有效構建模型 發展科學思維

張蕓

[摘 要]在設計《生物膜的流動鑲嵌模型》的教學時，以“生物膜的成分→生物膜的結構→生物膜的結構特點”為主線，以科學史為素材，引導學生分析、推理，并以小組為單位開展模型構建活動。這樣設計教學，可引導學生積極主動地參與探究過程，發展學生的科學思維。

[關鍵詞]模型構建；科學思維；科學史；生物膜的流動鑲嵌模型

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）32-0080-02

一、教材分析及設計思路

《生物膜的流動鑲嵌模型》是人教版高中生物必修1第四章第三節的內容，主要包括科學家對生物膜結構的探索歷程及生物膜的流動鑲嵌模型兩部分內容。流動鑲嵌模型的基本內容是教學重點，而如何在探討建立生物膜模型的過程中體現結構與功能相適應的觀點是教學難點。在重難點的突破方面，教材雖然提供了豐富的科學史素材，但大多是描述性實驗，如果直接呈現給學生，勢必抽象、枯燥，難以激發學生的學習興趣。因此，筆者在設計本課教學時以“生物膜的成分→結構→結構特點”為主線，以科學史為素材，引導學生分析、推理，并在此基礎上讓學生以小組為單位開展模型構建活動。這樣處理，不僅能將抽象的知識具體化，加深學生對本節內容的理解與掌握，還能使學生積極主動地參與探究過程，有助于發展學生的科學思維。

二、教學目標

1. 知識目標：通過分析科學家建立生物膜模型的過程，闡述科學發現的一般規律；簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容。

2.能力目標：通過分析科學家建立生物膜模型的過程，嘗試做出假設；發揮空間想象力，通過制作模型，構建生物膜的立體結構。

3.情感目標：認同實驗技術的進步在建立生物膜模型的過程中所起的作用；樹立“結構與功能相適應”的生物學觀點。

三、教學過程

（一）創設情境，導入新課

首先請語文課代表朗誦一首贊美細胞膜的小詩：“在廣闊的原始海洋中，我聚天地之精華、日月之靈氣，成為地球上最基本的生命系統。面對生命的誕生，我孤獨、恐懼，感恩有你，為我隔開了原始海洋、為我日夜守邊防、為我傳信報安康。”然后引導學生復習前一節的內容——細胞膜的功能，而功能由結構決定，自然進入對生物膜結構的學習。

（二）分析資料，構建模型

利用PPT課件展示一系列科學史素材，引導學生討論分析，并通過初步構建模型、修正并完善模型到最終確定生物膜的結構模型，有效突破教學難點。

1.對生物膜成分的探索

資料1： 1895年，歐文頓（E.Overton）用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行了上萬次的實驗，發現溶于脂質的物質比不溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞。（提示：相似相溶原理，即分子結構越相似的物質越是能夠相互溶解）

思考與討論：①分析歐文頓的實驗結果，對于膜的組成成分，你能做出怎樣的推測？（膜由脂質組成）②在分析、推理得出結論后，還有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定嗎？（需要實驗驗證）

資料2：20世紀初，科學家第一次將細胞膜從哺乳動物成熟的紅細胞中分離出來。研究發現，細胞膜會被脂質的溶劑溶解，也會被蛋白酶水解。

思考與討論：據此，對于細胞膜的成分，你又能做出怎樣的推測？（細胞膜由脂質和蛋白質組成）

教師指出：隨著科學技術的發展，科學家在后續的研究中發現細胞膜中除了含有脂質和蛋白質外，還有少量的糖類，在組成細胞膜的脂質中磷脂最豐富。這些磷脂、蛋白質和糖類是如何排布構成細胞膜的呢？

2. 對生物膜結構的探索

（1） 磷脂分子的排布

資料3：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸組成的分子，其“頭”部（磷酸）是親水的，“尾”部（脂肪酸）是疏水的。（PPT投影磷脂分子的結構圖）

模型構建1：根據磷脂分子的結構特點，嘗試構建磷脂分子在空氣—水界面上的排布模型。（學生在了解磷脂分子的結構特點后，通過小組討論，基本都能構建出正確的模型，如圖1）

資料4：1925年，兩位荷蘭科學家戈特（E.Gorter）和格倫德爾（F.Grendel）用丙酮從人體的紅細胞中提取脂質，在空氣—水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍。

