周慧

［摘 要］在生物學教學中，教師引導學生分析生物科學史中的經(jīng)典實驗，建構(gòu)模型，合作探究，可提升學生的科學思維能力和科學探究能力。文章以“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例具體闡述如何基于生物科學史有效開展模型建構(gòu)教學。

［關(guān)鍵詞］生物科學史；模型建構(gòu)；科學思維

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0086-04

生物學教育家朱正威認為，生物科學史所蘊含的營養(yǎng)極其豐富，而且了解它遠比了解科學的結(jié)論及技術(shù)的成果更為有趣。因此，在生物學教學中引導學生學習生物科學史尤為重要。通過學習生物科學史，學生既可以得到科學思想、科學精神、科學態(tài)度等方面的熏陶和培養(yǎng)，又能發(fā)展與提升直覺思維、想象能力、理性思維、質(zhì)疑能力，以及觀察、實驗、調(diào)查、收集和處理資料等方面的能力。

生物學教學中的模型建構(gòu)是指用一定的物質(zhì)形式或思維形式建構(gòu)生物模型，使得生物學事實直觀化、簡單化。在生物學教學中，教師可基于生物科學史，引導學生分析其中的經(jīng)典實驗，建構(gòu)模型，合作探究，從而提升學生的科學思維能力和科學探究能力。

本文以人教版生物學必修1第3章第1節(jié)“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例，以科學家對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程為主線，通過“提出問題—提供資料—建構(gòu)模型—修正模型”的教學模式，讓學生逐步建構(gòu)出細胞膜的流動鑲嵌模型，從而提升學生的科學思維能力和科學探究能力。

一、教學目標

想要發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，教師要以核心素養(yǎng)為導向設(shè)計教學目標。具體如下：

（1）通過設(shè)計實驗和分析科學史材料，促使學生學會嚴謹推理和大膽想象，訓練學生分析與綜合、模型與建模、歸納與概括、批判性思維等科學思維。

（2）通過建構(gòu)模型，讓學生深入理解細胞膜流動鑲嵌模型，樹立結(jié)構(gòu)與功能觀、進化與適應觀。

（3）使學生認識到科技技術(shù)對推動科學研究發(fā)展的重要作用，從而學會尊重科學，用發(fā)展的觀點看待科學，樹立辯證的觀點。

二、學生分組與教具準備

分組情況：將學生分成6個小組，每個小組約8人。

教具準備：

（1）用橙色軟磁貼剪出長約[5 cm]、寬約2 cm的磷脂分子模型；用綠色軟磁貼剪出長約4～7 cm、寬約3～4 cm的大小和形狀不同的蛋白質(zhì)分子模型（如圖1）。為每個小組提供36個磷脂分子模型和6個蛋白質(zhì)分子模型。

（2）為每個小組提供一塊磁力白板（各組成員可將磷脂分子模型和蛋白質(zhì)分子模型貼于白板進行展示）。

三、教學過程

任務一：探究細胞膜的成分

教師播放阿米巴攝食的錄像，引導學生通過錄像對細胞膜的流動性進行直觀觀察，從而激發(fā)學生的學習興趣。教師提出問題：阿米巴的細胞膜為什么能變形？這一特性與細胞膜的結(jié)構(gòu)有沒有關(guān)系？科學家是怎樣探究細胞膜的成分和結(jié)構(gòu)的？通過這些問題激發(fā)學生的探究欲望，自然過渡到探究細胞膜結(jié)構(gòu)的環(huán)節(jié)。

活動1：分析科學史，探究細胞膜的組成成分

顯示資料1：1895年，歐文頓用500多種化學物質(zhì)對植物細胞的通透性進行了上萬次的實驗，發(fā)現(xiàn)細胞膜對不同物質(zhì)的通透性不一樣：脂溶性物質(zhì)比非脂溶性物質(zhì)更易通過細胞膜。

待學生閱讀資料后，教師引導學生思考：細胞膜中含有什么成分才能允許脂溶性物質(zhì)通過？依據(jù)是什么？學生根據(jù)已有知識，經(jīng)過討論，認為細胞膜中可能含有脂質(zhì)。教師繼續(xù)提出問題：歐文頓也做出了相同的判斷，那么這一判斷是推理還是結(jié)論呢？如何獲得結(jié)論？

活動2：實驗驗證細胞膜中含有脂質(zhì)

