shù)據(jù)（圖9）可以看出，隨時(shí)間延長(zhǎng)，溶血率再加大，假設(shè)正確。圖8溶血率和透光率的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖9溶血率和時(shí)間的關(guān)系（2）人血紅細(xì)胞比雞血紅細(xì)胞更容易發(fā)生溶血學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料，總結(jié)原因可能是哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核，因此貫穿質(zhì)膜與細(xì)胞核之間的細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)薄弱。雞血紅細(xì)胞有核細(xì)胞，其質(zhì)膜成分與骨架成分可以相互結(jié)合，使細(xì)胞膜抗低滲的機(jī)械強(qiáng)度大大增加，很難像哺乳[5]動(dòng)物成熟紅細(xì)胞那樣在短時(shí)間內(nèi)吸水漲破。四、總結(jié)1．實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)綜上所述，“探究細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)通透性”這一實(shí)驗(yàn)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一，實(shí)驗(yàn)的思路比較巧妙，將物質(zhì)跨膜這一微觀過程，轉(zhuǎn)化為溶血這一宏觀可見的現(xiàn)象，使得在高中實(shí)驗(yàn)室就可探究細(xì)胞膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性問題；第二，操作起來也比較簡(jiǎn)單，本實(shí)驗(yàn)的核心操作在于將紅細(xì)胞與各種等滲溶液混合，觀察是否溶血，記錄溶血時(shí)間，適合高一的學(xué)生；第三，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，從圖片展示可以看出，如果物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，則發(fā)生溶血，可以清晰看到白紙上的黑線。以上三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)大幅度提升本實(shí)驗(yàn)的可行性，為本實(shí)驗(yàn)在高中開設(shè)提供可能。2．策略優(yōu)勢(shì)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過程中，教師有時(shí)采用的策略是先向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)的原理、過程，繼而在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)或組織學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后學(xué)生用剛學(xué)的知識(shí)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋；有時(shí)教師還會(huì)采用先在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象進(jìn)行觀察與記錄，最后教師解釋出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因；有時(shí)還會(huì)由于條件有限，教師無法開展實(shí)驗(yàn)，只能先講解完實(shí)驗(yàn)原理、過程及注意事項(xiàng)等內(nèi)容，繼而讓學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)演示視頻或者直接讓學(xué)生看圖背書。POE教學(xué)策略與上述平時(shí)會(huì)使用的策略相比，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一，明確教師的角色不僅是學(xué)生知識(shí)的來源，還是學(xué)生學(xué)習(xí)情景的構(gòu)建者、學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)者與引導(dǎo)者，教師在組織教學(xué)的過程中應(yīng)用此策略可以切實(shí)將學(xué)生設(shè)計(jì)為學(xué)習(xí)的中心，營(yíng)造尊重事實(shí)，自由開放的學(xué)習(xí)氛圍，并為學(xué)生學(xué)習(xí)與展示搭建平臺(tái)；第二，此策略下設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)使得學(xué)生能夠帶著問題去進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)，目的性強(qiáng)、主動(dòng)性高且效果好；第三，此策略的核心在于學(xué)生必須選擇生成某種理由去解釋觀察到的現(xiàn)象，尤其是與自己的預(yù)測(cè)并不相符的現(xiàn)象。如果最終學(xué)生利用的是生活經(jīng)驗(yàn)、直覺或者是與科學(xué)相悖的觀點(diǎn)去解釋，那說明學(xué)生并沒有達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，需要教師再根據(jù)學(xué)生的情況設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生。第四，此策略下信息傳遞是多元化的，學(xué)生并非單一的從教師那里獲得知識(shí)并記憶，而是以解決問題為目的，與老師同學(xué)進(jìn)行探討與交流。3．教學(xué)建議在使用POE教學(xué)策略的過程中，首先，要注意對(duì)教學(xué)內(nèi)容的選擇，并非所有內(nèi)容都能準(zhǔn)確貼合“預(yù)測(cè)-觀察-解釋”這三個(gè)環(huán)節(jié)；其次，在學(xué)生預(yù)測(cè)之前，教師要初步把握學(xué)生已經(jīng)有的知識(shí)和能力，不能盲目設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的問題，如需必要，還要進(jìn)行知識(shí)的鋪墊；最后，教師要注意引導(dǎo)的程度，一節(jié)好課需要教師的引導(dǎo)，但教師應(yīng)把重點(diǎn)放在研究思路的引導(dǎo)，而非觀點(diǎn)和具體操作上的引導(dǎo)，否則就會(huì)干擾學(xué)生的預(yù)測(cè)內(nèi)容以及觀察到的現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)[1]WHITER