思考與討論：根據資料4，你能做出怎樣的推測？（膜中的磷脂分子排列為兩層）

模型構建2：結合細胞內外的環境特點以及磷脂分子的結構特點，嘗試構建膜中兩層磷脂分子分布的平面模型。（提示：細胞外如紅細胞外是血漿，血漿中有水，細胞內即細胞質基質中也有水）

教師引導學生以小組為單位合作構建模型，展示結果并給予點評，師生共同構建磷脂分子在膜中的排布模型（如圖2）。教師繼續提問：“細胞膜中還有蛋白質，蛋白質如何排布呢？”

（2） 蛋白質分子的排布

資料5：1959年，羅伯特森在電鏡下看到細胞膜清晰的“暗—亮—暗”三層結構，并提出生物膜是由“蛋白質—脂質—蛋白質”三層結構構成的靜態、統一結構，即單位膜模型。

模型構建3：根據資料5，嘗試排出膜上蛋白質的位置。（學生小組合作，很快排出細胞膜上蛋白質的分布，如圖3）

資料6：電鏡檢測發現細胞膜中蛋白質層厚2.5～3.0 nm，磷脂分子層厚3.5～4.0 nm。

那么模擬細胞膜的厚度應為12～14 nm，而實際測得細胞膜的厚度通常為7～8 nm。實際細胞膜的厚度小于模型細胞膜的厚度。

思考與討論：根據資料6，你能做出怎樣的推測？（細胞膜中的蛋白質可能不是均勻分布在上下兩層）

資料7：20世紀60年代，科學家利用冰凍蝕刻電鏡技術觀察到小鼠肝細胞膜上蛋白質的分布模型。（展示冰凍蝕刻電鏡技術觀察到的小鼠肝細胞膜圖片，如圖4）

思考與討論：觀察圖片，你能得出什么結論？（細胞膜中的蛋白質鑲在、嵌入或貫穿磷脂雙分子層中，分布是不均勻的）

模型構建4：修正模型，重新排布蛋白質（如圖5）。

教師繼續提問：“細胞膜中除了主要含磷脂和蛋白質外，還有少量糖類，它又是如何排布的呢？”

（3） 糖類分子的排布

資料8：糖類可以與蛋白質結合形成糖蛋白，也叫糖被，分布在細胞膜的外側，具有保護、潤滑、識別的作用。有些糖類還可以與磷脂分子結合形成糖脂。

模型構建5：根據資料8，在細胞膜上排布糖類以完善模型（如圖6）。

教師繼續提問：“在同學們的通力合作下，三種物質在細胞膜上的排布已經很清楚，可是老師依然困惑，根據羅伯特森的單位膜模型可知生物膜是靜態的，真是這樣嗎？那么變形蟲的運動、動物細胞吸水膨脹和失水皺縮、植物細胞的質壁分離與復原等現象又如何解釋呢？”

3.對生物膜結構特點的探索

資料9：1970年，科學家弗雷（L.D.Frye）和埃迪登（H.Edidin）分別用紅色、綠色熒光來標記人、鼠細胞膜上的蛋白質，并進行人鼠細胞融合實驗。（PPT展示教材中人、鼠細胞融合實驗的示意圖）

思考與討論：分析該實驗，你能得出什么結論？（小組討論后得出細胞膜具有流動性）

教師指出：本實驗最直接得出的結論應該是“膜細胞上的蛋白質是可以運動的”，進而說明生物膜具有流動性。那么磷脂分子也能動嗎？

資料10：科學家在研究動物細胞吸水膨脹時，發現磷脂雙分子層的厚度變小。

思考與討論：據此，你能得出什么結論？（磷脂分子也可以運動）

教師PPT展示磷脂分子的幾種運動方式圖并指出：迄今為止，已提出的關于生物膜結構的模型已有幾十種，目前普遍認可的是由桑格和尼克森提出的生物膜的流動鑲嵌模型。

資料11：1972年，桑格和尼克森提出了生物膜的流動鑲嵌模型。（PPT展示教材中生物膜的流動鑲嵌模型的示意圖）

教師提問：“該模型的基本內容是什么？生物膜的結構特點是什么？”通過這兩個問題最終對本節知識進行系統化的總結。

四、 教學反思

“科學探究”和“科學思維”是高中生物核心素養的重要部分。在高中生物課堂教學中，開展模型構建等探究性活動是發展學生科學思維的有效方法。在本課中，筆者以科學史為素材，引導學生基于事實和證據進行分析、推理，并在此基礎上小組合作進行模型構建活動，經歷從初步建立模型、修正模型到最終確立模型等過程，在一定程度上發展了學生的科學思維和科學探究能力。

（責任編輯 黃春香）