基于HPS理念培育科學思維核心素養的教學設計
——以“生物膜的流動鑲嵌模型”為例

魏鳳國 謝 妤

（1 遼寧省實驗中學東戴河分校 遼寧葫蘆島 125208 2 重慶市涪陵實驗中學校 重慶 408000）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出，應當以生物學學科核心素養為宗旨，在教學中圍繞學科大概念的形成， 注重對學生的思維引導與能力培養。 生物學作為一門科學學科，對學生假說-演繹、模型構建與批判創造等多種思維的培養發揮著獨特的課程價值， 而這也正是生物學學科核心素養中所需要培育的科學思維核心素養［1］。近年來，國際科學教育界中熱門的HPS［科學史（history of science）、 科 學 哲 學 （philosophy of science）與科 學社會 學（sociology of science）的統稱］的教育理念則與科學思維的培育不謀而合，強調以科學理論由來、探究與應用等方面的教學，加深學生對科學知識理解的深度與廣度， 從而改善學生的科學思維及其科學素養［2］。

基于以上對HPS 教育理念與科學思維核心素養培育的整體認知，本文選擇“生物膜的流動鑲嵌模型”一節內容進行實踐教學。 通過生物膜結構研究科學史，培養學生的演繹與推理思維；以“結構與功能相適應”的科學哲學觀，通過與學生的共同探討論證，培養其批判與建模思維；以生物膜結構在現實生活中的應用，讓學生體會科學探索中充滿的創造思維； 由學生自主構建流動鑲嵌模型的過程，提升其歸納與概括思維，從而最終培養學生的科學思維及科學探究的精神。 教學過程如圖1 所示。

1 直觀情境引入，培養推理思維

教學過程： 教師播放獵豹捕食斑馬的視頻短片，將學生引入宏觀世界驚心動魄的捕食場面，并提出：在微觀世界中是否也存在捕食現象？再繼續播放變形蟲捕食2 只草履蟲的視頻，提出：變形蟲和草履蟲都是單細胞動物， 變形蟲依靠細胞膜的什么特性完成捕食行為？

設計意圖：創設情境，用直觀展示的動態小視頻吸引學生的興趣，使其在觀看視頻的同時，積極思考問題。通過觀看視頻，學生可較直觀地觀察到變形蟲在吞食2 只草履蟲過程中的形狀改變，進而推斷其依靠細胞膜的流動性完成捕食行為。 通過該實例培養學生的邏輯推理思維， 同時引出本節課的主題——生物膜的流動鑲嵌模型。

2 科學進程與現實應用交互

2.1 歐文頓實驗——培養推理思維

教學過程： 教師利用課件展示資料1：“歐文頓用500 多種化學物質進行上萬次的實驗， 發現細胞膜對不同物質的通透性不同： 凡是可溶于脂質的物質， 比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞”。 結合化學中的相似相溶原理，請學生猜測：細胞膜由什么組成？ 教師追問：大家知道，組成細胞膜的脂質中磷脂含量最豐富，磷脂是如何構建細胞膜的？ 教師展示資料2：①磷脂分子結構示意圖；②哺乳動物成熟的紅細胞內、外均是水環境。教師提出：若用磷脂分子構建紅細胞的細胞膜，該如何構建？

設計意圖： 學生根據有機化學的相關知識進行推理，很快就能回答出膜是由脂質組成的。生物膜是由磷脂分子組成的概念回顧， 則為接下來教師的追問搭梯子， 在加深學生對磷脂雙分子層組建生物膜理解的同時，培養學生獲取信息、利用信息進行推理演繹的思維能力。 學生了解了細胞的水環境，在“結構與功能相適應”的科學哲學觀點中，自主進行模型構建。 該過程中，不論初步構建的模型正確與否，均培養了學生的推理能力，指向了科學思維核心素養的有效培育。

2.2 荷蘭科學家實驗——延展創造思維

教學過程： 教師通過展示資料3：“1925年，2位荷蘭科學家用丙酮從人的紅細胞中提取脂質，在空氣-水的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”，證明學生的假設。之后教師提出：如果用磷脂雙分子層同時包裹水溶性藥物和脂溶性藥物， 則這2 種藥物分布在磷脂雙分子層的什么位置？ 學生在黑板和草紙上作簡圖進行展示。 簡圖如圖2 所示：

緊接著教師追問1： 某藥物若能用磷脂單分子層包裹，則該藥物是水溶性的還是脂溶性的？如果利用圖2 所示的圖形， 你截取一部分經過適當的處理即可獲得答案，你會截取哪個部分？學生觀看圖2 中的藥物分布情況不難得出： 截取圖2 中藥物與磷脂雙分子層的一小部分， 兩端封合則可得出圖形， 并在黑板上進行展示如圖3、 圖4 所示。 教師追問2：如果按圖4 所示，磷脂分子外面是什么環境該結構才能穩定存在？ 學生思考討論后認為磷脂分子外面的環境是油脂類， 該結構才能穩定存在。 在水環境下，該結構不會穩定存在，圖4 所示結構進入人體血液中會迅速被打亂。 最終得出結論：如果用單層磷脂分子能包裹某藥物，則該藥物是脂溶性的。

設計意圖： 利用科學家的實驗過程及結果證實學生提出的“磷脂雙分子層”的假設，讓學生體驗科學探究中邏輯推理成功的快感， 也更讓其了解科學假設必須要有實驗進行驗證方能證實。 通過問題串，將學生科學創造的應用進行遷移，引發學生的認知沖突，促進學生對“用磷脂單分子層包裹某藥物，則該藥物是脂溶性的”這一問題的理解。而正是磷脂小球的科學社會學應用， 才讓當今醫學中的靶向給藥與人體運輸得以實現， 從而在潛移默化中延展了學生的創造性思維。

