基于探究實驗的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)
——以“滲透作用”為例

付林娜 馮 欣

（1.山東省東營市勝利第一中學(xué) 山東東營 257100）（2.山東省壽光現(xiàn)代中學(xué) 山東濰坊 262703）

1 理論基礎(chǔ)

概念教學(xué)是高中生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，其中的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)是概念教學(xué)的重難點。概念轉(zhuǎn)變是指學(xué)習(xí)者在新的學(xué)習(xí)中，不同程度地擴展、更改或重組頭腦中原有的概念以適應(yīng)新的科學(xué)概念，從而建構(gòu)自己知識體系的過程。概念轉(zhuǎn)變是個體新、舊經(jīng)驗相互作用的結(jié)果，是新經(jīng)驗對已有經(jīng)驗的改造過程，是學(xué)習(xí)者在前概念的基礎(chǔ)上，利用已有的知識體系不斷地對新的科學(xué)概念進(jìn)行有意義的分解、切割、歸類和契合，同時又不斷地糾正、克服和超越前概念的局限，從而積極地建構(gòu)科學(xué)概念的過程。

概念轉(zhuǎn)變有兩種情況：①“豐富”，即新知識的納入補充了原有的知識，通過積累的方式使原有知識發(fā)生變化；②“修訂”，即新獲得的信息與原有的經(jīng)驗和理解之間存在著沖突，因而要對原有的理解做調(diào)整，糾正原來的錯誤理解，從而建立起對新信息的正確理解。下面以關(guān)于“滲透作用”的一系列探究實驗為依托，展示如何將概念轉(zhuǎn)變理論應(yīng)用到教學(xué)實踐中。

2 教學(xué)實踐

2.1 分析學(xué)生，關(guān)照前概念，制定教學(xué)目標(biāo)

“滲透作用”是人教版高中生物必修一第四章第一節(jié)被動運輸中的概念。該概念對于理解細(xì)胞的失水和吸水有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)之前教學(xué)時的提問和調(diào)查，結(jié)果顯示：①大部分學(xué)生對擴散、生物膜的概念、分子熱運動等都能準(zhǔn)確回憶并理解；少數(shù)學(xué)生會出現(xiàn)遺忘情況。②學(xué)生幾乎都在日常生活中常聽到“滲透”這個詞，但僅限于模糊的認(rèn)識。③大部分學(xué)生認(rèn)為，滲透和擴散一樣，都是自發(fā)的、物質(zhì)從高濃度向低濃度的運動，不需要特殊的裝置和條件。④學(xué)生都沒有區(qū)分過溶質(zhì)的濃度和溶劑的濃度，認(rèn)為濃度必然指的是溶質(zhì)的濃度。⑤學(xué)生都認(rèn)為滲透平衡后原來兩個體系的濃度一定是相等的。這些都是學(xué)生的前概念，其中，擴散、生物膜、分子熱運動等的概念對滲透作用的理解是有利的。但是，大多數(shù)學(xué)生對滲透概念的理解是模糊的甚至是錯誤的。且由于滲透現(xiàn)象發(fā)生在生物體內(nèi)部，肉眼無法直接觀察，學(xué)生前概念中的知識不足以解答滲透作用的相關(guān)問題。因此，教師需要在引導(dǎo)學(xué)生探究的過程中，幫助學(xué)生建立認(rèn)知沖突，修訂前概念。

根據(jù)對學(xué)生前概念的分析，教師制定本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)為：通過裝置的改進(jìn)、材料的選擇和實驗的分析，深入理解滲透作用的概念和實質(zhì)，豐富和修訂前概念；通過課本經(jīng)典實驗的延伸探究，鍛煉科學(xué)探究的能力、掌握科學(xué)探究的方法。

