基于生物科學史的模型建構教學探究

周慧

［摘 要］在生物學教學中，教師引導學生分析生物科學史中的經典實驗，建構模型，合作探究，可提升學生的科學思維能力和科學探究能力。文章以“細胞膜的結構和功能”為例具體闡述如何基于生物科學史有效開展模型建構教學。

［關鍵詞］生物科學史；模型建構；科學思維

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0086-04

生物學教育家朱正威認為，生物科學史所蘊含的營養極其豐富，而且了解它遠比了解科學的結論及技術的成果更為有趣。因此，在生物學教學中引導學生學習生物科學史尤為重要。通過學習生物科學史，學生既可以得到科學思想、科學精神、科學態度等方面的熏陶和培養，又能發展與提升直覺思維、想象能力、理性思維、質疑能力，以及觀察、實驗、調查、收集和處理資料等方面的能力。

生物學教學中的模型建構是指用一定的物質形式或思維形式建構生物模型，使得生物學事實直觀化、簡單化。在生物學教學中，教師可基于生物科學史，引導學生分析其中的經典實驗，建構模型，合作探究，從而提升學生的科學思維能力和科學探究能力。

本文以人教版生物學必修1第3章第1節“細胞膜的結構和功能”為例，以科學家對細胞膜結構的探索歷程為主線，通過“提出問題—提供資料—建構模型—修正模型”的教學模式，讓學生逐步建構出細胞膜的流動鑲嵌模型，從而提升學生的科學思維能力和科學探究能力。

一、教學目標

想要發展學生的學科核心素養，教師要以核心素養為導向設計教學目標。具體如下：

（1）通過設計實驗和分析科學史材料，促使學生學會嚴謹推理和大膽想象，訓練學生分析與綜合、模型與建模、歸納與概括、批判性思維等科學思維。

（2）通過建構模型，讓學生深入理解細胞膜流動鑲嵌模型，樹立結構與功能觀、進化與適應觀。

（3）使學生認識到科技技術對推動科學研究發展的重要作用，從而學會尊重科學，用發展的觀點看待科學，樹立辯證的觀點。

二、學生分組與教具準備

分組情況：將學生分成6個小組，每個小組約8人。

教具準備：

（1）用橙色軟磁貼剪出長約[5 cm]、寬約2 cm的磷脂分子模型；用綠色軟磁貼剪出長約4～7 cm、寬約3～4 cm的大小和形狀不同的蛋白質分子模型（如圖1）。為每個小組提供36個磷脂分子模型和6個蛋白質分子模型。

（2）為每個小組提供一塊磁力白板（各組成員可將磷脂分子模型和蛋白質分子模型貼于白板進行展示）。

三、教學過程

任務一：探究細胞膜的成分

教師播放阿米巴攝食的錄像，引導學生通過錄像對細胞膜的流動性進行直觀觀察，從而激發學生的學習興趣。教師提出問題：阿米巴的細胞膜為什么能變形？這一特性與細胞膜的結構有沒有關系？科學家是怎樣探究細胞膜的成分和結構的？通過這些問題激發學生的探究欲望，自然過渡到探究細胞膜結構的環節。

活動1：分析科學史，探究細胞膜的組成成分

顯示資料1：1895年，歐文頓用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行了上萬次的實驗，發現細胞膜對不同物質的通透性不一樣：脂溶性物質比非脂溶性物質更易通過細胞膜。

待學生閱讀資料后，教師引導學生思考：細胞膜中含有什么成分才能允許脂溶性物質通過？依據是什么？學生根據已有知識，經過討論，認為細胞膜中可能含有脂質。教師繼續提出問題：歐文頓也做出了相同的判斷，那么這一判斷是推理還是結論呢？如何獲得結論？

活動2：實驗驗證細胞膜中含有脂質

顯示資料2：一些科學家利用哺乳動物的紅細胞制備出純凈的細胞膜，并進行化學分析，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。其他細胞中也發現類似情況。1935年，英國學者丹尼利和戴維森對細胞膜的張力進行了研究。通過研究，他們發現，在油—水界面細胞表面張力明顯降低。若油脂滴表面吸附有蛋白質成分則表面張力會降低。

學生閱讀資料并交流討論，最后得出結論：細胞膜的組成成分主要是脂質（主要為磷脂）和蛋白質。

活動3：認識磷脂分子

教師通過多媒體顯示磷脂分子的化學組成，介紹它的化學特性，同時展示磷脂分子的模型，讓學生直觀地感受“頭親水，尾疏水”的磷脂分子。

評析：結合生物科學史，重現科學家的實驗探究，引導學生分析問題、做出假設，讓學生明白要有確鑿證據才能得到可靠結論，同時培養學生提取資料關鍵信息的能力，提高學生的科學思維能力。

