基于核心素養的高中生物教學設計

王英杰

[摘 要]《細胞膜的結構與功能》一課的教學設計，體現了生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個維度生物學學科核心素養的滲透，以生命起源中膜結構的出現及其重要意義導入新課，整個教學環節的設計體現了學生探究的主體地位，問題引領，環環相扣，引領學生重溫科學家的探索之路，體會科學探究的樂趣，并感受到科學探究之路并非一帆風順，及科學發展任重而道遠，從而提高學生的社會責任感。

[關鍵詞]核心素養;高中生物;教學設計;細胞膜

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0086-04

本文以《細胞膜的結構與功能》一課為例進行教學設計，體現了生物學學科核心素養對生物教學的指導作用。

一、教學目標的確定

課程標準對本節課的內容要求是：概述細胞都是由質膜包裹，質膜將細胞與其生活環境分開，能控制物質進出，并參與細胞間的信息交流。教學提示里的要求是：利用廢舊物品制作細胞膜模型。依據課程標準的要求，基于生物學學科核心素養，確定本節課的教學目標如下：

1.生命觀念

通過學習，能夠概述細胞膜作為生命系統邊界的功能，通過實例分析體會細胞膜作為生命系統邊界的重要意義。認同細胞膜作為生命系統的邊界，感受生命的復雜、神奇，從而形成尊重生命、珍惜生命、關愛生命的觀念。

2.科學思維

通過對細胞膜成分和結構的探索學習，加深對模型建構的理解，形成科學的思維習慣，并樹立“結構與功能相適應”的生物學辯證觀點，認同科學理論的形成是一個科學精神、科學思維和技術手段結合下不斷修正與完善的過程，形成嚴謹的思維習慣。

3.科學探究

以科學史為依托，探究細胞膜的成分和結構，激發學生探究、創新、合作的意識，鍛煉學生的思維能力和探究能力，而且讓學生體會到科學探究的艱辛，并在此基礎上說明細胞膜結構的物質基礎，概述細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內容。

4.社會責任

通過學習，能夠嘗試解釋生活中的生命現象，體會學科知識與解決現實問題之間的密切聯系，增強解決生產生活中的生物學問題的擔當和能力，提高社會責任感。

二、教學設計思路

本節課結合第二章《構成生命系統的物質基礎》的學習，從原始海洋中生命的誕生導入，讓學生明確原始海洋中的有機物（如蛋白質、核酸等）不斷聚集并相互作用進化出原始生命的過程中，膜的出現至關重要，滲透生命觀念，并以此作為主線展開本節課的教學活動。本節課在教學設計上主要突出科學史的教育，注重引導學生自主、探究、合作學習，使學生通過自主探究、合作交流，發現問題并解決問題。在體驗生物膜的探索歷程上，讓學生重走科學家的探索之路，將科學家的實驗作為構建模型的證據，通過討論得出結論并構建相應模型，使學生從探索發現上升到知識建構，從而鍛煉學生的思維能力和探究能力，讓學生體會到科學探究的艱辛、科學進步與技術之間的關系，充分體現新課程改革中“探索領先，合作學習，師生是學習共同體”的教育理念。

三、教學實施的程序

學習任務一：通過觀看視頻，體驗細胞膜的存在。

教師活動：視頻展示原始海洋中生命的誕生。

【過渡】在原始海洋這盆熱湯中，膜的出現是生命起源中至關重要的階段，它將生命物質與外界環境分隔開，保障了細胞內部環境的相對穩定，它就是系統的邊界，就如同一個國家的邊界一樣重要，既然細胞膜這么重要，那么日常生活中我們能不能觀察到它的存在呢？

【展示】播放雞蛋中卵細胞的細胞膜存在的視頻，引導學生分析：雞蛋中卵細胞的細胞膜是哪一部分？

【過渡】細胞膜作為生命系統的邊界，它在生命活動中起什么作用？卵細胞的邊界是什么？它是由什么成分組成的？它的結構如何？這就是我們今天要討論的主要內容。

學生活動：了解原始海洋中生命誕生的過程，觀看體現卵細胞的細胞膜存在的視頻，并思考。

設計意圖：通過觀看視頻，使學生認識到細胞膜的重要性，聯系國家的邊界，滲透熱愛祖國、保衛祖國的思想，再通過形象直觀的雞蛋中卵細胞的細胞膜，引導學生初步感知細胞膜的存在，激發學生深入探究問題的興趣。