2.2 改進(jìn)實驗，概念察覺

教師聯(lián)系擴散和滲透作用，給學(xué)生制造認(rèn)知沖突。此時，一個具體可觀測的滲透裝置和通透性適宜的半透膜是必須的。教材中給出的是包含燒杯、長頸漏斗與玻璃紙的這套滲透裝置。學(xué)生在親歷實驗的過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題：玻璃紙與漏斗密封不嚴(yán)，漏液嚴(yán)重；所需半透膜面積大，不宜獲取；長頸漏斗加液困難；得到明顯結(jié)果所需時間太長等。為了更好地通過滲透現(xiàn)象察覺概念，筆者帶領(lǐng)生物興趣小組的學(xué)生探究了更優(yōu)化的裝置和材料，進(jìn)行了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灐?/p>

2.2.1 滲透裝置的改進(jìn)和選擇

U型裝置所需半透膜面積小，加液相對簡單。因此，筆者帶領(lǐng)學(xué)生們自制了簡易的U型裝置：利用化學(xué)實驗室因邊緣破損棄置的牛角管，用酒精噴燈加熱牛角管的彎管處并掰成直角。這樣2個牛角管就可以制備1個U型裝置。同時用乳膠管或塑料水管相連中間的連接處，將半透膜固定住，且密封性良好。

自制裝置雖然解決了“U型”的問題，但只能定性觀測，無法定量研究。因此，筆者查閱大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)已有研究者研發(fā)出供高中實驗用U型裝置（圖1），非常適合滲透現(xiàn)象的探究該裝置的優(yōu)點為：U型管可從中間拆裝，拆裝處有橡膠墊片可裝半透膜；半透膜所需面積很小，方便取材；兩側(cè)的管徑細(xì)且有刻度，現(xiàn)象明顯并且便于精準(zhǔn)讀數(shù)統(tǒng)計。

圖1 U型裝置示意圖

2.2.2 半透膜的選擇

半透膜是滲透作用的重要材料，不僅是影響實驗成功的關(guān)鍵因素，也對學(xué)生理解滲透作用的概念至關(guān)重要。查閱資料，發(fā)現(xiàn)許多教師已對半透膜的材料進(jìn)行了大量探究。學(xué)生選取了幾種評價較高的半透膜材料，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的蔗糖溶液和清水進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果記錄表

學(xué)生討論后，得出實驗結(jié)論：卵殼膜的通透性最好，實驗效果最明顯。

在對實驗裝置和材料的改進(jìn)和選擇過程中，學(xué)生已經(jīng)觀察到了實驗現(xiàn)象，對滲透作用的概念也有了深刻的印象和初步的感知。學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)概念中的“滲透作用”和“擴散”并不是同一概念，與日常生活中所說的“滲透”也有很大差別。同時，學(xué)生還理解了滲透作用發(fā)生必須要有特殊的裝置和條件，即具備半透膜，且半透膜兩側(cè)溶液的濃度存在濃度差。此時，學(xué)生感覺到自己前概念的局限性和模糊性，并對液面差的產(chǎn)生原因充滿了強烈的好奇心。因此，學(xué)生開始對自己的前概念產(chǎn)生疑惑，根據(jù)概念轉(zhuǎn)變理論，這將是觸發(fā)新的概念學(xué)習(xí)和構(gòu)建的必要條件，也就為接下來的探究打下了牢固的基礎(chǔ)。

2.3 初步探究，概念理解

帶著疑問，在自選裝置和半透膜材料的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行了滲透作用的延伸實驗：探究了一系列質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度（10%、20%、30%、40%、50%、60%）的蔗糖溶液和清水通過卵殼膜的滲透效果。實驗結(jié)果見表2。

表2 實驗結(jié)果記錄表

學(xué)生得出實驗結(jié)果：隨著蔗糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，滲透效果增強。因此，得出結(jié)論：半透膜兩側(cè)濃度差越大，滲透作用越明顯。這時，教師自然引出滲透壓這一概念，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出：滲透作用中水分子擴散的速率與半透膜兩側(cè)的濃度差呈正相關(guān)。此時，學(xué)生明確了前概念中的“溶質(zhì)濃度”和“溶劑濃度”，開始從溶劑濃度的角度看待滲透作用的問題，進(jìn)一步理解了滲透作用的本質(zhì)。

2.4 深究本質(zhì)，概念建構(gòu)

