问题导向概念的程序性教学设计--以高中“细胞膜-系统边界”为例_细胞膜论文

问题指向概念的程序性教学设计——以高中“细胞膜——系统的边界”一课为例，本文主要内容关键词为：程序性论文,细胞膜论文,为例论文,教学设计论文,边界论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      《义务教育生物学课程标准（2011年版）》中的“课程内容”列出了主题重要概念50个，并以概念内涵或命题的方式具体描述，它们是课程内容中重要知识的提炼，明确了概念理解的程度。在“教学建议”和“评价建议”中指出，教学活动不应仅停留在让学生记住一些生物学事实，而要帮助学生掌握生物学的重要概念，并构建合理的知识框架，为学生能够在新的情境下解决相关问题奠定基础[1]。即将修订的高中生物学课程标准要延续义务教育生物学课程标准的理念，凸显以重要概念为中心建立起相应的生物学科框架体系[2]。即修订后的高中课程标准与初中课程标准保持相同的方向，强调重要概念的传递。

      课程标准的变化对课堂教学有直接影响，要求教师在概念教学时重点思考如何帮助学生理解概念。为了理解的教学，要求教学策略的实施和教学活动的开展，都是为了达成帮助学生深入理解所学知识的目标[3]。多年的教学实践表明，概念教学有效范式之一就是“问题驱动”模式，该模式中的问题是指向概念的问题。这就是以问题指向概念驱动教学的本质所在，其核心是问题的设计。本文以人教版高中生物学“细胞膜——系统的边界”一课（笔者执教的一节市级公开课）为例论述“问题指向概念”的程序性教学设计。

      一、步骤1：甄别概念

      甄别即是辨别的意思。生物学概念较多，教师在备课时要对每个概念在不同教学范围中的位置有清晰的定位，甄别不同概念之间的地位和联系，使众多的概念在核心概念的统领下成为一个整体。

      1.核心概念

      生物学核心概念是指在生物学课程知识中能起到统领、主导作用的概念，是生物学科知识最为本质和中心的概念。美国2012年发布的《K-12科学教育框架》中明确提出，科学教学要聚焦于有限的学科核心概念和跨领域概念。其中关于学科核心概念共提出10个，与生物学直接相关的有4个：第一，生物体是由细胞组成的；第二，生物需要能量和营养物质，为此它们经常需要依赖其他生物或与其他生物竞争；第三，生物的遗传信息会逐代传递下去；第四，生物的多样性、存活和灭绝都是进化的结果[4]。依据第一个核心概念，笔者认为本课核心概念的另一种陈述是：“细胞是生物体结构和生命活动的基本单位”。

      2.重要概念与一般概念

      核心概念的下位概念即重要概念，即《义务教育生物学课程标准（2011年版）》中所说的某一主题下的重要概念，是基于某一单元、某一章节中重要知识提炼出的概念。一般概念是重要概念的下位概念，是基于众多生物学事实基础上概括后形成的。本课所要理解的概念及其上、下位关系见表1。

      

      二、步骤2：设计指向概念的问题

      1.问题的产生、意义

      生物学科概念是生物学科知识体系的基石，是学习原理、规律或深层次知识的基础。在实际教学中，一些学生记不住概念，有些教师就要求学生“背概念”。背概念不等于掌握概念的本质内涵。学习概念时若以记忆为主，对概念的内涵没有真正理解，或者说概念的形成过程并不是自主构建的过程，这样对学生掌握知识是有影响的。

      自主构建概念的过程就是思维的过程，是原有概念与新情境冲突后，产生问题进而解决问题的过程。这就是杜威（John Dewey，1859-1952）的经验性学习理论的精髓[3]。问题是在新的情境中教师预先设计的，学生在解答问题的过程中体悟概念的内涵与外延。学生是否真正理解概念，一个重要表现就是能够应用所学知识解释生命世界中的问题[4]。最有效的概念教学是在解决问题的过程中，学生能够发现新问题并予以解决，在此基础上又能够发现更新的问题，从而提升知识的深度，这是“问题驱动”教学的意义所在。

      杜威强调，教育必须建立在经验的基础上，教育就是经验的生长和经验的改造。学生从经验中产生问题，而问题又可激发他们探索知识，产生新观念。由此可见，学生学习时不但需要由问题驱动探究，而且更需要从生物学知识本原角度把握知识发生、发展的过程。因此，概念教学时需要教师设计以旧带新的系列问题，环环相扣，将学生的学习分层引向深入，有效地激发学生发现问题，进而解决问题。学生发现的问题是本原问题，是课堂生成的问题，能够激发学习的原动力。这些问题的发现意味着教师要在充满不确定性的课堂里捕捉涉及生物学科本质的问题，及时抓住学生的朴素想法并加以发展。但无论是教师精心设计的，还是来源于学生的本原性问题，它们在课堂上表现为在师生互动中自然生成，具有预设下的原发性和多角度对话的品性[5]。

