讓《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》生物教學(xué)活起來的物理模型

陳祎平

摘 要 本文以《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》教學(xué)實(shí)情為案例，闡述了教師通過引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)腦、動(dòng)手嘗試建構(gòu)、展示物理模型等活動(dòng)，幫助學(xué)生理解生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生對本節(jié)課教學(xué)重難點(diǎn)內(nèi)容的理解;同時(shí)，突出了物理模型在生物教學(xué)中的重要作用，說明物理模型可以讓課堂活起來。

關(guān)鍵詞 物理模型 生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型 生物教學(xué)

中圖分類號：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，和其他學(xué)科最大的區(qū)別是生物研究的對象是活的，有生命的，這就注定了研究過程會有關(guān)于生命的體驗(yàn)和感悟，對學(xué)生來說無形中就是一種生命教育;也決定了研究的方法是靈活的，思維方式是靈活的，不能用機(jī)械的模式化的研究方法和思維方式去研究生物，研究對象的特殊性決定研究方法的綜合性，這一方面表現(xiàn)在數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)方法在生物學(xué)中的綜合運(yùn)用，自然科學(xué)通用的觀察法、實(shí)驗(yàn)法、調(diào)查法、模型法等在生物學(xué)中同樣廣泛應(yīng)用。

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識的對象所做的一種簡單化地概括性描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。有的借助于具體的實(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)。這種運(yùn)用模型解釋復(fù)雜的研究對象的方法稱之為模型方法。高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)將模型方法列為科學(xué)過程方法技能的一個(gè)方面，要求學(xué)生不僅對生物模型的分類有一定的了解，還要初步學(xué)會構(gòu)建一些基本的模型。生物模型可以是一種特定的研究對象，也可以是表示研究對象結(jié)構(gòu)或功能的符號、圖表或函數(shù)式;可以是一種研究過程、思維方法，也可以是研究成果的表達(dá)。生物模型的表現(xiàn)形式很多，包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。物理模型是以實(shí)物或圖畫形式直觀的表達(dá)認(rèn)識對象的特征，比如，動(dòng)植物細(xì)胞模式圖細(xì)菌結(jié)構(gòu)模式圖、生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等等。

《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》是生物必修一第4章第2節(jié)的內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容主要包括兩個(gè)板塊，即對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程和流動(dòng)鑲嵌模型的建構(gòu)。本節(jié)課的重點(diǎn)在理解并掌握流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容，難點(diǎn)是掌握生物膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的辯證觀點(diǎn)。

在本節(jié)課中物理模型的應(yīng)用極大的豐富了互動(dòng)環(huán)節(jié)，接下來將通過分析《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》的教學(xué)環(huán)節(jié)體現(xiàn)物理模型在本節(jié)課教學(xué)中的重要性。

1以問題為紐帶，促使學(xué)生以探索者、研究者的身份投入學(xué)習(xí)

學(xué)生自主學(xué)習(xí)，以“時(shí)間——人物——事件——結(jié)論或假說”為線索，初步了解科學(xué)家對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程，在教材中做標(biāo)記。

通過自主學(xué)習(xí)，學(xué)生首先對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程有了初步的了解，教師提出問題進(jìn)行引導(dǎo)，如：

（1）歐文頓提出膜是由脂質(zhì)組成的，是通過對現(xiàn)象的推理分析還是通過成分的提取和鑒定？

（2）在推理分析得出結(jié)論后，還有必要對膜的成分進(jìn)行 提取、分離和鑒定嗎？

（3）為什么一開始不直接對膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢？

（4）脂質(zhì)和蛋白質(zhì)是怎樣形成膜的呢？

（5）蛋白質(zhì)位于脂雙層的什么位置？介紹“三明治”結(jié)構(gòu)模型及其不足。

（6）有什么證據(jù)證明細(xì)胞膜中的物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)的呢？（在此重點(diǎn)介紹熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)，指出細(xì)胞膜具有流動(dòng)性;并討論技術(shù)的進(jìn)步在細(xì)胞膜研究中的作用，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)）。

如果直接將流動(dòng)鑲嵌模型的內(nèi)容告訴學(xué)生，學(xué)生會感到枯燥，對模型也很難理解，通過設(shè)計(jì)問題串，引起學(xué)生的探究欲望，讓學(xué)生一步一步地分析科學(xué)家的探索歷程，使學(xué)生切身感受科學(xué)的魅力，始終保持高昂的興趣，并且加深對科學(xué)過程和方法的理解，理解科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律。

另外，教材P66思考與討論中第三個(gè)問題：解釋為什么磷脂在空氣——水界面鋪成單分子層？科學(xué)家如何從這一現(xiàn)象推導(dǎo)出“脂質(zhì)在細(xì)胞膜中必然排列為連續(xù)的兩層”這一結(jié)論。由于學(xué)生初次接觸到磷脂分子的結(jié)構(gòu)式，所以教師先結(jié)合磷脂分子的結(jié)構(gòu)式詳細(xì)介紹磷脂是一種由甘油、脂肪酸和磷酸等所組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾 ”部是疏水的，為了讓學(xué)生更好的理解磷脂在空氣——水界面鋪成單分子層且脂質(zhì)在細(xì)胞膜中排列為連續(xù)的兩層這個(gè)事實(shí)，提示學(xué)生課前預(yù)習(xí)并準(zhǔn)備材料嘗試建構(gòu)磷脂分子的物理模型（圖1，頭部所用材料為磁石，可以吸附在黑板上，并可隨意移動(dòng)，方便學(xué)生排布）;課堂中，學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位討論畫出磷脂分子的排布，在黑板上展示自己制作的模型，并分別對磷脂在空氣——水界面以及脂質(zhì)在細(xì)胞膜中的排列方式做演示，并解釋這一現(xiàn)象，教師給予點(diǎn)評。

