白建秀

摘要 對“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”教學(xué)案例進(jìn)行評析，闡釋生物學(xué)的課堂教學(xué)中應(yīng)如何利用科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，以提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，進(jìn)而理解科學(xué)是一個(gè)發(fā)展的過程。案例充分表明基于教材但不拘泥于教材、組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞 教材 生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型 案例評析

中圖分類號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”是一節(jié)涉及科學(xué)史的課，既基于教材但又不拘泥于教材，沿科學(xué)史但又不完全按照時(shí)間順序，用科學(xué)史素材但又不是資料的羅列，主講人是北京市第八十中學(xué)姚亭秀老師，本教學(xué)案例具有如下的幾個(gè)特點(diǎn)。

1 問題驅(qū)動(dòng)，訓(xùn)練科學(xué)思維

陶行知說：“發(fā)明千千萬，起點(diǎn)是一問”。當(dāng)代心理學(xué)研究表明，問題是在一定的情境中通過主體的活動(dòng)而產(chǎn)生的。本節(jié)課由一張光鏡下的視野照片引發(fā)出判斷完整的動(dòng)物細(xì)胞開始，“細(xì)胞膜”的回答早已被教師料到，故而進(jìn)一步追問、質(zhì)疑：你看到過細(xì)胞膜嗎，真的有膜嗎？教師此時(shí)非常巧妙地舉證“水滴”和“油滴”，提出問題：它們有膜嗎？課堂上立刻沉寂下來?！八巍焙汀坝偷巍迸c那個(gè)完整的動(dòng)物細(xì)胞非常相似。細(xì)胞真的有膜嗎？細(xì)胞膜是物質(zhì)實(shí)體嗎？如果是，如何證實(shí)？此時(shí)沉寂的課堂彌漫著一種理性、科學(xué)的味道。這樣的問題導(dǎo)入一下子抓住了學(xué)生的心理，激發(fā)學(xué)生的求知欲。這是第一個(gè)大問題，本節(jié)課共有5個(gè)大問題：真的有細(xì)胞膜嗎？真的有脂質(zhì)成分嗎？真的是脂雙層嗎？真的有蛋白質(zhì)嗎，它又如何排布的？膜流動(dòng)的過程中是什么物質(zhì)在動(dòng)？這些問題構(gòu)成了本節(jié)課的主線。這五個(gè)大問題也是5點(diǎn)質(zhì)疑，每個(gè)問題提出后都會(huì)引起學(xué)生思維上的漣漪。教師通過科學(xué)史料、演示實(shí)驗(yàn)或建構(gòu)模型的方式，使學(xué)生重溫科學(xué)研究的歷程，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，均停留在推理層面，幫助學(xué)生厘清推理與定論之間的關(guān)系，核心就是通過確鑿可信的證據(jù)來建立兩者之間的邏輯關(guān)系，體現(xiàn)著“懷疑是審視的出發(fā)點(diǎn)、實(shí)證是判別的尺度、邏輯是論辯的武器”的科學(xué)基本特征，訓(xùn)練著學(xué)生的分析綜合、模型與建模、歸納與概括、批判性思維等的科學(xué)思維方法和習(xí)慣，能夠讓學(xué)生感受到科學(xué)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，在不斷地懷疑和求證、爭論和修正中并隨著技術(shù)的革新向前發(fā)展，最后通過科學(xué)家時(shí)至今日持續(xù)70多年的研究熱情再次激發(fā)學(xué)生應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品生產(chǎn)、化妝品等實(shí)踐的思維習(xí)慣和能力。人的思維常因解決問題而被激活，問題推動(dòng)人積極思維。教師利用本節(jié)課所學(xué)習(xí)的知識(shí)作為載體，以問題驅(qū)動(dòng)，著重訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，同時(shí)充分挖掘?qū)W科的育人價(jià)值。

2 重做經(jīng)典，再現(xiàn)科技關(guān)系

本案例很有創(chuàng)意地將歐文頓的實(shí)驗(yàn)“搬上”了學(xué)生課堂，讓學(xué)生看到紫色洋蔥表皮細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離及其復(fù)原的過程，使學(xué)生真正體會(huì)甘油分子能夠進(jìn)入細(xì)胞，為對后續(xù)更多種物質(zhì)的脂溶性與穿膜的擴(kuò)散速度成正比關(guān)系的理解奠定了很好的基礎(chǔ)，從而使學(xué)生能夠合理猜測細(xì)胞膜中可能存在脂質(zhì)成分。

教學(xué)片段如下：

師：取紫色洋蔥外表皮細(xì)胞制作臨時(shí)裝片并鏡檢，之后在蓋破片一側(cè)滴加甘油，另一側(cè)用吸水紙吸引，觀察到什么現(xiàn)象;等待，不做任何處理，繼續(xù)觀察到什么現(xiàn)象。你能對此現(xiàn)象做出解釋嗎？