學習任務二：閱讀課本P40細胞膜功能的相關內容，觀察圖片，思考“問題探討”中的內容，概述細胞膜的功能，思考臺盼藍染色的原理。

教師活動：

【提問】細胞膜在細胞的生命活動中起什么作用？

【展示】展示細胞膜功能的圖片，引導學生分析并理解細胞膜的功能。

【引導】在多細胞生物體內，各個細胞都不是孤立存在的，它們之間必須協調，才能使生物體健康地生存，就如家庭和諧，才能維持社會的和諧（滲透正確的家庭觀和社會觀）。

【過渡】細胞膜的功能是由它的成分和結構決定的。細胞膜非常薄，即使在高倍顯微鏡下依然難以看清它的真面目。人們對細胞膜化學成分與結構的認識經歷了很長的過程，下面讓我們一起沿著科學家的探索之路來探究細胞膜的結構和組成吧！

學生活動：通過閱讀課本，掌握細胞膜的功能，理解臺盼藍染色的原理。

設計意圖：通過閱讀課本培養學生的自主學習能力，通過思考臺盼藍染色的原理，培養學生學以致用的能力，初步培養學生的生命觀。

學習任務三：閱讀課本P42“思考·討論”對細胞膜成分探索的資料，思考并討論相關問題，小組合作探究構建細胞膜的結構模型，體會模型構建的方法。

教師活動：

【提問】早期對生物膜結構的探究是從生理功能入手，還是從用顯微鏡觀察生物膜的結構入手？

先讓學生閱讀課本有關歐文頓實驗的內容，然后給學生介紹相似相溶原理，并以問題串的形式引導學生思考以下問題：利用相似相溶原理，結合歐文頓的實驗現象，能夠得出什么結論？歐文頓的推測是通過對現象的推理分析，還是通過對膜成分的提取與檢測？還有必要對膜成分進行提取、分離和鑒定嗎？歐文頓為什么沒有對膜的成分進行提取、分離？

【過渡】歐文頓提出了細胞膜是由脂質組成的假說，既然是假說就需要實驗的驗證，歐文頓的假說被驗證了嗎？是通過怎樣的實驗驗證的？讓我們一起來了解20世紀初科學家所做的實驗。

學生活動：閱讀歐文頓實驗的內容，分析討論教師提出的問題，并作出回答。

設計意圖：讓學生通過實驗觀察學會分析問題、做出假設，同時讓學生體會到科學探索的嚴密性，培養學生的科學思維和科學探究能力。

教師活動：出示20世紀初科學家的實驗資料，引導學生思考分析問題：利用哺乳動物紅細胞制備細胞膜的原理是什么？為什么選擇哺乳動物成熟的紅細胞？如何從混合液中分離出純度較高的細胞膜？

引導學生得出結論：組成細胞膜的脂質有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。（歐文頓的假說得到了驗證）