顯示資料2：一些科學家利用哺乳動物的紅細胞制備出純凈的細胞膜，并進行化學分析，得知組成細胞膜的脂質(zhì)有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。其他細胞中也發(fā)現(xiàn)類似情況。1935年，英國學者丹尼利和戴維森對細胞膜的張力進行了研究。通過研究，他們發(fā)現(xiàn)，在油—水界面細胞表面張力明顯降低。若油脂滴表面吸附有蛋白質(zhì)成分則表面張力會降低。

學生閱讀資料并交流討論，最后得出結(jié)論：細胞膜的組成成分主要是脂質(zhì)（主要為磷脂）和蛋白質(zhì)。

活動3：認識磷脂分子

教師通過多媒體顯示磷脂分子的化學組成，介紹它的化學特性，同時展示磷脂分子的模型，讓學生直觀地感受“頭親水，尾疏水”的磷脂分子。

評析：結(jié)合生物科學史，重現(xiàn)科學家的實驗探究，引導學生分析問題、做出假設(shè)，讓學生明白要有確鑿證據(jù)才能得到可靠結(jié)論，同時培養(yǎng)學生提取資料關(guān)鍵信息的能力，提高學生的科學思維能力。

任務二： 探究磷脂在細胞膜上的分布特點

教師：磷脂分子有親水性的頭部和疏水性的尾部。現(xiàn)有一個燒杯，里面盛著水，磷脂分子在空氣—水界面上是怎樣排布的呢？為什么？

活動4：磷脂分子在空氣—水界面上的排布特點

模型建構(gòu)1：學生小組活動，在小黑板上畫出空氣—水界面，并根據(jù)磷脂分子的特性，用磷脂分子模型進行排布（如圖2）。小組展示并說明原因：由于磷脂分子的頭部是親水性的，尾部是疏水性的，因此頭部朝向水一側(cè)，尾部朝向空氣一側(cè)。磷脂分子在空氣—水界面上形成單分子層。

教師：如果將磷脂分子全部浸在水中，并用玻璃棒攪拌，磷脂分子將如何排布？

活動5： 磷脂分子在水中的分布特點

模型建構(gòu)2：學生小組活動，用磷脂分子模型在小黑板上進行排布，并展示模型建構(gòu)作品，然后解釋原因：（1）根據(jù)磷脂分子的特性，親水性的頭部朝向水一側(cè)，疏水性的尾部聚集在一起，形成一種單層磷脂分子構(gòu)成的穩(wěn)定狀態(tài)（如圖3）；（2）兩層磷脂分子的親水性頭部分別朝向水一側(cè)，疏水性的尾部緊緊地聚集在中間，形成一種雙層磷脂分子構(gòu)成的穩(wěn)定狀態(tài)（如圖4）（3）雙層磷脂分子的局部模型（如圖5）。

教師顯示組織細胞生活圖，引導學生觀察，從中發(fā)現(xiàn)細胞膜所處的環(huán)境都是有水溶液的，一側(cè)是組織液，另一側(cè)是細胞內(nèi)液。在這基礎(chǔ)上，教師引導學生思考：構(gòu)成細胞膜的磷脂分子對應上述模型中的哪一種？學生不難推測出細胞膜的磷脂分子對應的是如圖4所示的模型。教師進一步提出問題：那么是否可以說細胞膜中的磷脂是雙層的？需要實驗驗證嗎？

顯示資料3：1925年，兩位科學家戈特和格倫德爾做了一個簡單而又巧妙的實驗。首先，通過光學顯微鏡測量出紅細胞的大小；然后，通過計算推算出樣本中所有紅細胞的表面積；最后，利用丙酮和其他溶劑從紅細胞中萃取脂類。他們分別采用人類、家兔、天竺鼠、狗、綿羊、山羊的紅細胞做這個實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從紅細胞中萃取的單層分子的面積大約是紅細胞表面積的2倍。

待學生閱讀資料后，啟發(fā)學生得出結(jié)論：細胞膜中的磷脂是雙層的。

教師：單層磷脂結(jié)構(gòu)在生物體中是否存在？

與社會的聯(lián)系：單層磷脂結(jié)構(gòu)就是脂蛋白的重要存在形式。脂蛋白對于昆蟲和哺乳動物細胞外脂質(zhì)的包裝、儲存、運輸和代謝起著重要作用，脂蛋白代謝異常（通常伴隨脂質(zhì)組分和蛋白質(zhì)組分的變化）與動脈硬化癥、糖尿病、肥胖癥以及腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。