      2.指向概念的问题设计

      一个真正的问题尤其是教师设计的问题，一定是对学生概念认知构成挑战、没有现成答案、不是通过记忆提取的学习任务。因此，教师要重点关注问题的功能定位，即防止出现满堂问、鲜见学生主动问的情况。如果想让学生触及生物学科概念本质，就要鼓励学生提出问题，教师需要对一些反映生物学科本质的问题留有空间，即哪些问题由教师提出，哪类问题由教师引导，哪种问题应引导学生主动提出。本文重点讨论教师如何设计指向概念的问题。

      （1）确定重要问题与一般问题

      前已述及，如果将概念的陈述直接呈现给学生，这与要求学生纯粹记住概念性知识的教学没有区别。如果在教学设计时将这些陈述式的概念知识转换成问题的形式，且问题本身又是需要教师引导学生解决的，或者需要师生共同思考解决，那么教学的靶向性将特别明晰。例如，“细胞膜”这一教学主题所属的重要概念需要回答的问题是：生物体的结构如何实现生命功能？同样，与第一步“甄别概念”相对应，本课教学需要回答的重要问题是：细胞膜具有哪些与其功能相适应的结构？

      基于学生已有的认知水平，指向概念的重要问题有时并不能直接回答。在本课教学中，要回答一个重要问题，需要先解决其下位概念所对应的一般问题。与提出重要问题的思想一致，教师在进行教学设计时应尽可能地将所有下位概念转换成问题的形式。本课的重要问题和一般问题见表2。

      

      （2）确定应用问题

      应用问题是基于一般问题、重要问题的基础之上可以进一步解决实际问题的问题。在解决一般问题的基础上回答重要问题之后，学生基本上可以用自己的语言陈述对相应概念的理解。为了进一步巩固和检验学生对相应概念的理解，建议教师思考基于对相应概念的理解后可以解决哪些实际应用的问题，给学生提供学以致用的机会。

      学生基于对本课相关概念的理解，可以进一步回答以下问题：获取细胞膜的方法在生命科学研究中有哪些应用？细胞膜的特性可以解释实际生活中的哪些现象？

      （3）问题排序

      基于学生的认知规律，在课堂教学中，以上问题的出现顺序往往不一定符合学生理解的逻辑顺序。因此，教师需要考虑学生的接受程度及概念知识形成的过程，即安排解决问题的逻辑顺序。本课所要解决问题的逻辑顺序如表3。

      

      三、步骤3：设计活动、解答问题

      在确定了本教学主题所要解决的问题及其逻辑顺序之后，教师需要思考应设计什么活动、选择什么素材引导学生逐一解决这些问题。其中，开展活动是引导学生获得证据、回答这些问题的过程，活动的类型尽量本着求异的原则，可以是资料分析、提问引导、观察总结等方式。而素材则是配合活动方式以恰当的形式（如图片、数据、动画等）呈现给学生，可以是为学生回答问题提供直接证据，也可以是需要学生分析的情境或现象，其科学性非常重要。当学生在教师的引导下通过自己的思考找到这些问题的答案时，他们也就理解了本教学主题所要学习的概念。下面简要说明本课所涉及问题的解决方案（特别说明：由于本课教学中实验较多，建议在实验室上课）。

      1.问题1：细胞膜在哪里？

      素材选择1：形态不同的细胞图片（如精细胞、神经细胞、口腔上皮细胞等）。

      活动设计1：教师用PPT展示图片，学生观察图片，思考并回答问题：通过观察，你发现细胞与细胞之间、细胞与外界环境之间是否有边界？如果有边界存在，如何设计实验证明？

      设计目的：引入新课。利用精美的细胞图片吸引学生的注意力，让学生直观地理解细胞形态的多样性，由此引出本章内容。设计的问题难度小，学生能够依据初中生物学知识解答。

      素材选择2：将鸡蛋打在培养皿内，观察鸡蛋的卵黄膜，并向卵黄内注射蓝色墨水的实验。

      活动设计2：教师或学生演示2个实验。实验1：“鸡蛋打在培养皿内的实验”：将蛋壳打开，蛋清平铺在培养皿内，而卵黄（卵细胞）却呈球状。实验2：用注射器慢慢地向卵黄中注射蓝墨水。同时配合PPT文字讲解。学生观察实验现象的同时，发现问题并展开讨论：鸡蛋里的卵黄与卵清是如何分布的？为什么如此分布[6]？用注射器缓慢向卵黄中注射蓝墨水，蓝墨水充满球体为什么不会溢出？