【過渡】磷脂在細胞膜中如何排布？磷脂分子具有什么特點？我們首先來了解一下磷脂分子。

學生活動：閱讀20世紀初科學家的實驗資料，觀察細胞膜制備的圖片，回答相關問題;觀察磷脂分子的結構圖片及模型，思考其特點。

設計意圖：引導學生分析資料，通過對資料的分析和推理使學生掌握細胞膜的成分有磷脂和膽固醇，培養學生提取信息、解決問題的能力。

教師活動：出示圖1并對磷脂分子結構及模型進行介紹。

引導學生思考以下問題，并小組討論。

【問題】如果把這樣的磷脂分子放在盛水的燒杯中，它們在空氣—水界面上的排布情況將是怎樣的？磷脂分子在水—苯溶液中如何排布？

學生活動：認識磷脂分子的結構特點，明確磷脂分子在空氣—水界面和水—苯溶液中的排布，并能夠作出解釋。

設計意圖：融合化學知識，讓學生體會學科知識之間的滲透，培養學生的合作能力和動手操作能力。

【過渡】磷脂分子在細胞膜中的排布情況是怎樣的？是一層還是兩層或者是多層呢？

【展示資料1】兩位荷蘭科學家戈特和格倫德爾的實驗。

引導學生理解兩位科學家的推斷：細胞膜中的磷脂分子必然排列為連續的兩層。

【問題】在細胞膜中這兩層磷脂分子如何排布？

【展示】人體血細胞生活的環境圖片。

【模型構建】請根據組織細胞生活的環境以及磷脂分子的結構特點，利用提供的材料，小組合作探究構建磷脂分子在細胞膜中的排布模型。請小組學生代表在黑板上進行模型構建（如圖2）。模型構建完成后，請該小組成員對不同的模型進行解釋。

學生活動：閱讀課本P42兩位荷蘭科學家戈特和格倫德爾的實驗內容，并得出二者的推斷;看圖思考，明確“人體組織細胞的內外都是水環境”。小組合作進行模型構建，并對模型進行解釋。

設計意圖：結合科學探究和相關問題，引導學生理解“模型與構建”，充分發揮學生的主體作用，鍛煉學生的邏輯推理能力，培養學生的語言表達能力及團結協作精神。

學習任務四：對細胞膜的成分進行探索，分析并思考討論相關問題，概述組成細胞膜的成分。

教師活動：

【過渡】由于細胞需要一些極性分子也可以快速通過細胞膜，而脂質分子不允許極性分子快速通過，因此人們猜測細胞膜中還有其他成分。

【展示資料2】1935年，英國學者丹尼利和戴維森研究了細胞膜的表面張力，他們發現細胞膜的表面張力明顯低于油—水界面的表面張力。人們已經發現了油脂滴表面如果吸附有蛋白質成分則表面張力會降低。

引導學生得出丹尼利和戴維森的推測：細胞膜中除了含有磷脂分子，可能還附有蛋白質。

補充：科學家通過對細胞膜化學成分進行深層分析發現，細胞膜會被蛋白酶分解。（提示：酶具有專一性。蛋白酶只能對蛋白質水解起催化作用。）

【小結】引導學生閱讀P43第一段內容，概述細胞膜的組成成分。

學生活動：通過資料分析，明確組成細胞膜的成分有脂質和蛋白質，還有少量的糖類，其中磷脂最豐富，還有少量的膽固醇，功能越復雜的細胞膜，蛋白質的種類和數量就越多。

設計意圖：引導學生從生命系統結構基礎的角度認識蛋白質是生命活動的承擔者，同時為流動鑲嵌模型的學習奠定基礎。

學習任務五：對細胞膜的結構進行探索，概述細胞膜的流動鑲嵌模型。

教師活動：

【過渡】脂質和蛋白質等成分是如何組成細胞膜的？蛋白質和磷脂的位置關系又是怎樣的？下面我們一起來看看科學家的探究過程吧！20世紀40年代，曾有學者推測脂質兩邊各覆蓋著蛋白質。直到50年代，電子顯微鏡誕生，科學家用它來觀察細胞膜。