評析：本環(huán)節(jié)設(shè)計了兩個學生活動，活動4是活動5的升華，頗具挑戰(zhàn)性，體現(xiàn)了由淺入深的設(shè)計意圖。學生通過用軟磁貼制作磷脂分子模型，在學中做、做中學，構(gòu)建出了細胞膜的基本支架。在推理、得出結(jié)論的過程中實現(xiàn)了科學思維的訓練。此外，通過與社會的聯(lián)系，傳達健康生活的理念，培養(yǎng)學生的社會責任意識。

任務三：探索細胞膜中蛋白質(zhì)分子的位置

教師：磷脂分子在細胞膜中的排列方式我們已經(jīng)知道了，那么細胞膜中蛋白質(zhì)的位置是怎樣的呢？

活動6：通過資料分析，推測細胞膜中蛋白質(zhì)的分布特點

顯示資料4：1959年，羅伯特森利用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，在電子顯微鏡下看到了細胞膜的“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu)。

教師啟發(fā)學生思考：其中亮的什么，暗的又是什么？學生根據(jù)“電子束照射大分子物質(zhì)，散射度高；電子束照射小分子物質(zhì)，散射度低”的信息，推測暗的是蛋白質(zhì)分子，亮的磷脂分子 。

模型建構(gòu)3：學生小組活動，討論蛋白質(zhì)的分布特點，并將代表蛋白質(zhì)分子和磷脂分子的軟磁貼貼在小黑板上，展示模型建構(gòu)成果（如圖6）。

隨著科技的發(fā)展，冰凍蝕刻技術(shù)揭開了蛋白質(zhì)在細胞膜中的分布“面紗”。

活動7：通過實驗結(jié)果分析，明確細胞膜中蛋白質(zhì)的分布特點

顯示資料5：將細胞膜置于-100 ℃的干冰或 -196 ℃的液氮中進行冰凍，用冷刀將標本驟然切開，升溫后，干冰在真空狀態(tài)下迅速升華，使斷裂結(jié)構(gòu)暴露無遺，這種過程叫作蝕刻。

教師展示細胞膜冰凍蝕刻模型圖（圖略）。

模型建構(gòu)4：學生小組活動，根據(jù)冰凍蝕刻結(jié)果，修改之前建構(gòu)的“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”三層結(jié)構(gòu)模型（如圖7），并嘗試描述蛋白質(zhì)的分布。

教師引導學生說出蛋白質(zhì)鑲嵌、嵌入、橫跨磷脂雙分子層的分布規(guī)律。

評析：本環(huán)節(jié)設(shè)計了兩個學生活動，活動6是基于資料的推測，活動7是通過觀察科學技術(shù)研究結(jié)果對活動6的推測結(jié)果進行修改。通過此環(huán)節(jié)，讓學生在尊重科學、用發(fā)展的觀點看待科學的同時，認識到科技發(fā)展對科學研究的助推作用。

任務四： 探究細胞膜的結(jié)構(gòu)特點

教師聯(lián)系變形蟲的變形運動、細胞的分裂和細胞的長大等現(xiàn)象，引導學生思考：細胞膜是靜止的嗎？

活動8：根據(jù)資料分析，討論細胞膜是否是靜止的

顯示資料6：1970年，弗雷和埃登用發(fā)綠色熒光的染料標記小鼠細胞表面的蛋白質(zhì)分子，用發(fā)紅色熒光的染料標記人細胞表面的蛋白質(zhì)分子，用滅活仙臺病毒促使兩種細胞融合。剛?cè)诤系募毎话氚l(fā)紅色熒光，一半發(fā)綠色熒光。將此細胞放在37 ℃條件下培養(yǎng)40 min，在細胞表面可觀察到呈現(xiàn)均勻混合的紅色熒光和綠色熒光。

學生根據(jù)實驗現(xiàn)象，小組討論細胞膜的結(jié)構(gòu)特點，不難得出“細胞膜上的蛋白質(zhì)分子可以運動”這一結(jié)論。

顯示資料7：20世紀60年代，麥克康奈爾和格里菲斯用電子自旋共振譜技術(shù)證實構(gòu)成細胞膜的磷脂分子可以運動。

教師結(jié)合上述兩則資料，引導學生得出結(jié)論：細胞膜上的蛋白質(zhì)分子和磷脂分子都可以運動，細胞膜具有一定的流動性，從而推翻了羅伯特森關(guān)于細胞膜是靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的說法。

