基于深度學習的高中生物學科學思維培養模式
——以“細胞膜的結構和功能”為例

（廣州市玉巖中學 廣東·廣州 510700）

高中生物的教學是高中教育體系中的重中之重，與其他學科相比較，這門學科是一門綜合性極強的學科，涉及各方面的學習內容。在實際教學中教師不僅要嚴謹地傳授我國高中生物教材中的基本知識，還要照顧到學生的心理意志和情緒，更要培養他們掌握深入學習的學習習慣，而不是用原始的學習方法去學習越來越高端的生物知識。

科學思維的培養應該放在高中自然科學課程的教學過程中，其中的一個重要策略就是論證和科學論證，并以此來發展學生的論證技能，促進他們科學思維的發展。論證探究式教學模型(argument-driven inquiry,ADI)由美國Victor Sampson等人提出,是將探究性實驗和論證過程整合在一起,并融合了其他科學中常規的實踐活動。

本節教學設計的主題是“細胞膜的結構和功能”，依據主題確定教學目標為：

（1）基于教師提供的情景和已有知識，推理出細胞膜的三種功能。（2）通過對科學史進行分析，歸納細胞膜的成分，并利用各種成分構建細胞膜的空間結構，概述細胞膜的流動鑲嵌模型。（3）闡明細胞膜的結構如何實現細胞膜功能，建立結構與功能觀。

本節課的教學思路是：

（1）基于教師提供的情景和已有知識，推測細胞膜三大功能。（2）基于細胞膜的科學探究史，角色扮演，分析細胞膜的成分，推測細胞膜的空間結構，同時關注相關學科、技術發展對生物的影響。（3）基于新學知識，闡明細胞膜結構如何實現細胞膜功能。

1 列舉事實和現象和類比推理，推測細胞膜三大功能

提供大腸桿菌、酵母菌、變形蟲、神經細胞、植物葉肉細胞顯微圖片，并提問：

上述細胞共有的結構是？

觀察雞蛋結構視頻，并提問：

卵細胞的邊界是什么？

晃動放在培養皿中的卵細胞，卵黃沒有散開，猜想卵黃膜有什么作用？

用臺盼藍染料給酵母菌細胞染色時，死細胞會被染成藍色，而活細胞不會著色。說明細胞膜具有什么功能？

學校校門閘機能識別校內車輛和校外車輛，細胞膜是否也有類似功能？

血液中的葡萄糖變成肝臟細胞中的肝糖原需要肝臟細胞外的胰島素的調節，這說明細胞膜具有什么功能？

通過多種細胞類比，得出細胞膜是細胞的邊界。觀察雞蛋結構，感知卵細胞膜的存在和功能。通過對實驗現象分析得出細胞膜具有控制物質進出的功能。通過類比學校校門閘機能識別校內車輛和校外車輛，推測細胞膜也具有信息交流的功能，血糖轉變肝糖原的過程證明細胞膜的信息交流功能。

2 根據有關科學史資料，角色扮演，分析細胞膜的成分，推測細胞膜的空間結構

幾百年前，人們就在光學顯微鏡下觀察到細胞，但很長時間里卻并不清楚細胞膜的結構，甚至一度懷疑細胞是否有一個明確的邊界。直到上個世紀70年代才提出了著名的細胞膜的流動鑲嵌模型。請同學們根據科學史實和相關技術，分析、探究細胞膜的成分和空間結構。

2.1 細胞膜的成分

資料1：19世紀末，歐文頓實驗。

用500多種物質對植物細胞進行上萬次的通透性實驗，發現可以溶于脂質的物質，比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜。

補充知識點1：相似相溶原理：是指由于極性分子（例如水分子）間的電性作用，使得極性分子組成的溶質易溶于極性分子組成的溶劑，難溶于非極性分子（例如脂肪分子）組成的溶劑……

問題1：歐文頓的結論是？如何證明是何種脂質？

【角色扮演一】選取什么材料？用什么實驗方法？

資料2：科學家利用動物的卵細胞、紅細胞、神經細胞等作為研究材料，并利用哺乳動物的紅細胞，通過一定的方法制備出純凈的細胞膜，進行化學分析，得知組成細胞膜的脂質，有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。