      设计目的：所选素材密切联系社会与生活，学生通过亲身实践、观察，体验到细胞膜的真实存在，对细胞膜有直观形象的了解[7]。

      2.问题2：怎样得到细胞膜？

      素材选择3：取兔子的血液，向每100 mL生理盐水中加入5 mL兔血，制成等渗的红细胞稀释液。哺乳动物血液不加抗凝剂与加入抗凝剂后在试管中静置分层装置（如图1），课前准备、课上展示或PPT展示。

      

      活动设计3：课前带领学生取兔子的血液并制备细胞悬液。设计过渡问题——用什么材料能得到细胞膜？用什么方法才能得到红细胞？教师展示在血液中加入抗凝剂（如柠檬酸钠）后，血液在量筒中的分层现象（同时用PPT展示）。

      实验3：分组（2人/组）做“体验制备细胞膜的方法”实验：在载玻片上滴1滴兔红细胞稀释液，盖上盖玻片，制作成临时装片。在高倍镜下观察到清晰的细胞之后，在盖玻片的一侧，用滴管滴加1滴蒸馏水，并用滴管牵引，使水滴布满盖玻片一侧的边缘，另一侧用吸水纸吸引。当观察到细胞流动速度加快时，取走吸水纸，然后在盖玻片的另一侧滴加1滴蒸馏水，同样用滴管牵引，使水布满盖玻片另一侧的边缘[8]。同时用PPT展示教材中的图片：人正常红细胞处于等渗（生理盐水）、高渗（10%盐水）、低渗（蒸馏水）中红细胞的形态变化图。

      设计目的：通过引入问题：用什么材料能得到细胞膜？激发学生分析得出“哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和各种具有膜结构的细胞器。”教师演示“稀释红细胞”实验并指导学生分组制备细胞膜实验。在眼见为实的教学过程中，学生主动参与体验较深刻。由此可见，对于比较抽象的概念宜采取以事实材料为基础的方法进行教学，这是概念教学特别要注意的地方。

      3.问题3：如何研究细胞膜的成分？

      素材选择4：课前准备——将稀释的兔红细胞处于清水中（试管）。

      活动设计4：情境引导、教师讲解。问题：刚才只是观察到细胞膜的存在和破裂，并没有真正提取细胞膜。你能够想出获得较为纯净细胞膜的方法吗？学生分组讨论。

      实验4：将稀释的兔红细胞置于盛有蒸馏水的试管中，10 min后离心观察（由于实验4需要时间较长，可以继续按步骤进行以下教学内容）。

      设计目的：引出科学研究中的方法——差速离心法，即采用不同转速离心的方法将细胞膜与其他物质分开。通过分离纯化排除其他杂质的干扰，这为进一步研究细胞膜成分打下基础，帮助学生构建研究物质成分时需要进行分离纯化的认识，并在此基础上引导学生思考，如果没有离心机，还可以采取什么方法获得细胞膜？（静置法）

      4.问题4：细胞膜的主要成分有哪些？

      素材选择5：细胞膜化学组成研究史（教材第65页）。资料1：1895年，Overton在研究各种未受精的卵细胞透性时，发现脂溶性物质容易透过细胞膜，非脂溶性物质透过细胞膜十分困难（有条件的学校，建议做如下实验：向装有适量细胞膜的试管中加入2 mL的脂质溶剂，观察细胞膜消失的现象）。用PPT展示磷脂分子结构图。资料2：科学家对细胞膜化学成分深入研究发现，细胞膜会被蛋白酶分解。或者向溶解了细胞膜的溶液中加入双缩脲试剂后溶液变蓝，则说明细胞膜中含有蛋白质。

      活动设计5：通过分析2个资料，初步得出结论：细胞膜中含有脂质和蛋白质。在此基础上告诉学生，科学家从刚才实验的液体中还能检测到少量糖类。通过研究发现：细胞膜主要由蛋白质（占比40%）和脂质（占比50%）（主要是磷脂）组成，还有少量糖类2%～10%。

      设计目的：将本课与第4章第2节“生物膜流动镶嵌模型”进行知识整合，意在遵循学生的认知规律，便于学生进行概念的自主构建，从而形成知识网络。在此概念教学过程中，学生学习兴趣较浓，在“做中学”，在活动中深刻体验科学实验的研究过程，实验探究、协作、逻辑思维等能力得到了发展。