評析：本環(huán)節(jié)通過展示資料，讓學生閱讀分析實驗過程與方法，體會科學發(fā)展的過程離不開技術(shù)的支持。

任務五：概述細胞膜的流動鑲嵌模型

顯示資料8：1972年，桑格和尼克森基于前人的研究，提出了細胞膜的流動鑲嵌模型。

活動9：學生分組討論，概述細胞膜的流動鑲嵌模型。

學生可以從組成成分、分布情況和細胞膜的特點三個方面進行概述。教師補充介紹糖蛋白、糖脂的內(nèi)容，完善細胞膜的結(jié)構(gòu)。

評析：本環(huán)節(jié)擺脫以往灌輸式教學模式，讓學生在自己建構(gòu)的模型的基礎(chǔ)上概述細胞膜的流動鑲嵌模型，使學生深入理解其本質(zhì)，有效達成教學目標。

任務六：建構(gòu)藥物運載體

情境：脂質(zhì)體由磷脂分子構(gòu)成，它能作為藥物的運載體，將藥物運送到特定的部位發(fā)揮作用。被運送的藥物有水溶性的和脂溶性的。

模型建構(gòu)5：學生小組討論，建構(gòu)分別能運送水溶性藥物和脂溶性藥物的脂質(zhì)體，將水溶性藥物和脂溶性藥物擺放在相應的位置，并說出擺放的依據(jù)（如圖8）。

教師進一步設(shè)問：脂質(zhì)體到達細胞后如何成功地將藥物送入細胞？結(jié)合前面所學細胞膜的結(jié)構(gòu)特點，學生容易知道是由于細胞膜的流動性，使脂質(zhì)體的膜與細胞膜相融合，從而將藥物送入細胞。

評析：本環(huán)節(jié)是對本節(jié)課內(nèi)容的延伸和應用，通過磷脂分子的特性和細胞膜的結(jié)構(gòu)特點破解問題，在一定程度上達到學以致用的目的，使學生獲得成功的喜悅，樹立將來為社會為國家做貢獻的志向。

四、教學反思

（一）引入科學史，造就積極的科學態(tài)度

學生通過分析眾多生物科學史料，不僅能提高分析資料、處理問題的能力，而且能感受到科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。例如，為了得到“脂質(zhì)是細胞膜的主要成分之一”這一結(jié)論，歐文頓用500多種物質(zhì)做了近萬次的實驗。一切從實驗出發(fā)的實證思想、在前人的基礎(chǔ)上做出合理的假設(shè)、對生物膜剛性結(jié)構(gòu)的批判等，都將對學生產(chǎn)生重要的影響。

（二）應用科學，提升創(chuàng)新實踐能力

通過基于生物學事實的多層次模型建構(gòu)活動，引導學生嘗試像科學家一樣去探究，提升了學生的動手實踐能力；而電子顯微技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)、熒光標記技術(shù)等的出現(xiàn)，能夠幫助人們更好地認識和了解細胞膜的結(jié)構(gòu)，也完善了細胞膜的流動鑲嵌模型，有助于學生認識和理解科技創(chuàng)新對人類文明進步的巨大影響和作用，發(fā)展和提升學生的創(chuàng)新實踐能力。

（三）建構(gòu)模型，發(fā)展核心素養(yǎng)

在本節(jié)課中，教師在學生對磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點、化學特性有一定理解的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置模擬探究的情境，并依據(jù)學生的認知規(guī)律，巧妙設(shè)計一系列問題，組織學生討論交流，利用已有知識自主建構(gòu)、修正完善細胞膜中磷脂分子排布的物理模型。學生在建構(gòu)模型的過程中，一方面能深刻理解細胞膜中磷脂分子排布的科學原理，另一方面體驗了模型建構(gòu)方法，提升了從實踐層面去探討解決實際問題的能力。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 孫瑗苑. 高中生物學教學中利用科學史進行模型建構(gòu)的實踐研究［D］.濟南：山東師范大學，2022.

［2］? 李菊芳，朱俊.例談基于生物科學史與模型 建構(gòu)培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)［J］.中學生物學，2019（7）：32-34.

［3］? 劉鑫. 高中生物概念教學中物理模型建構(gòu)的應用研究［D］.南京：南京師范大學，2018.

（責任編輯 黃春香）