資料3：1935年，英國學者發現細胞的表現張力，明顯低于油—水界面的表面張力。

補充知識點2：人們發現油脂滴表面如果吸附有蛋白質成分，則表面張力會降低。

問題2：推測細胞膜除含脂質分子外，可能還會有什么物質？

2.2 細胞膜的空間結構

資料4：呈現磷脂分子空間模式圖：磷脂是組成細胞的主要脂質，是一種由甘油、脂肪酸、和磷酸等所組成的分子。它有一個親水磷酸“頭”部，和一個疏水的脂肪酸的“尾”部。

【角色扮演二】磷脂分子在空氣—水界面上會怎么樣鋪展？磷脂分子在細胞膜中可能怎樣排布？你會提出什么假說？

【角色扮演三】如何設計實驗證明細胞膜中存在磷脂雙分子層？用什么實驗材料？選取何種實驗方法？預期實驗結果是什么？

首先是純文學陣地大面積失守。純文學原有陣地包括圖書、期刊、報紙副刊三大塊。出版社被推向市場后，經濟效益成為更現實的問題，純文學圖書的出版日漸蕭條，單本書平均銷量持續下滑，達不到一定發行量的純文學作品基本無緣面世。受新媒體沖擊，報業立足生存嘗試各種改版，產生不了直接經濟效益的文學副刊大多被文化娛樂版面替代，即便保留也是替補角色，上場機會極少。純文學陣地僅剩文學期刊，這塊陣地也大片丟失，“最后還在頑強堅守的能夠刊載原創純文學作品的刊物也就幾十家了。在這幾十家中目前可以以發行量生存的不足十家，大多數是要依賴政府的公益撥款來維持生命的?！保?］

資料5：1925年兩位荷蘭科學家用丙酮從人的紅細胞中提取脂質，從空氣—水界面上鋪成單分子層，測個單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍，由此推斷細胞膜中磷脂分子必然排列為連續的兩層。

磷脂分子空間結構已經清晰，那么細胞膜中的蛋白質如何分布？

資料6：羅伯特森電鏡實驗圖片：細胞膜：“暗—亮—暗”三層結構構成。

補充知識點3：電子束照射在分子質量高(蛋白質)的物質上，散射度高，較為黑暗；照射在分子質量低(脂質)的物質上，散射度低，較為明亮。

問題3.蛋白質與磷脂的空間關系如何？蛋白質與磷脂的空間關系是否一成不變？

資料7：變形蟲運動（視頻）和人鼠細胞雜交實驗。

問題4.細胞膜是動態還是靜態？其結構特點是？

資料8：冰凍蝕刻細胞膜實驗：將細胞膜置于-100℃的干冰或-196℃的液氮中，進行冰凍。

補充知識點4：用冷刀驟然將標本斷開，升溫后，干冰在真空條件下迅即升華，暴露出斷面結構，稱為蝕刻。在電鏡觀察。

得出桑格和尼克森流動鑲嵌模型。

細胞膜的研究和進展與科學技術的不斷更新是密不可分的，細胞膜的研究歷程很好地體現了科學與技術之間相互促進的關系。教師帶領學生對科學史進行分析時，通過層層設問，角色扮演，引導學生領悟科學的本質是不斷探究和尋找新的實證，從而培養其科學思維。

3 闡明細胞膜結構如何實現細胞膜功能

問題1：磷脂雙分子層怎樣決定細胞膜功能？

問題2：蛋白質不對稱分布怎樣決定細胞膜功能？

問題3：糖蛋白怎樣決定細胞膜功能？

問題4：磷脂和大部分蛋白質的運動性怎樣決定細胞膜功能？

根據磷脂分子不溶于水的特點可以推測水、離子、糖類等親水性物質，必須通過膜上的蛋白質進入細胞，為物質進出細胞學習埋下伏筆。根據糖在細胞膜上分布不均的特點引導學生思考其與信息交流功能的關系。最后通過近幾年的諾貝爾生理學或醫學獎指出目前細胞膜的結構與功能仍是研究的熱點，讓學生意識到科學是不斷深入與發展的。

生物學科的根本任務是提高學生終身發展所需的生物學學科核心素養，在生物學課程教學過程當中，充分發掘生物科學史中資料，分析科學研究過程中如何分析實驗現象甚至是前人的科學研究現象，本課盡量模擬每段科學史探究情景，層層設置問題，并通過角色扮演，引導學生思考甚至提出新的假設，并親自設計實驗來證明自己的假設并最終得出結論。

在整個教學過程中，通過教師的問題情境創設，引導學生學會如何提出問題、支持、評價以及修正觀點并得出結論，讓學生在問題串與情境中開展深度思考，并引導學生深度參與，讓他們體會了學習的快樂，增強了對知識的探究欲望，并從實際操作中獲得滿足感。從而在潛移默化中提高了自己的科學思維。