通過自己動手實驗，學(xué)生清晰地觀察到宏觀上的滲透現(xiàn)象，并能初步分析影響滲透作用的主要因素，但仍然對滲透作用的原理不甚了解。此時，教師展示微觀模擬動畫（圖2），設(shè)置一系列問題：①半透膜兩側(cè)的分子碰撞半透膜的機率相等嗎？②哪種分子能通過半透膜，哪種分子不能透過？③為什么進(jìn)入蔗糖溶液側(cè)的水分子多于進(jìn)入清水側(cè)的水分子數(shù)？這樣可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合分子熱運動、擴散和動畫，分析滲透作用原理。

圖2 微動畫中實驗裝置示意圖

在已有概念和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，學(xué)生通過回答問題串的問題，結(jié)合實驗裝置和半透膜的選擇，真正理解了液面上升的原因。同時進(jìn)一步修訂了前概念：滲透平衡之后，半透膜兩側(cè)的濃度不一定相等，液面高的一側(cè)溶液濃度仍然高于液面低的一側(cè)溶液。學(xué)生從而自主構(gòu)建概念“滲透作用是指水分子或其他溶劑分子通過半透膜的擴散”，并構(gòu)建各種概念之間的關(guān)系圖（圖3）。

圖3 有關(guān)“滲透作用”各種概念間的關(guān)系圖

2.5 延伸探究，概念應(yīng)用

朱正威老師曾說過，生物學(xué)不僅描述生物界的“是什么”，更要解釋“為什么”。在概念構(gòu)建的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生利用類比推理和知識遷移解釋生活中的生物學(xué)問題：①植物根細(xì)胞是如何從土壤中吸收水分的？②如何解釋一次性施肥過多造成的“燒苗”現(xiàn)象？③輸液時為什么要輸?shù)葷B溶液（生理鹽水或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液）？

此時，教師引導(dǎo)學(xué)生通過類比推理，使學(xué)生理解細(xì)胞也是一個滲透系統(tǒng)：植物根細(xì)胞是通過滲透作用吸收水分。教師進(jìn)一步用植物細(xì)胞的失水類比吸水，解釋“燒苗”的原因是一次性失水過多導(dǎo)致土壤溶液濃度過高從而導(dǎo)致植物細(xì)胞失水，甚至死亡。然后，引導(dǎo)學(xué)生分析動物細(xì)胞的失水和吸水情況，解釋等滲溶液可以使細(xì)胞形態(tài)穩(wěn)定，不會因失水過度死亡或吸水過多而脹裂。通過知識的遷移和應(yīng)用，教師引導(dǎo)學(xué)生在生活中的場景中鞏固、應(yīng)用、內(nèi)化概念，落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3 教學(xué)反思

探究實驗完成之后，學(xué)生可以做到正確區(qū)分滲透和擴散作用的概念和實質(zhì)，并接受和理解了探究對象為溶劑的濃度這一事實；絕大部分學(xué)生能夠正確分析滲透平衡時各體系的濃度和重力等的關(guān)系，并且能夠正確應(yīng)用滲透作用解釋生活中的生物學(xué)問題；大部分學(xué)生可以在進(jìn)一步延伸探究提出自己思考和建議。由此可見，學(xué)生通過這次探究實驗，深入理解了滲透作用的概念和實質(zhì)，豐富和修訂了頭腦中的前概念。學(xué)生通過實驗的延伸探究，鍛煉了科學(xué)探究的能力，掌握了科學(xué)探究的方法。綜上，本次實驗較好地達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。

整個探究過程是師生在已有知識體系的基礎(chǔ)上，不斷糾正、克服和超越前概念的局限，從而積極地建構(gòu)科學(xué)概念的過程，也是一次生動深刻的概念轉(zhuǎn)變過程。探究之初，教師聯(lián)系學(xué)生頭腦中僅有“擴散”“分子熱運動”和幾個生活中滲透現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生在探究過程中經(jīng)歷“察覺概念、理解概念、構(gòu)建概念、應(yīng)用概念”這一完整概念建構(gòu)過程，使學(xué)生了解了滲透作用豐富的內(nèi)涵和外延，逐步形成了生命觀念，也在解決問題的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，鍛煉了科學(xué)探究，提升了社會責(zé)任感。