生：先看到有的細(xì)胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象，等待一段時(shí)間后，觀察這些細(xì)胞又質(zhì)壁分離復(fù)原了。原因是滴加甘油后，細(xì)胞液濃度小于外界溶液濃度，液泡中的水通過原生質(zhì)層流出，細(xì)胞失水而出現(xiàn)質(zhì)壁分離，隨后又復(fù)原了，可能是甘油分子進(jìn)入細(xì)胞，使得細(xì)胞液濃度逐漸增大，水又重新進(jìn)入細(xì)胞的液泡中，出現(xiàn)質(zhì)壁分離復(fù)原。

師：解釋得很好。那誰能說說這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了什么？為什么甘油分子能夠進(jìn)入細(xì)胞呢？

生：甘油分子小，容易進(jìn)入細(xì)胞;細(xì)胞吸收甘油分子;細(xì)胞膜容許甘油分子通過。

師：（學(xué)生答不到點(diǎn)上，先不急于回答）接著講，1895年，蘇黎世大學(xué)的歐文頓（E. Overton）用500多種化學(xué)物質(zhì)用這樣的實(shí)驗(yàn)對植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行上萬次的研究，結(jié)果如圖1所示。

他發(fā)現(xiàn)除水外的化學(xué)物質(zhì)穿膜的擴(kuò)散速度與其脂溶性成正比，即溶于脂質(zhì)的物質(zhì)易于通過。再思考：為什么？你認(rèn)為細(xì)胞膜中含有怎樣的物質(zhì)能夠容許脂溶性物質(zhì)通過？依據(jù)是什么？

生：（怯怯地說）有脂質(zhì)？

再如，關(guān)于磷脂分子在空氣一水界面的排布方式，教師也讓學(xué)生親自嘗試分析，相當(dāng)于再現(xiàn)了1917年朗繆爾（Langmuir）的脂類單分子膜技術(shù)。

在膜結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的過程中，教師向?qū)W生傳遞了應(yīng)用多種技術(shù)的信號(hào)，如化學(xué)分析、提純、鑒定技術(shù)，脂類單分子膜技術(shù)，表面張力的測定，冰凍蝕刻技術(shù)，熒光標(biāo)記技術(shù)，動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)，電子共顫技術(shù)，電子顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生深深體會(huì)到?jīng)]有技術(shù)的進(jìn)步就不會(huì)有生物學(xué)科的發(fā)展，同樣沒有借助物理、化學(xué)學(xué)科的成果也不會(huì)有生物學(xué)科的研究成果。

3 還原真相，尊重科學(xué)本真

在這節(jié)課中所用到的素材，如圖（光鏡下動(dòng)物細(xì)胞圖、臺(tái)盼藍(lán)染色圖、歐文頓實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖、最新的動(dòng)物細(xì)胞融合的熒光標(biāo)記圖）、照片（紅墨水滴和油滴、冰凍蝕刻技術(shù)劈開的電鏡照片）、表（膜成分的質(zhì)量百分比表、哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞中磷脂在水面上鋪成單分子層的數(shù)據(jù)表、化驗(yàn)單）、視頻（觸碰、質(zhì)壁分離及其復(fù)原、白細(xì)胞吞噬細(xì)菌）皆為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

相似相溶的原理對于剛升入高一的學(xué)生來說，是不清楚的，教師非常用心地為學(xué)生設(shè)計(jì)了三個(gè)離心管的小實(shí)驗(yàn)：1號(hào)離心管加入香油與水，2號(hào)離心管加入石蠟油與水，3號(hào)離心管加入香油和石蠟油?？凵仙w子后，有力搖勻。學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，明白相似相溶的原理，從而理解脂溶性物質(zhì)容易通過細(xì)胞膜的原因。

這些點(diǎn)滴的教學(xué)行為，體現(xiàn)教師對新課程理念有深入的理解，不僅尊重科學(xué)本真，也關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐體驗(yàn)。

4 設(shè)計(jì)活動(dòng)，讓思維看得見

在課標(biāo)的基本理念中有一條是“教學(xué)過程重實(shí)踐”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動(dòng)參與的過程，讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)，通過探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力。

教學(xué)片段如下：

活動(dòng)一：你認(rèn)為磷脂分子如何排布在空氣一水界面？為什么？（教師提供膠棒和剪好的磷脂分子，要求學(xué)生在學(xué)案上擺出并黏貼）

生：嘗試完成。

師：巡視、指導(dǎo)、評價(jià)。大家都擺得不錯(cuò)，看看前面兩位同學(xué)的，正確嗎？請其中一位同學(xué)解釋一下。

生：因?yàn)榱字肿拥念^部是親水的，尾部是疏水的，所以頭部都向下，尾部都向上。

師：說的特別好。的確，在1917年朗繆爾將膜中提取的磷脂分子鋪展在水盤的上面，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)在水面上形成了單層。如果把磷脂分子都推向了水中，并用玻璃棒攪拌，磷脂分子在水中能自發(fā)地形成怎樣的結(jié)構(gòu)以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)？