【展示資料3】1959年羅伯特森的實驗。

【問題】結合電鏡成像原理，從羅伯特森的實驗現象中可以得出什么結論？

補充：蛋白質對電子的阻擋作用大，透過樣品的電子較少，所以是暗帶，而脂雙層對電子的阻擋作用小，所以是明帶。

要求學生對羅伯特森的觀點進行闡述。

【模型構建】根據羅伯特森的假說，嘗試構建蛋白質分子在磷脂雙分子層中的排布模型。

【質疑】羅伯特森的假說還有什么不足？他認為膜是靜止不動的，你認同這一觀點嗎？請舉例說明。

【引導】 如果細胞膜是靜態的，細胞膜的復雜功能將難以實現，就連細胞的生長、變形蟲的變形運動這樣的現象都難以解釋。

【展示】變形蟲變形運動的動態圖。

學生活動：明確生物膜是由“蛋白質—脂質—蛋白質”構成的三層結構。師生合作，按照羅伯特森的假說進行模型構建，并對模型進行解釋。

設計意圖：了解技術進步對科學研究的推動作用。通過質疑、討論，引導學生從結構、功能等方面進一步發現探究線索。

教師活動：

【設疑】蛋白質在生物膜中到底是怎樣分布的？一種新的電子顯微技術——冰凍蝕刻電子顯微法解決了這一難題。

【展示】冰凍蝕刻電子顯微鏡下的細胞膜示意圖。

【引導】物理學家在低溫下將細胞膜切開，升溫后暴露在兩層磷脂之間的斷裂面。

【提問】蛋白質在生物膜中的分布有哪幾種情況？

【模型構建】讓學生以小組為單位，根據冰凍蝕刻電子顯微法收集新的實驗證據，嘗試修正前面師生共同構建的蛋白質分子在磷脂雙分子層中的排布模型（如圖3）。

教師活動：

【過渡】隨著新技術不斷運用于生物膜的研究，人們可以直觀觀察到生物膜中組分的運動情況。

【展示資料4】1970年人鼠細胞融合實驗。

【提問】從實驗現象可得出什么結論？相關的其他實驗證據表明細胞膜中的磷脂分子也是可以運動的，從而進一步得出什么結論？

學生回答：細胞膜上的大多數蛋白質是可以運動的，細胞膜具有流動性。

學習任務六：流動鑲嵌模型的基本內容。

教師活動：

【過渡】在新的觀察和實驗基礎上，又有學者提出了一些關于細胞膜的分子結構模型，其中被普遍接受和認可的是流動鑲嵌模型，我們一起來了解其內容。（出示1972年桑格和尼克森在繼承和創新中提出的新模型。）

學生活動：閱讀課本P45有關糖被的介紹，在構建的模型上利用所提供的材料添加糖蛋白和糖脂，并對模型（如圖4）進行評價和完善。觀看圖片、動畫，結合課本思考問題，并討論，概述流動鑲嵌模型的主要內容。了解膜蛋白的功能分類，體會蛋白質在細胞膜中的作用，進一步深化理解結構與功能相適應的觀點。

設計意圖：培養學生歸納總結的能力。將抽象的知識形象化，使學生更容易理解流動鑲嵌模型的有關內容。通過模型展示評比，讓學生體驗成功的樂趣，促進學習方式的轉變。

學習任務七：體會人類對于自然界的探索永無止境。

教師活動：

【提問】我們歷經艱辛探討得來的流動鑲嵌模型是否已經完美無缺？

介紹生物膜的其他結構模型及與生物膜研究有關的諾貝爾獎獲獎情況。

播放視頻“細胞膜表面之旅”，讓學生感受生命的神奇。

【小結】滲透結構與功能相適應的思想。

學生活動：積極思考，交流發言。

設計意圖：讓學生體會到科學研究是不斷發展、修正的過程，科學探索是永無止境的，從而培養學生熱愛科學、積極向上的精神和社會責任感。

學習任務八：課外模型制作。

教師活動：

【課外拓展】今天我們構建的是細胞膜的平面模型，同學們有沒有更好的材料用來制作細胞膜的立體模型。請你課后嘗試一下。

學生活動：觀看模型，積極思考，探尋構建細胞膜立體模型的方案。

設計意圖：培養學生的創新精神和動手能力。

四、教學反思

本節課的教學設計，意圖滲透生命觀念，讓學生認識到生命系統的結構是以物質作為基礎的，生命系統的結構與結構間是有聯系的。在建立模型過程中，意圖培養學生的理性思維、批判質疑和勇于探究的科學精神。在構建模型過程中，本節課采用“提出問題→提供資料→做出假設→構建模型→實驗驗證再分析→模型修正”的教學模式，為學生創設學習情境，使學生自主探究、合作交流，去發現問題并解決問題，同時讓學生體驗模型構建的過程，使學生的科學思維得到了很好的鍛煉，一定程度上激發了學生科學探究的欲望。整節課以滲透生命觀念為主線，牢牢把握住“細胞是基本的生命系統”這條主線，將作為基本的生命系統的細胞膜的功能體現得淋漓盡致，充分體現結構與功能相適應，一步步引導學生去探究細胞膜的結構，教學效果尚可。本節課采用卡紙制成的材料，只能制作細胞膜的平面模型，稍顯不足，在這個過程中要引導學生發揮空間想象力自制教具。教具若改進為超輕黏土或者橡皮泥來制作磷脂分子，效果會更好。

（責任編輯 黃春香）