基于科學史和模型建構的“生物膜的流動鑲嵌模型”教學設計

鄒 艷

(廣東省廣州市第五中學 廣州 510220)

1 教材分析

本節內容安排在學習了細胞的基本結構和物質跨膜運輸的實例之后，目的是先明確生物膜的選擇透過性功能之后再揭示生物膜的結構，通過對次位概念[1]“質膜能控制物質進出”本質的理解逐步幫助學生在大腦中形成“生物體結構與功能相適應”的生命觀念。本節教材包含兩大部分： 一是科學家對生物膜結構的探索，二是建構生物膜的結構模型，兩者經緯交錯。因此本節課主要是讓學生親身經歷科學家的一個個探究過程，通過逐步建構、修正模型來厘清思路，領會科學探究方法[2]，培養科學思維方式“假說—演繹法”，也為必修2《遺傳與進化》中假說—演繹法的應用打下堅實的基礎。

通過初中的學習，高一的學生對細胞的結構有一定的認知，對事物的分析判斷能力正在逐步形成。但是學生的科學思維方式還沒有得到系統地培養，對知識只是機械理解和重復記憶。因此需要教師有意識地引導,讓學生能通過自身對生物膜的一步步探索來主動學習，掌握運用“理性思維”——演繹與推理、模型與建模等探討生命現象。

本節的教學重點是結合科學發展史的層層探索過程，闡述生物膜流動鑲嵌模型基本內容；本節的教學難點是對生物膜流動鑲嵌的理解及結構和功能觀的體現。

2 教學目標

依據課程標準的內容要求、學業要求及學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過層層探索，認同生物膜由物質構成，具有精密的結構，具備相應的功能；能簡述生物膜流動鑲嵌模型的基本內容，建立結構與功能觀。

(2) 通過觀察教師給出的情境設問、做出假設、設計方案并通過建構模型來交流討論，系統掌握科學探究的基本方法，增強求知欲；嘗試制作生物膜模型，鍛煉學生的空間想象能力和動手操作能力。

(3) 通過科學史的層層探索，逐步發展科學思維——假說演繹法。

(4) 利用本地各種水果來搭建生物膜模型，讓學生真正接觸到生命物體，感受到自身研究的問題其實就是生命的本真。

3 教學過程

3.1 小實驗創設情境，導入新課 學生活動： 給每個小組一小瓶水油混合物，用力搖動后還是不相融合，滴加蘇丹Ⅲ染液后只有上層的油被染上顏色，水還是無色，教師設問：“水油為什么不相融，而油與染色劑相融？”讓學生明確化合物具有“相似相溶”的特性。教師導入： 大家課桌上的水果有什么辦法可推測其細胞膜的成分嗎？

設計意圖： 由于化學知識還沒到位，高一學生的元認知中對化合物的“相似相溶”原理并不清楚，通過此直觀演示，學生瞬間明了相似相溶的現象，達到了有效學習的目的。該情境設置也為歐文頓的實驗探究做好鋪墊。

3.2 通過對科學史的探索[3]，建構模型 具體教學設計過程如下：

3.2.1 對生物膜成分的探索 資料1： 19世紀末的歐文頓也有相似的想法，曾用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行上萬次的研究,在自己堅持不懈的努力下發現： 脂溶性分子易通過，而非脂溶性分子則難以通過。

學生在前知識的鋪墊下說出：“細胞膜的成分里有脂質”，教師引導這是結論還是假說，還有必要通過對膜的成分進行提取和鑒定來驗證嗎？師生共同總結出科學思維方式“假說—演繹法”，即通過觀察到的事實，先提出問題，再通過嚴謹的推理和大膽的想象做出合理的假設，最后還需其他實驗的驗證和完善。

教師設問： 如何分離出較純凈的細胞膜，用水果細胞可以嗎？如何鑒定細胞膜中含有脂質呢？聯系前知學生思維之火迸發，考慮使用蘇丹Ⅲ染液，教師及時修正后指出生物學研究也離不開化學等學科的支撐。

資料2： (驗證)20世紀初，科學家將細胞膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來，通過化學分析得出結論“膜的主要成分是磷脂和蛋白質”。

設計意圖： 首先是從細胞膜的組成成分開始研究，層層上升，聯系舊知深化新知，建立知識掌握的連貫性；同時意識到沒有跨學科知識的儲備也很難在某一個學科取得成就。其次是通過科學家的探索歷程逐步領悟科學的思維方式。

教師順勢導入：“明確了組成細胞膜的成分，那么這些成分是如何構成生物膜的？”

3.2.2 對生物膜結構的探索 教師介紹磷脂分子的特性后設定情境： 假設在空氣—水界面，磷脂分子如何排布？

學生第一次建模活動： 教師提供的硬質泡沫板可當作水面，葡萄加牙簽可模擬磷脂分子，各小組聯系化學知識推理并大膽推測，在泡沫板上建構多個磷脂分子排布模型。模型完成后教師可用手機拍攝后在投影屏上同屏，各小組討論后修正完善模型。