任務二： 探究磷脂在細胞膜上的分布特點

教師：磷脂分子有親水性的頭部和疏水性的尾部。現有一個燒杯，里面盛著水，磷脂分子在空氣—水界面上是怎樣排布的呢？為什么？

活動4：磷脂分子在空氣—水界面上的排布特點

模型建構1：學生小組活動，在小黑板上畫出空氣—水界面，并根據磷脂分子的特性，用磷脂分子模型進行排布（如圖2）。小組展示并說明原因：由于磷脂分子的頭部是親水性的，尾部是疏水性的，因此頭部朝向水一側，尾部朝向空氣一側。磷脂分子在空氣—水界面上形成單分子層。

教師：如果將磷脂分子全部浸在水中，并用玻璃棒攪拌，磷脂分子將如何排布？

活動5： 磷脂分子在水中的分布特點

模型建構2：學生小組活動，用磷脂分子模型在小黑板上進行排布，并展示模型建構作品，然后解釋原因：（1）根據磷脂分子的特性，親水性的頭部朝向水一側，疏水性的尾部聚集在一起，形成一種單層磷脂分子構成的穩定狀態（如圖3）；（2）兩層磷脂分子的親水性頭部分別朝向水一側，疏水性的尾部緊緊地聚集在中間，形成一種雙層磷脂分子構成的穩定狀態（如圖4）（3）雙層磷脂分子的局部模型（如圖5）。

教師顯示組織細胞生活圖，引導學生觀察，從中發現細胞膜所處的環境都是有水溶液的，一側是組織液，另一側是細胞內液。在這基礎上，教師引導學生思考：構成細胞膜的磷脂分子對應上述模型中的哪一種？學生不難推測出細胞膜的磷脂分子對應的是如圖4所示的模型。教師進一步提出問題：那么是否可以說細胞膜中的磷脂是雙層的？需要實驗驗證嗎？

顯示資料3：1925年，兩位科學家戈特和格倫德爾做了一個簡單而又巧妙的實驗。首先，通過光學顯微鏡測量出紅細胞的大小；然后，通過計算推算出樣本中所有紅細胞的表面積；最后，利用丙酮和其他溶劑從紅細胞中萃取脂類。他們分別采用人類、家兔、天竺鼠、狗、綿羊、山羊的紅細胞做這個實驗，結果發現從紅細胞中萃取的單層分子的面積大約是紅細胞表面積的2倍。

待學生閱讀資料后，啟發學生得出結論：細胞膜中的磷脂是雙層的。

教師：單層磷脂結構在生物體中是否存在？

與社會的聯系：單層磷脂結構就是脂蛋白的重要存在形式。脂蛋白對于昆蟲和哺乳動物細胞外脂質的包裝、儲存、運輸和代謝起著重要作用，脂蛋白代謝異常（通常伴隨脂質組分和蛋白質組分的變化）與動脈硬化癥、糖尿病、肥胖癥以及腫瘤的發生密切相關。

評析：本環節設計了兩個學生活動，活動4是活動5的升華，頗具挑戰性，體現了由淺入深的設計意圖。學生通過用軟磁貼制作磷脂分子模型，在學中做、做中學，構建出了細胞膜的基本支架。在推理、得出結論的過程中實現了科學思維的訓練。此外，通過與社會的聯系，傳達健康生活的理念，培養學生的社會責任意識。

任務三：探索細胞膜中蛋白質分子的位置

教師：磷脂分子在細胞膜中的排列方式我們已經知道了，那么細胞膜中蛋白質的位置是怎樣的呢？

活動6：通過資料分析，推測細胞膜中蛋白質的分布特點

顯示資料4：1959年，羅伯特森利用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，在電子顯微鏡下看到了細胞膜的“暗—亮—暗”三層結構。

教師啟發學生思考：其中亮的什么，暗的又是什么？學生根據“電子束照射大分子物質，散射度高；電子束照射小分子物質，散射度低”的信息，推測暗的是蛋白質分子，亮的磷脂分子 。

模型建構3：學生小組活動，討論蛋白質的分布特點，并將代表蛋白質分子和磷脂分子的軟磁貼貼在小黑板上，展示模型建構成果（如圖6）。

隨著科技的發展，冰凍蝕刻技術揭開了蛋白質在細胞膜中的分布“面紗”。

活動7：通過實驗結果分析，明確細胞膜中蛋白質的分布特點

顯示資料5：將細胞膜置于-100 ℃的干冰或 -196 ℃的液氮中進行冰凍，用冷刀將標本驟然切開，升溫后，干冰在真空狀態下迅速升華，使斷裂結構暴露無遺，這種過程叫作蝕刻。

教師展示細胞膜冰凍蝕刻模型圖（圖略）。

模型建構4：學生小組活動，根據冰凍蝕刻結果，修改之前建構的“蛋白質—脂質—蛋白質”三層結構模型（如圖7），并嘗試描述蛋白質的分布。

教師引導學生說出蛋白質鑲嵌、嵌入、橫跨磷脂雙分子層的分布規律。

評析：本環節設計了兩個學生活動，活動6是基于資料的推測，活動7是通過觀察科學技術研究結果對活動6的推測結果進行修改。通過此環節，讓學生在尊重科學、用發展的觀點看待科學的同時，認識到科技發展對科學研究的助推作用。

