基于問題探究和模型構建模式的教學設計

馬寧　彭瑩

摘 要 以建構主義理論為指導，通過“創設科學史情境、構建問題探究環境、手工模型構建展示，小組討論歸納”等環節，引導學生自主探索知識，培養學生發現問題、參與探究、反思質疑、動手構建模型的能力。從生命活動的結構基礎——細胞水平了解生物體，建立起“結構與功能相適應”的生物學基本觀點，并初步學會運用這一觀點進行科學推理。

關鍵詞 細胞膜 流動鑲嵌模型 結構和功能

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材分析及設計思路

“細胞膜的結構和功能”是蘇教版高中生物《必修1·分子與細胞》第三章“細胞的結構和功能”的第二節內容，包括細胞膜的成分、結構和功能三部分。教材之前介紹了構成生物體的化學元素和化合物以及細胞學說的構建過程，為本節學習奠定了理論基礎，但未涉及細胞膜成分及結構探究的科學史內容，需要在本節課中補充。通過本節課的學習，要求學生從生命活動的結構基礎——細胞水平了解生物體，為之后學習細胞代謝等內容奠定基礎。

本節課圍繞問題探究和模型構建兩點思路，重點利用問題串的設計，啟發學生探究細胞膜成分和結構模型，并通過模型制作，加強對細胞膜平面和空間結構的構建。具體教學思路見圖1。

2 教學目標

2.1 知識與技能目標

簡述細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內容；舉例說明細胞膜具有的流動性的特點；通過分析科學家建立生物膜模型的過程，闡述科學發展的一般規律。

2.2 過程與方法目標

分析科學家建立細胞膜結構模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設；利用教學模具，發揮空間想象能力，構建細胞膜的平面和空間立體結構。

2.3 情感、態度和價值觀目標

樹立生物結構與功能相適應的生物學辨證觀點；培養嚴謹的推理和大膽想象能力；認識到技術的發展在科學研究中的作用，尊重科學且用發展的觀點看待科學、樹立辨證的科學觀。

3 教學重點、難點

教學重點：（1）細胞膜的流動鑲嵌模型結構及結構特點；（2） 細胞膜的三大功能及功能特點。

教學難點：探究細胞膜結構和功能的科學史實驗分析。

4 教學過程

4.1 導入新課：類比校園結構和真核細胞結構，尋找系統邊界

教師創設情景，拋出問題：“如果把細胞比作我們的校園，校園的圍墻、行政樓、教學樓、食堂、公寓樓、學生活動中心分別能代表細胞的哪個結構？”學生激烈討論，教師通過掛圖幫助學生回顧上節課真核細胞模式圖，并說明圍墻充當了校園的邊界、細胞膜充當了細胞的邊界。

設計意圖：采用類比法，將微觀抽象的細胞結構轉化為熟悉的校園結構，能有效調動學生學習的積極性，同時構建情景順利導入新課。

4.2 新課環節1：教師設計問題串，引導學生分析經典實驗，為構建模型打好基礎

在教學中采用互動式教學模式，以細胞膜的成分和結構發現史為主線，教師提供資料并設置問題，通過嚴密的邏輯推理，層層深入，幫助學生探究問題，引導學生嚴謹思考實驗設計，自主分析實驗，嘗試歸納實驗結論。

教學過程：教師依次給出以下資料，并設計如下問題：

資料1：1895年，歐文頓用植物細胞研究細胞膜的通透性。他選用500多種化學物質對植物細胞的透性進行上萬次的研究，發現凡是溶于脂肪的物質，也很容易穿過膜；反之，不容易溶于脂肪的物質，也不容易穿過膜。

資料2：1897年，Crijns和Hedin用紅細胞做實驗，同樣也證明分子的通透性與其在脂類中的溶解度有關。

資料3：科學家對細胞膜化學成分深層分析發現，細胞膜會被蛋白酶分解（提示：蛋白酶是生物體內普遍存在的對蛋白質分解起催化作用的物質）。

資料4：1917年，朗姆瓦將磷脂溶于苯和水中，磷脂分子分布散亂，當苯揮發完以后，經過推擠，磷脂分子排列成單層，而且其磷酸基團的極性頭部都浸入水中。

資料5：1925年，高夢和格倫德把紅細胞放在蒸餾水中使其吸水漲破，反復沖洗后只留細胞膜（血影），把這些破碎的膜鋪在水面上，測定出紅細胞的表面積為a。再將細胞膜中的脂類物質抽提出來，在水面鋪成單分子層，聚攏后測得總面積為b。兩者之間的數量關系為：b=2a。

資料6：20世紀40年代，曾有學者推測在細胞膜脂質兩邊各覆蓋一層蛋白質。直到50年代，電子顯微鏡誕生，1959年羅伯特森在電鏡下觀察到了細胞膜清晰的暗—亮—暗的三層結構。亮層是脂質分子，兩邊的暗層是蛋白質分子。

資料7：隨著技術手段不斷用于膜的研究。科學家發現：膜蛋白不是全鋪在脂質的表面，有的是鑲嵌或貫穿在脂質雙分子層中的。

資料8：1970年，有兩位科學家用紅色熒光染料標記人細胞膜上的蛋白質，用藍色熒光染料標記鼠細胞膜上的蛋白質。把人的細胞和鼠的細胞融合，融合后一半細胞（人的細胞）發紅色熒光，另一半細胞（鼠的細胞）發綠色熒光。細胞在37℃下培養40 min后，兩種顏色均勻分布在融合細胞的表面。