教師拋出問題： 細胞膜上的磷脂分子又是怎么分布的？各小組討論后建模，說出相應的依據。此次建模可以幫助教師掌握學生的原有認知，做到有的放矢。教師在充分肯定學生的思維能力后提出：“各小組提出的看法是假說還是結論，要怎樣論證？”教師展示科學家的論證實驗，引導學生主動思考學習。

資料3： (驗證)1925年，兩位荷蘭科學家用丙酮從紅細胞中抽提出脂質，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兩倍。證實： 細胞膜由兩層磷脂分子構成。

學生第二次建模活動： 用兩塊硬質泡沫板模擬細胞膜內外的液體環境，利用葡萄和牙簽完善膜的磷脂雙分子層模型。

設計意圖： 通過情境設定，培養學生的分析推理能力，并通過建模直觀展示自己的觀點，將假說—演繹法的思維方式進一步強化。使用泡沫板和葡萄作為建模材料，方便用牙簽固定，并可以隨時修改完善模型。考慮到學生模型不方便直接呈現，筆者找到兩個較好的展示方法： 其一是下載一款手機同屏的應用程序，在手機與電腦同一無線網絡情況下可以將手機與電腦同屏，實現手機拍照后實時上傳；其二是若無無線網絡覆蓋，也可以手機拍照后直接在投影儀投影或手機接U盤后連接電腦展示，都可以大大提高課堂教學效率。

教師再次拋出問題： 蛋白質在哪里？學生興趣高昂，紛紛表述自己的看法。教師適時提出科學技術的進步有助于解開這個謎題，使學生意識到實驗技術進步的重要性。

3.2.3 技術的進步推動生物膜結構的發展 資料4： 1959年，羅伯特森在電鏡下看到了細胞膜的清晰的暗—亮—暗三層結構，蛋白質密度高表現暗色，于是他大膽提出生物膜都是由蛋白質—脂質—蛋白質構成的“三明治”靜態模型。

這一次眼見真的為實嗎？教師引導學生利用觀察實驗材料葡萄，結合所學知識，對靜態模型提出自己的見解；隨后播放變形蟲吞噬食物的視頻加以證明。至此對細胞膜的研究似乎進入瓶頸，隨后新技術的出現帶來新的模型。

資料5： (動畫展示)1970年科學家用熒光標記人、鼠細胞膜上的蛋白質進行細胞的融合實驗，發現蛋白質是可以運動的，表明細胞膜是流動的而不是靜止的。資料6： 冰凍蝕刻電子顯微技術顯示細胞膜上蛋白質并不全鋪在脂質表面，有的呈鑲嵌分布。至此生物膜模型呼之欲出。

學生第三次建模活動： 利用蘋果切片代表不同的蛋白質，在原有模型的基礎上各小組繼續進一步建構生物膜的模型，分組展示成果，并嘗試用自己的語言表述，學生感受到合作探究帶來的成就感。

設計意圖： 使學生認識到在人類的科學探索過程中，技術的進步起到了關鍵的推動作用，跨學科知識的理解是形成創新型人才必備的能力；使用泡沫、水果、牙簽等建模材料，方便學生隨時修改完善自己的作品，也深深領悟到科學成果的獲得并不是一蹴而就的，需要堅持不懈的努力和孜孜不倦的探索。

3.3 探討歸納，建構概念模型形成“科學概念” 資料7： (動畫展示)1972年桑格和尼克桑共同合作提出生物膜的流動鑲嵌模型。教師設問： 鑲嵌的含義是什么？流動性是通過什么體現的？該設問有助于學生深層認知膜的結構特點，形成正確的“科學概念”。利用導學案，師生再攜手建構生物膜的概念模型，幫助學生全面理解生物膜流動鑲嵌模型所代表的含義，教師補充糖被的成分與作用，學生利用玉米粒完善模型。

教師再引導學生根據細胞膜的結構推測其功能： 細胞膜中的磷脂分子有什么作用？鑲嵌或橫跨分布的蛋白質所發揮的作用會是什么呢？讓學生充分表達自己的想法，學生大腦中自然形成了生命觀念“結構功能觀”。結束語： 生物膜的流動鑲嵌模型是否已經完美無缺呢？使學生意識到科學探索的腳步是永不停息的。

設計意圖： 建構概念模型，從直觀認知上升到科學概念的形成，培養科學思維，有利于學生學科核心素養的發展，幫助形成生命觀念。

4 教學反思

本節課充分利用了生物膜探索的科學史，學會科學探究方法，領悟科學思維的方式；再利用水果為材料建構模型，感受生命的本真，鍛煉動手能力，改變單純機械記憶知識的習慣，發展學科核心素養。