高中生物新教材“被动运输”解读

高中生物新教材“被动运输”解读

1问题探讨

与现行教材相比，本节问题探讨添加了设问：如果漏斗管足够长，管内液面会无限升高吗？为什么？

学生可能会有这样想：漏斗内蔗糖溶液的浓度一直高于烧杯内的清水，因此烧杯内的水分将永不停歇地通过半透膜进入漏斗，漏斗内的液面将一直上升不会停止。实际上，管内液面上升到一定高度之后，管中水柱产生的压力将加速将漏斗中的水分“压出”，水分进入漏斗（因为浓度差）的速率和水分流出（因为管中水柱的压力）的速率相等时，液面将不在上升。

问题探讨通过设问，引导学生考虑“压力势”的影响，这可以帮助学生随后弄清为什么植物细胞不能无限吸水。植物细胞吸水膨胀后会对细胞壁产生压力，细胞壁反过来也挤压原生质体，细胞壁产生的压力导致水从植物细胞中挤压出来，最终植物细胞吸水和细胞壁将水从细胞中压出之间将建立平衡。

2水进出细胞的原理2.1渗透作用介绍

现行教材删去了渗透作用的介绍，新教材又回来了。渗透作用是指水分子通过半透膜的扩散。有些老师对“扩散”一词有误解，甚至认为扩散就是水分子无规则的运动。而实际上扩散是有方向的，因此渗透（作用）也是有方向的：从相对含量高的一侧向相对含量低的一侧，这里渗透的方向是水分子净移动的方向。

将人的红细胞置于生理盐水中，水分进出红细胞达到平衡，此时细胞没有水的净移动，没有发生渗透作用。只有将红细胞置于低渗或高渗溶液中，才会发生渗透作用。

2.2思考与讨论

通过设问引导学生的思维活动，通过和渗透装置类比，明确哺乳动物红细胞的细胞膜相当于一层半透膜，膜两侧存在“浓度”差时就会发生渗透作用。

新教材此处加了一个设问，让学生思考会什么临床输液要用生理盐水，引导学生关注生活实践并用所学知识做出合理的解释。

2.3植物细胞的吸水和失水

植物细胞的吸水和失水，教材选择了成熟植物细胞进行说明。

成熟植物细胞失水时，会发生质壁分离。质壁分离指的哪里和哪里分离，教材写得比较具体：细胞壁和原生质层分离。但是名词委的术语中我们看到质壁分离被定义为：原生质体收缩，部分质膜与细胞壁脱离的现象。

我们可以大致看一下教材这一部分的写法，不管是哺乳动物红细胞还是成熟植物细胞，教材都在引导学生寻找“半透膜”在哪里，然后再分析“半透膜”两侧存在浓度差会怎样。其目的是期望学生在动植物细胞中找到“渗透装置”。正是基于这样的考虑，教材突出强调了原生质层，虽然原生质层不是被普遍接受的术语，但用在此处能言简意赅地说明成熟植物细胞可以构成一个渗透系统，否则每次都是细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质，我们作为读者也会不胜其烦。这里只需要让学生明确发生了质壁分离即可，并不需要强调一定是原生质层和细胞壁分离（为分数计，还是强调一下吧）。

2.4“浓度”——一个艰难的选择

教材介绍成熟植物细胞主要通过渗透作用吸水和失水时，比较了细胞液浓度和外界溶液浓度的大小。

细胞液中溶质是多种多样的，有电解质也有非电解质；实验时外界溶液中的溶质是蔗糖，属于非电解质，这在化学上是没法比较两者浓度大小的。而且作为教师，我们清楚这里实际比较的是渗透压（或渗透势），电解质和非电解质的渗透压（或渗透势）不能一概用物质的量浓度加以衡量，还要考虑电解质和非电解质对水的吸引能力（束缚能力）是有差异的。

考虑到学生的认知水平，教材此处用“浓度”代替渗透压（渗透势）是一个折中的处理。为了弥补这一不严谨表述的缺憾，课后练习题测量细胞液浓度时，问的是“相当于”多大浓度的蔗糖溶液，而不是问细胞液浓度是多少。同样的，在讲哺乳动物红细胞的吸水和失水时，我们最好说成红细胞内的溶液相当于0.9%的氯化钠浓度，而不要说两者浓度相等。

3探究——植物细胞的吸水和失水3.1预备知识

新教材在学生探究实验前先介绍了不少预备知识，有点散。概括起来有两个方面。

一方面介绍了细胞壁的透性和伸缩性。现行教材讲细胞壁是全透性的，溶于水中的物质都能通过细胞壁；新教材修改为水分子对细胞壁是全透性的，不再提溶于水中的物质都能通过细胞壁，这主要是考虑到溶于水的大分子蛋白质很难穿过细胞壁。

另一方面此处点出：教材所述的水进出细胞，主要是指水经过原生质层进出液泡。此处教材故意引导学生把原生质层当作一个整体进行考虑，这样做是为了引导学生寻找成熟植物细胞中的渗透系统。教材的质壁分离图像也曾被怀疑是假的，因为大家看到的质壁分离经常是原生质层很不规整。究其原因主要是大家滴加蔗糖后不久就进行观察，此时还处于水从液泡进入原生质层然后再进入外界环境的过程中，如果大家再等待一会，等到外界的水充分穿过原生质层进入液泡，水分进出细胞达到大致平衡时，就能看到原生质体的整体收缩，此时显微镜下的图像就和教材给出的示意图相似了。