問題：（1） 資料1中，物質是否容易穿過細胞膜與什么有關？這體現了化學學科中的什么原理？

（2） 結合材料1、2，你推測細胞膜的成分包含哪種成分？

（3） 資料3說明細胞膜上存在哪種成分？

（4） 資料4說明磷脂分子具有什么特性？

（5） 資料5說明磷脂分子在構成細胞膜時，呈幾層排列？如何排列？

（6） 資料6和7說明蛋白質在細胞膜上的分布方式有幾種？

（7） 請結合以上問題的答案，參閱教材內容，繪制細胞膜的平面結構示意圖。

（8） 分析資料8，想一想兩種顏色均勻分布的原因是什么？這一實驗證明細胞膜具有什么結構特性？

通過層層深入的問題，教師引導學生分析細胞膜成分和功能的科學史實驗，并通過小組合作探究，學生不僅能掌握細胞膜的成分和流動鑲嵌模型的基本要點，還能掌握知識的來龍去脈和研究問題的科學方法，對于思維發散和分析實驗能力的提高有很好的幫助。

4.3 新課環節2：學生動手搭建模型，在動手操作中突破本節重難點知識

教師要求學生利用廢棄紙箱、剪刀、彩筆及雙面膠制作細胞膜的結構模型，同時指出每一部分的結構特點，以此增強學生的學習樂趣，強化學生的動手能力，幫助學生樹立系統的生物學知識框架。

學生活動：用紙箱剪出磷脂分子的形狀，并在圓形的頭部寫上“親水基團”，在長長的尾部寫上“疏水基團”；再用白色的卡紙剪出大大小小不規則形的蛋白質分子，在最大的蛋白質上寫上“貫穿”，在最小的蛋白質上寫“排布”，在大小適中的蛋白質上寫“嵌入”；最后剪出六邊形的“單糖分子”，用細線穿起來，并縫在部分蛋白質上。通過雙面膠的粘貼，學生在黑板上貼出細胞膜流動鑲嵌模型，同時敘述模型特點。

4.4 新課環節3：利用舉例類比法，教師引導學生歸納細胞膜的功能

教師提出問題：學校圍墻都有什么功能？細胞膜相當于校園的圍墻，那么細胞膜具有什么功能？這樣來幫助學生類比分析校園圍墻的功能，推出細胞膜的功能。圍墻讓校園與校外環境分割開，使得學校成為獨立的單位，那么細胞膜就具有使細胞與外界環境分開并成為獨立結構的功能。圍墻能使學生、老師及與學校相關的人員出入，但不允許閑雜人等出入校園，這說明細胞膜具有控制物質進出細胞的功能，即選擇透過性。圍墻上有門衛接待室，可以和外來人員進行信息交流，故細胞膜上的糖蛋白結構具有識別和信息交流的功能。

教學意圖：針對本部分內容，傳統教學時，教師直接告訴學生細胞膜的3個功能，學生無法真正理解，且對于知識容易遺忘。本節課上，教師通過類比校園圍墻的功能，在輕松的氛圍中，幫助學生體會細胞膜的功能，達到理解記憶的目的。

4.5 課堂小結（圖2）

5 教學反思

這一節課并沒有直接給結論，而是重視學生的學習過程。學生在教師的指導下，依據資料和圖片，結合已經學過的知識，思考教師設置的問題，逐步達到學習新知識的目的。教學中，學生通過構建模型，發揮主體作用，在探究過程中不僅獲得了新知，還獲得了探索科學的方法，“像當年科學家發現科學事實和客觀規律那樣經歷發現過程”，體驗了過程的艱辛與快樂，感受到了成功的體驗。

（1） 科學是一個發展的過程，在教學中，教師巧妙地將科學家探索細胞膜結構歷程的有關資料進行組織，讓學生從細胞膜的化學成分著手到細胞膜分子結構模型的建立。通過對史料一步步的分析、討論和思考，學生既培養了能力，主動構建了自己的知識體系，同時又享受到一種成功的喜悅，打開了知識的“窗口”，使課堂充滿時代氣息。

（2） 探究式教學要充分體現學生的主體作用，任何一個教學目標的學習和掌握，不是教師硬性灌輸給學生的，而是由學生親身觀察、分析、討論和探索、總結得出的。在創設問題情境時，教師應充分發揮自己的主觀能動性，力求設計的問題準確、精練；在討論時，教師自己只是一個普通的參與者，不包辦代替，但當學生遇到困難時，教師要充當點撥者的角色，對有關問題加以適當的說明；在形成結論時，教師更應放手讓學生進行，必要時予以補充糾正，以達到正確結論。

（3） 在本節課的設計中，學生要進行模型構建過程，即細胞膜的流動鑲嵌模型。這對于學生來說是有挑戰性的，因此需要師生耐心分析經典實驗，以事實為依據，大膽假設，小心求證，最終成功搭建細胞膜的結構模型。這樣既達到了鍛煉學生思維的目的，又讓學生體會科學發展的過程就是不斷建立、修正的過程，以及建立“結構與功能相適應”的生物學基本觀點。