2.3 提取與分析實驗——孕育建模思維

教學過程：教師展示資料4：“20 世紀初，科學家第1 次將膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來。化學分析表明， 膜的主要成分是脂質和蛋白質”。教師提問：脂質和蛋白質是如何構建細胞膜的？學生積極思考， 但此時學生并不知道脂質和蛋白質是如何構建細胞膜的。 此時，教師展示資料5：“人們發現細胞膜的表面張力比油-水界面的表面張力低得多， 已知脂滴表面若吸附有蛋白成分則表面張力降低”［3］。 教師提出：根據資料5，你能猜測脂質和蛋白質應該是怎樣構建成細胞膜的嗎？

設計意圖：以資料4 的展示引起學生的思考，激發學生的求知欲。 讓學生首先明白模型構建初步的物質基礎，并為教師展示資料5 作鋪墊。學生能依據資料5 作出假設： 蛋白質均勻分布在脂質兩側。這樣就在無形之中構建了“三明治結構模型的大致結構模式，并培育了學生的模型構建思維。

2.4 羅伯特森實驗——初涉批判思維

教學過程： 教師展示資料6：“電子顯微鏡是用高能電子束作為光源的， 高能電子穿過樣品最后成像。電子容易穿過脂質分子，不容易穿過蛋白質分子”［3］。 1951年，羅伯特森在電子顯微鏡下觀察到細胞膜清晰的暗-亮-暗的3 層結構。 教師提出：細胞膜的暗層是什么分子？ 亮層是什么分子？學生根據資料，可作出判斷，細胞膜的暗層是蛋白質分子，亮層是脂質分子。羅伯特森用電鏡觀察的結果恰好證明了學生的假設。教師追問：這種三明治結構模型能解釋短片中變形蟲的捕食行為嗎？還不能解釋細胞的哪些生命現象？ 引入變形蟲的變形運動、細胞的生長、細胞的分裂、細胞的分泌活動、質壁分離與復原現象等。

設計意圖：資料6 的展示同樣讓學生體驗自己的邏輯推理被科學家的實驗證明的成就感與滿足感。而緊接著教師進行追問，學生通過思考和討論， 了解到三明治結構模型不能解釋生物膜依賴流動性行使功能的現象， 引起三明治結構模型與細胞功能行使的矛盾， 引導學生認同矛盾驅動著科學家繼續設計實驗探索生物膜結構模型的真相，從而逐步形成“結構與功能相適應”的科學哲學觀點，同時培養批判性思維與質疑精神，落實科學思維核心素養的培養。

2.5 人鼠細胞融合實驗——深化推理思維

教學過程：教師展示資料7：“1970年，科學家做了人鼠細胞融合實驗”。 教師提出：該實驗現象說明了什么？ 學生很容易回答： 細胞膜具有流動性。 教師追問：如果適當提高溫度，細胞膜表面紅綠熒光均勻分布所需要的時間會怎樣變化？

設計意圖：根據分子熱運動理論，所需要的時間應縮短。 引導學生利用初中所學的分子熱運動理論思考問題，培養學生思維遷移的能力，并深化其推理思維。

3 描述流動鑲嵌模型，提升歸納概括思維

教學過程： 根據以上的實驗證據，1972年桑格和尼克森提出了生物膜的流動鑲嵌模型。 教師引導學生先看圖再閱讀生物膜流動鑲嵌模型的基本內容。 教師提出：圖片中還有糖鏈，可與蛋白質結合形成糖蛋白，糖蛋白具有什么作用？學生通過閱讀教材相關內容，回答糖蛋白具有保護、潤滑和識別的作用。 追問1：如何判斷細胞膜的內側和外側？ 學生根據糖蛋白具有細胞識別的作用和對細胞進行保護的作用， 可判斷出有糖鏈的部分為細胞膜的外側。 追問2：糖鏈還可與磷脂分子結合，形成糖脂，糖脂具有什么作用？膽固醇具有什么作用？ 讓學生利用課后時間查閱資料。 最后讓學生回答3 個問題為該部分內容進行總結和歸納：①生物膜是由什么組成的？ ②這些分子是如何相互作用的？ ③這些分子有何特點？

設計意圖：培養學生觀察現象，結合“結構與功能相適應”的觀點進行推理的能力。學生按照教師的要求，利用課后時間，借助網絡和文獻等進行查閱，培養了查閱資料、探尋知識的習慣。 而對生物膜的流動鑲嵌模型進行總結和歸納， 讓學生在之前知識理解的基礎上歸納與概括“生物膜是由磷脂雙分子層和蛋白質組成的， 蛋白質分子與磷脂雙分子層非對稱性結合，磷脂分子是流動的，蛋白質分子大多也是流動的”。通過該過程提升學生的歸納與概括思維，實現記憶的升華，做到對整體模型的把握與理解。

4 教學反思

以HPS 理念進行的教學設計，是在以科學史進程為主要教學線索的基礎上，用科學哲學觀點進行邏輯推理與思維深化，以科學社會學應用進行創造性延展，有助于培養學生的生物學核心素養。 然而，科學思維核心素養的培養需要教師對教材中內容精雕細琢，解構與重構相關背景資料，甚至利用網絡、大學教材等抽提出有用的、相關的信息經過加工，轉變成相關的背景資料，以供學生獲取信息資源。 通過設置相應的問題串，引導學生以科學家的角色提出合理的假設，并用科學家的實驗結果驗證學生的假設， 最終讓學生體驗邏輯推理的成就感，培養科學思維和堅持不懈、勤于思考的科學精神。