活動(dòng)二：磷脂分子如何以穩(wěn)定狀態(tài)排布在水中？為什么？請同學(xué)們畫在學(xué)案上。

生：思考、嘗試。

師：巡視、交流，有的同學(xué)很快擺出來了，請這位同學(xué)用教師提供的磷脂分子模具擺在黑板上。

生：嘗試完成。

師：能解釋嗎？

生：根據(jù)磷脂分子的雙親特點(diǎn)，親水的頭部都向水的一面，疏水的尾部緊緊靠在一起，應(yīng)該是一種穩(wěn)定的狀態(tài)。

師：大家認(rèn)同嗎？

生：嗯，并點(diǎn)頭示意。

師：很好！還有沒有其他形式呢，請舉手示意一下，環(huán)視，等待……

生：思索，頓悟后繼續(xù)完成雙層結(jié)構(gòu)。

師：請一位學(xué)生完成黑板上未完成的部分?？梢越忉寙?？

生：依然根據(jù)磷脂分子的雙親特點(diǎn)，兩層磷脂分子的頭部都向水的一面，中間的尾部為疏水，緊緊靠近。

師：解釋得非常好。這兩種結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定狀態(tài)，在生命體中都有存在。你認(rèn)為構(gòu)成膜的磷脂分子是哪一種？為什么？

生：第二種，因?yàn)槟?nèi)外都有水。

師（出示某人的化驗(yàn)單）：那么這種單層結(jié)構(gòu)在生命體中哪里有呢？大家聽說過“高密度脂蛋白”和“低密度脂蛋白”嗎，這種單層脂質(zhì)體其實(shí)就是脂蛋白的存在形式，用來運(yùn)輸膽固醇等脂質(zhì)的。脂蛋白對于昆蟲和哺乳動(dòng)物細(xì)胞外脂質(zhì)的包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和代謝起著重要作用，脂蛋白代謝異常與動(dòng)脈硬化癥、糖尿病、肥胖痘以及腫瘤發(fā)生密切相關(guān)。大家看，生命是多么的神奇，生命起源于原始海洋，生命又是如此的巧妙，在干百萬年的演化過程中選擇了雙層磷脂分子作為細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，而單層結(jié)構(gòu)也被留下來運(yùn)輸身體中的脂質(zhì)類的物質(zhì)。

教師在這一環(huán)節(jié)用心設(shè)計(jì)了學(xué)生的兩個(gè)活動(dòng)，第一個(gè)活動(dòng)是為第二個(gè)具有挑戰(zhàn)性的活動(dòng)做鋪墊，也體現(xiàn)從淺至深的設(shè)計(jì)思路，并為學(xué)生精心準(zhǔn)備了學(xué)案、磷脂分子的貼紙、磷脂分子的磁性貼，既為學(xué)生提供學(xué)習(xí)條件并留下痕跡，又考慮便于課堂教學(xué)展示的效果。在學(xué)生幾次的解釋和最后的講解中滲透著結(jié)構(gòu)與功能觀、適應(yīng)與進(jìn)化觀的生命觀念，在推理、猜測與結(jié)論之間再次體現(xiàn)科學(xué)思維的訓(xùn)練。為說明單層脂質(zhì)體的存在，教師用體檢報(bào)告給學(xué)生一種真實(shí)感。

總之，在本節(jié)課中體現(xiàn)了“教學(xué)過程重實(shí)踐”這一理念并設(shè)計(jì)學(xué)生的活動(dòng)形式多樣，既有實(shí)驗(yàn)，又有模型建構(gòu)，還有閱讀資料和用語言概述細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型的活動(dòng)，這些活動(dòng)不是表面化的，不是停留在“是什么”而是“為什么”的層次水平，知其然一定知其所以然，是真正讓學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維走向深入，并讓學(xué)生的思維看得見，無論學(xué)生的行為或回答正確與否，都可以讓教學(xué)更有針對性。5文圖板書，勾勒教學(xué)全貌

板書很有設(shè)計(jì)感（圖2】，主副板書已在預(yù)設(shè)中布好局。隨著教學(xué)的進(jìn)程逐漸完善板書，課結(jié)束留下了便于學(xué)生記憶的結(jié)構(gòu)化的文圖板書，并且勾勒出教學(xué)的全貌，磷脂雙分子層也是完整的，設(shè)計(jì)有新意，真是神來之筆，這樣可以讓學(xué)生感受到細(xì)胞膜的全貌，從而對細(xì)胞膜的認(rèn)識(shí)是全面的。

當(dāng)然，這堂課還有一些教學(xué)環(huán)節(jié)的處理值得商榷，如冰凍蝕刻技術(shù)電鏡照片的解讀、如何更恰當(dāng)?shù)靥幚砗秘S富教學(xué)資源與有限教學(xué)時(shí)間的關(guān)系;還有值得深思的是課標(biāo)中提到“生物學(xué)課程要求學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，親歷提出問題……”課堂中的問題或問題串是誰提出來的，教師的主導(dǎo)作用是否過于強(qiáng)大，學(xué)生是否在教師設(shè)定的“圈子”里學(xué)習(xí)，怎樣培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，需要每一位教師重新審視課堂、審視教學(xué)，更巧妙地處理好主導(dǎo)與主體、菜單式問題與自發(fā)式問題的關(guān)系，讓課堂教學(xué)更加面向未來。參考文獻(xiàn)：中華人民共和國教育部，普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018.