至此，學(xué)生對流動(dòng)鑲嵌模型的組成成分、結(jié)構(gòu)和特征已經(jīng)有了較為清晰的認(rèn)識。

2學(xué)生分小組構(gòu)建、展示流動(dòng)鑲嵌模型，探討模型構(gòu)建過程中如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)

本教學(xué)環(huán)節(jié)分為兩個(gè)階段：課前和課中。為了突顯以學(xué)生為中心的教育原則，原本教材安排在課后利用廢舊物品構(gòu)建模型環(huán)節(jié)安排在課前，通過課前發(fā)布微課提示學(xué)生預(yù)習(xí)教材，對流動(dòng)鑲嵌模型有了初步的認(rèn)識，小組內(nèi)協(xié)商確定需要的材料，周末備齊材料（學(xué)生準(zhǔn)備的材料有不同顏色的輕輕泥、細(xì)鋁絲和牙簽等），并于周內(nèi)空閑時(shí)間組員合作完成模型;課中，各小組推薦組員代表對組內(nèi)建構(gòu)的模型進(jìn)行制作思路、材料特征、組分和各組分結(jié)合方式、制作過程中存在的問題以及如何解決問題等方面進(jìn)行介紹（部分學(xué)生構(gòu)建及展示模型如圖2、圖3）。通過此環(huán)節(jié)，學(xué)生真正做到了充分的課前預(yù)習(xí)，不再是以“完任務(wù)”的心態(tài)完成作業(yè)中的基礎(chǔ)預(yù)習(xí)部分，而是自己動(dòng)腦發(fā)現(xiàn)問題，試著去解決問題，在上課前在腦中已構(gòu)建了簡單的知識體系，目標(biāo)明確，帶著問題去學(xué)習(xí)、解惑，一定程度上也體現(xiàn)了我們的教學(xué)方式朝著反轉(zhuǎn)課堂在轉(zhuǎn)變的趨勢，讓學(xué)生合理利用課前、課中和課后的時(shí)間，明顯提高學(xué)習(xí)效率。

3歸納總結(jié)，圖文并重，闡述流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容

在上述問題串的分析討論、模型展示之后，教師再呈現(xiàn)生物膜的結(jié)構(gòu)模型示意圖，結(jié)合圖闡述流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容。掌握流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容后讓學(xué)生對建構(gòu)的模型進(jìn)行組內(nèi)自評和組間互評，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了模型存在的問題：（1）預(yù)習(xí)時(shí)沒有理解蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中排列方式分為三種：鑲、嵌和貫穿，學(xué)生誤認(rèn)為鑲和嵌是一種排列方式;（2）所有的模型不能良好的反映出生物膜的流動(dòng)性，即未能良好的表現(xiàn)出生物膜的結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的特征，學(xué)生通過及時(shí)對模型修正和補(bǔ)充，有利于對基本內(nèi)容的理解消化和長期記憶。

4小結(jié)

本文采用三個(gè)環(huán)節(jié)闡述了生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的探索歷程、基本內(nèi)容。首先，通過問題串重溫科學(xué)家探索細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的歷程，讓學(xué)生始終保持高昂的興趣，自然的接受了流動(dòng)鑲嵌模型的理論，對科學(xué)方法有了進(jìn)一步的認(rèn)識，學(xué)生本著尊重科學(xué)的態(tài)度且用發(fā)展的觀點(diǎn)看待科學(xué);其次，通過課前預(yù)習(xí)、準(zhǔn)備材料、整理思路、動(dòng)手制作、課堂展示幾個(gè)環(huán)節(jié)，給學(xué)生充足的時(shí)間和充分的機(jī)會展示自己，通過動(dòng)腦、動(dòng)手，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，加深對知識的理解和記憶，充分體現(xiàn)了生本教育的目的，同時(shí)在平時(shí)的教學(xué)過程中讓學(xué)生慢慢的轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度，接受翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式。最后，教師通過結(jié)合生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的圖示，闡述其基本內(nèi)容，讓學(xué)生與自己構(gòu)建的模型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模型中存在的問題，通過及時(shí)反饋，提高課堂時(shí)效。

在模型建構(gòu)活動(dòng)中，往往需要進(jìn)行觀察或?qū)嶒?yàn)，需要進(jìn)行歸納和演繹，需要運(yùn)用已有知識進(jìn)行假設(shè)、模擬、將復(fù)雜的事物進(jìn)行簡化、抽象出其本質(zhì)屬性，需要將頭腦中抽象的概念具體化、形象化并身體力行;通過親身參與這樣的活動(dòng)，學(xué)生在探索中思考，可以體會到模型建構(gòu)的方法，獲得成功的喜悅，才可能將模型方法內(nèi)化為認(rèn)知圖式，獲得認(rèn)知水平的提升。

因此，本節(jié)課中，磷脂分子物理模型和生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的建構(gòu)和展示，幫助學(xué)生理解教材內(nèi)容，豐富了課堂內(nèi)容，活躍了課堂氣氛，充分體現(xiàn)了物理模型在生物教學(xué)中的重要性。

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