任務四： 探究細胞膜的結構特點

教師聯系變形蟲的變形運動、細胞的分裂和細胞的長大等現象，引導學生思考：細胞膜是靜止的嗎？

活動8：根據資料分析，討論細胞膜是否是靜止的

顯示資料6：1970年，弗雷和埃登用發綠色熒光的染料標記小鼠細胞表面的蛋白質分子，用發紅色熒光的染料標記人細胞表面的蛋白質分子，用滅活仙臺病毒促使兩種細胞融合。剛融合的細胞，一半發紅色熒光，一半發綠色熒光。將此細胞放在37 ℃條件下培養40 min，在細胞表面可觀察到呈現均勻混合的紅色熒光和綠色熒光。

學生根據實驗現象，小組討論細胞膜的結構特點，不難得出“細胞膜上的蛋白質分子可以運動”這一結論。

顯示資料7：20世紀60年代，麥克康奈爾和格里菲斯用電子自旋共振譜技術證實構成細胞膜的磷脂分子可以運動。

教師結合上述兩則資料，引導學生得出結論：細胞膜上的蛋白質分子和磷脂分子都可以運動，細胞膜具有一定的流動性，從而推翻了羅伯特森關于細胞膜是靜態的統一結構的說法。

評析：本環節通過展示資料，讓學生閱讀分析實驗過程與方法，體會科學發展的過程離不開技術的支持。

任務五：概述細胞膜的流動鑲嵌模型

顯示資料8：1972年，桑格和尼克森基于前人的研究，提出了細胞膜的流動鑲嵌模型。

活動9：學生分組討論，概述細胞膜的流動鑲嵌模型。

學生可以從組成成分、分布情況和細胞膜的特點三個方面進行概述。教師補充介紹糖蛋白、糖脂的內容，完善細胞膜的結構。

評析：本環節擺脫以往灌輸式教學模式，讓學生在自己建構的模型的基礎上概述細胞膜的流動鑲嵌模型，使學生深入理解其本質，有效達成教學目標。

任務六：建構藥物運載體

情境：脂質體由磷脂分子構成，它能作為藥物的運載體，將藥物運送到特定的部位發揮作用。被運送的藥物有水溶性的和脂溶性的。

模型建構5：學生小組討論，建構分別能運送水溶性藥物和脂溶性藥物的脂質體，將水溶性藥物和脂溶性藥物擺放在相應的位置，并說出擺放的依據（如圖8）。

教師進一步設問：脂質體到達細胞后如何成功地將藥物送入細胞？結合前面所學細胞膜的結構特點，學生容易知道是由于細胞膜的流動性，使脂質體的膜與細胞膜相融合，從而將藥物送入細胞。

評析：本環節是對本節課內容的延伸和應用，通過磷脂分子的特性和細胞膜的結構特點破解問題，在一定程度上達到學以致用的目的，使學生獲得成功的喜悅，樹立將來為社會為國家做貢獻的志向。

四、教學反思

（一）引入科學史，造就積極的科學態度

學生通過分析眾多生物科學史料，不僅能提高分析資料、處理問題的能力，而且能感受到科學家嚴謹的科學態度。例如，為了得到“脂質是細胞膜的主要成分之一”這一結論，歐文頓用500多種物質做了近萬次的實驗。一切從實驗出發的實證思想、在前人的基礎上做出合理的假設、對生物膜剛性結構的批判等，都將對學生產生重要的影響。

（二）應用科學，提升創新實踐能力

通過基于生物學事實的多層次模型建構活動，引導學生嘗試像科學家一樣去探究，提升了學生的動手實踐能力；而電子顯微技術、冰凍蝕刻技術、熒光標記技術等的出現，能夠幫助人們更好地認識和了解細胞膜的結構，也完善了細胞膜的流動鑲嵌模型，有助于學生認識和理解科技創新對人類文明進步的巨大影響和作用，發展和提升學生的創新實踐能力。

（三）建構模型，發展核心素養

在本節課中，教師在學生對磷脂分子的結構特點、化學特性有一定理解的基礎上，合理設置模擬探究的情境，并依據學生的認知規律，巧妙設計一系列問題，組織學生討論交流，利用已有知識自主建構、修正完善細胞膜中磷脂分子排布的物理模型。學生在建構模型的過程中，一方面能深刻理解細胞膜中磷脂分子排布的科學原理，另一方面體驗了模型建構方法，提升了從實踐層面去探討解決實際問題的能力。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 孫瑗苑. 高中生物學教學中利用科學史進行模型建構的實踐研究［D］.濟南：山東師范大學，2022.

［2］? 李菊芳，朱俊.例談基于生物科學史與模型 建構培養學生科學探究素養［J］.中學生物學，2019（7）：32-34.

［3］? 劉鑫. 高中生物概念教學中物理模型建構的應用研究［D］.南京：南京師范大學，2018.

（責任編輯 黃春香）