      5.问题5：细胞膜的各种成分是如何组成膜结构的？

      素材选择6：细胞膜结构示意图（教材封面图）。

      活动设计6：在分析资料1的基础上，设计系列探究题：①请提出许多磷脂分子在“空气—水”界面上排布的假说，并画图表示；②请提出许多磷脂分子在空气和水界面上单分子排布后被搅动，在水溶液中形成相对稳定排布的假说，并画图表示；③请尝试画出生物膜中磷脂双分子层的排布简图。教师在分析资料2的基础上（已经证明细胞膜含有蛋白质），设计探究题：请尝试画出蛋白质在磷脂双分子层的分布简图。教师指导学生观察教材封面“细胞膜结构示意图”，配合PPT动画讲解。

      设计目的：通过系列探究题帮助学生构建细胞膜模型，让学生理解掌握生物膜中磷脂的双分子层排布与蛋白质的分布情况。帮助学生直观感受细胞膜的各种成分是如何组成膜结构的，以及了解各成分的作用，为“细胞膜流动镶嵌模型”一课打下基础。

      6.问题6：细胞膜的存在具有什么功能？

      素材选择7：用PPT展示精细胞、神经细胞、口腔上皮细胞、打开的鸡蛋的图片及图2。

      

      活动设计7：观察图片，提问“细胞内物质与外界环境为什么没有混为一体？”引导学生观察图2。学生很容易得出“细胞膜能将细胞与外界环境分隔开”的功能。

      素材选择8：实验5：取数量相等的玉米粒2份，编号为甲、乙2组，将乙组玉米粒煮熟，然后分别加入蓝墨水，几分钟后用缓水流冲洗2组玉米粒。结合PPT展示图2。

      活动设计8：组织学生分组实验，结合实验5现象（甲组的玉米粒颜色不变，而乙组玉米粒为什么被染成蓝色？）分组讨论，结合图2得出细胞膜的第2个功能：控制物质的进与出。

      素材选择9：教材第42页图3-2“细胞间信息交流的方式举例”，结合PPT展示图2。

      活动设计9：教师指导学生阅读教材中的图及文字，结合图2理解细胞膜第3个功能：细胞膜能进行细胞间的信息交流。

      设计目的：引导学生根据“素材7-9”，结合图2，推理分析细胞膜具有哪些与其结构相适应的功能，结论由师生共同分析推出。这样的概念教学是在一定的情境中进行，学生通过实验、观察、推理后，顺理成章得出细胞膜的三大功能，这样的学习过程记忆深刻。

      7.问题7：获取细胞膜的方法在生命科学研究中有哪些应用？

      素材选择10：科学家将动物细胞破坏后，获得了细胞膜。利用植物细胞能否提取到细胞膜？由于植物有细胞壁不利于细胞膜的提取，用什么方法去除细胞壁？科学家在研究植物细胞的内部结构与成分时，又采取了什么方法？

      活动设计10：指导学生观察植物细胞结构图，阅读教材中植物细胞壁的成分，引导学生思考、解答上述问题。

      设计目的：教学的目的是应用已有概念知识解答实际问题。设计系列问题的目的是考查学生能否灵活应用所学的知识和技能。从植物细胞中获取细胞膜是基于获取动物细胞膜的技术，首先要使细胞破裂，让细胞壁消失，然后采取“差速离心法”获得细胞膜，并获得细胞内部结构、成分，这为学习细胞器打下基础。

      8.问题8：细胞膜的功能特性在科学研究中有哪些应用？

      素材选择11：资料1：农业方面，从膜的结构和功能角度研究农作物抗寒、抗旱、耐盐的机理，寻找改善农作物品质的新途径。资料2：工业方面，模仿膜的选择透过性，设计出一种膜，进行海水淡化处理，或对污水进行处理，降低有毒重金属离子对水的污染。资料3：医学方面，用人工合成的膜材料，代替患者的病变器官行使正常的生理功能。资料X：学生课堂生成的例证。

      活动设计11：从3个资料中选择其中一个资料分组讨论解释“生物膜在生产实际中的应用原理”。

      设计目的：学以致用。

      需要提醒的是：第一，“设计活动，解答问题”这一环节中的问题在不同的学情中有所变化，可以依据学情进行增删。另外，课堂生成的本原性问题是不确定的，这无疑要求教师在备课时充分“备学生”。第二，问题的呈现不需要用PPT展示。第三，本课的教学设计仅仅是主要教学环节，具体细节的处理在教学时还需要审慎对待、细致推敲。

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