3.2探究的逻辑分析

合理假说的提出要依据一定的已知信息，教材举了一些具体的例子让学生体会植物细胞的吸水和失水，并将其与动物细胞的吸水和失水进行类比。在此基础上我们提出假说：水分通过渗透作用进出植物细胞。验证该假说的关键是在植物细胞中找到渗透装置，或者说要找到“半透膜”？半透膜有两个候选：细胞壁或原生质层。

已知构成原生质层的细胞膜能控制物质进出，因此我们推测原生质层也能控制物质进出，相当于“半透膜”。这样假说就转变为：原生质层相当于一层“半透膜”吗？

在假说的基础的上进行演绎推理，得出当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞就会失水；当外界溶液低于细胞液浓度时，细胞就会吸水。外界溶液的溶度可以人为控制，这时最关键的就是寻找一个合适的观察指标，用于确认细胞的失水和吸水。洋葱鳞片叶外表皮的细胞满足上述观察指标的要求，因为它的液泡中含有紫色的色素，失水后色素浓度会增大，紫色加深，范围变小；吸水后色素浓度会降低，紫色变淡，范围变大。

3.3实验方案及实施

作为探究活动，由学生制定实验步骤为宜。教材直接给出了实验步骤，其中滴加蔗糖后再滴加清水的操作，对学生而言比较突兀。为了让滴加蔗糖和滴加清水之间的过渡更自然一些，可以这样做：

一种是把实验步骤处理为先加蔗糖然后再去蔗糖（这里的去蔗糖就是加清水）。此类先加自变量再减掉自变量（有时是先减后加）的实验设计在生物学中还是相对常见的，通过前后对照用以确认质壁分离现象是添加蔗糖溶液引起的，去除蔗糖溶液后，恢复原来的状态，即质壁分离复原。这种处理方式对学生思维的要求略高。

另一种处理方式，先设计实验步骤至添加蔗糖溶液，随后就进行实验观察。实验结果紫色变深且范围变小符合实验预期。同时，学生能观察到质壁分离，直观感受到原生质层的伸缩性。在这个基础上，我们可以引导学生再去思考：向质壁分离的植物细胞滴加清水，结果会如何？这样的过渡更加流畅自然一些。

4自由扩散和协助扩散

新教材把自由扩散和协助扩散放在一节进行处理，主要是考虑到两者都属于被动运输，被动运输的实质是通过膜的扩散。这里谈几个小问题。4.1自由扩散（简单扩散）

现行教材通过无蛋白的脂双层膜对不同分子或离子通透性的分析，让学生明确离子（因为带电和水合的双重影响）不能自由穿过脂双层，分子的极性和大小影响其在脂双层中扩散的速率。实践中，很少见到教师能够较好地处理现行教材中这个问题探讨，其中很重要的一个原因在于学生缺乏化学基础。新教材删去了这个问题探讨，可能也是基于这样的考虑。

新教材选择引导学生从脂溶性的角度去思考什么样的物质容易自由扩散。对学生而言，脂溶性要比极性更容易理解一些。

4.2协助扩散

现行教材正文主要介绍了载体介导的协助扩散，新教材这里明确提出，协助扩散包括载体介导的和通道介导的两种类型，载体和通道则统称为转运蛋白。

通道介导的和载体介导的协助扩散有着一定的差异。载体需要先和被运输的物质结合，引发载体构象的变化，从而完成物质转运。经通道进行物质转运时，通道并不和被转运的物质结合，而是通过通道自身的结构选择形状、大小、电荷适宜的分子或离子通过。这里可以额外跟学生讲一下，经过通道的运输都是协助扩散，尤其是经过离子通道通道的运输，通常还会用“流”来命名，如Na+内流、K+外流，Ca2+内流等等，有些教辅把主动运输也称为“流”，实际上是不符合规范的。

关于水的跨膜运输，现行教材将水通道蛋白的研究则放在了课后“科学前沿”栏目中。新教材则直接在正文中就明确提出水的跨膜运输包括自由扩散和水通道蛋白介导的协助扩散。另外，新教材课后安排了生物科学史话“人类对通道蛋白的探索历程”，其中对水通道研究的介绍更加详细，尤其是提到了科学家先发现水跨膜运输速率的异常，然后推测存在自由扩散以外的运输方式，最后发现水通道蛋白。这样的细节介绍具有思维训练的价值。

最后教材还介绍了影响协助扩散的三个因素：浓度差、转运蛋白数量以及温度。温度影响扩散的速率，这一点是放在教材课后练习题中让学生思考的。

5建构概念，发展素养，重视实践

本节需要建立的概念是：细胞中物质的输入和输出都需要经过细胞膜。脂溶性分子通过自由扩散进出细胞，协助扩散借助膜转运蛋白完成，膜转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白。自由扩散和协助扩散都不需要细胞代谢提供能量，叫做被动运输，水分子进出细胞既可以自由扩散，也可以借助通道蛋白进行协助扩散。

通过探究植物细胞吸水和失水的原理这个实验，让学生体验科学探究的一般过程，提高实验设计和动手操作能力。

用哺乳动物红细胞膜和成熟植物细胞的原生质层类比半透膜，说明细胞通过渗透作用吸水或失水。

磷脂分子的结构特点决定了脂溶性物质可以溶解在细胞膜中，磷脂分子的运动对脂溶性物质的跨膜转运是必须的；一种转运蛋白往往只适合转运特定的物质，转运蛋白空间结构的变化，对物质跨膜运输起着决定性的作用，细胞膜具有一定的流动性是细胞膜能够进行跨膜转运的结构基础。