基于生物科學史的探究式教學

葉凱

［摘 要］在“細胞膜的結構和功能”教學中，以科學史為素材，創設探究情境，精心設計問題串和學習任務，引導學生運用“提出假說”和“模型與建模”的科學研究方法探究細胞膜的成分和結構，促進學生科學思維和科學探究素養的發展，落實新課程的育人理念。

［關鍵詞］科學史；探究式教學；細胞膜；結構；功能

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）29-0091-03

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）在“實施建議”部分中明確指出，高中生物學教學目標是培養學生的生物學學科核心素養，而落實該教學目標的關鍵是開展探究式教學。高中生物學教材中介紹了許多經典的生物科學史，這些科學史凝聚了科學家的心血和智慧，是探究式教學最好的素材。《課標》倡導教師重視生物科學史的教學。生物科學史能使學生重溫科學家探索生物世界的歷程，有利于學生理解學科知識的本質和掌握科學研究的思路和方法，有利于學生感悟科學家永不言棄、不斷進取的科學態度和科學精神，這對于提高學生的生物學學科核心素養是很有意義的。本文以“細胞膜的結構和功能”一課為例，闡述如何以生物科學史為素材開展探究式教學，以期為廣大生物學教師提供教學參考。

一、教材分析和設計思路

“細胞膜的結構和功能”是人教版（2019）高中生物學必修1第3章第1節的內容，主要包括細胞膜的功能、對細胞膜結構的探索、流動鑲嵌模型的基本內容”等。為了避免按照時間軸簡單地羅列生物科學史，筆者采用了基于生物科學史的探究式教學模式，并將本節課分為細胞膜成分的探究和細胞膜結構的探究兩大板塊。為了培養學生的科學思維和科學探究素養，筆者創設相關情境，精準設置問題串，引導學生根據磷脂分子的特點和蛋白質的功能，完成對細胞膜中磷脂分子和蛋白質的分布的探究和模型的建構。在此基礎上，引導學生提出假設、建構模型、實驗驗證、修正模型，培養學生的自主、合作、探究能力，發展學生的生物學學科核心素養。

二、教學目標

依據《課標》的要求，結合發展學生生物學學科核心素養的理念，制訂以下教學目標：

（1）通過對生物學事實的分析，運用演繹與推理、歸納與概括等科學思維方法概括細胞膜的功能，培養科學思維。

（2）通過對科學史的分析，運用“提出假說”和“模型與建模”的科學研究方法探究細胞膜的成分和結構，培養科學思維和科學探究素養。

（3）通過建構模型的方法，加深對流動鑲嵌模型內容的理解，發展生命觀念。

（4）通過對細胞膜相關科學史的回顧，激發繼承和發揚科學精神的使命感，培養社會責任素養。

三、教學過程

（一）創設情境，導入新課

教師：同學們，老師手里有一個未受精的雞蛋。去掉蛋殼和蛋清后，剩下的結構可以看成一個巨大的卵細胞。接下來就是見證奇跡的時刻！

教師用兩根手指將蛋黃拈起來，引導學生思考蛋黃為什么沒有流出來。

設計意圖：通過手拈蛋黃的活動，引起視覺刺激和引發認知沖突，讓學生直觀感受細胞膜的存在，在激發學生學習興趣的同時導入新課。

（二）分析資料，推測細胞膜的功能

教師：細胞膜作為細胞的邊界，它有什么作用呢？請同學們分析資料，推測細胞膜的功能。

資料1：將伊紅染料注入變形蟲體內，伊紅很快擴散到整個細胞，卻不能逸出細胞。

資料2：常用臺盼藍染劑鑒別動物細胞是否死亡。死細胞會被染成藍色，而活細胞不被染色。

資料3：胰島B細胞分泌的胰島素，隨血液循環到達全身各處，與靶細胞膜上的受體識別、結合，將信息傳遞給靶細胞，靶細胞的生命活動發生一系列的變化。

學生分析資料，推理細胞膜的功能。教師點評并總結細胞膜的功能，然后介紹細胞間信息交流的三種方式。

設計意圖：利用教材案例和補充的資料，引導學生對生物學事實進行分析，推理并概括細胞膜的功能，培養學生分析與推理、歸納與概括的能力。

（三）重溫科學史，探究細胞膜的成分

教師依次呈現“細胞膜成分”的科學史（如圖1），創設情境，引導學生探究細胞膜的成分。

教師展示歐文頓的實驗（圖1中的科學史1），提出問題串：細胞膜含有何種成分？歐文頓實驗的結論是對實驗現象的推理，還是對細胞膜成分的提取與鑒定？

學生提出細胞膜可能存在脂質的假說，并表示通過提取、鑒定細胞膜的成分來驗證假說。教師展示科學史2（見圖1）中的實驗結果驗證學生提出的假說。

教師展示丹尼利和戴維森的實驗結果（圖1中的科學史3），提出問題串：細胞膜還具有什么成分？怎么驗證？

小組討論后，學生提出細胞膜中可能還存在蛋白質的假說及其驗證方案（用哺乳動物的成熟紅細胞為材料，制備純凈的細胞膜，提取細胞膜的成分后用雙縮脲試劑檢測）。教師展示科學史4和科學史5（見圖1）中的實驗結果驗證學生提出的假說并總結細胞膜的成分和含量。

設計意圖：指導學生運用“提出假說”的方法探究細胞膜的成分，體會“分析科學史—提出假說—驗證假說—得出結論”的探究過程，從而提升學生的科學思維和科學探究素養。

（四）建構模型，探究細胞膜的結構

教師將細胞膜結構的探索分為磷脂分子的分布、蛋白質的分布和細胞膜的結構特點三個板塊，逐步呈現科學史（見圖2），創設相關情境，精準設置問題串，引導學生根據磷脂分子的特點和蛋白質的功能，采用“提出假說”和“模型與建模”的科學研究方法探究細胞膜的結構，從而形成“結構和功能相適應”的生命觀念。

1.磷脂分子在細胞膜上的分布

教師展示磷脂分子的結構示意圖。甘油、磷酸和膽堿構成了頭部，磷酸帶負電，膽堿帶正電，這些帶電基團容易與水這種極性分子相結合，因此頭部和水會相互吸引，頭部表現為親水。而磷脂分子尾部兩條長的脂肪酸鏈表現為非極性，和水這種極性分子相互排斥，即尾部表現為疏水。待介紹磷脂分子頭部和尾部的化學組成和理化性質后提出問題串：磷脂分子在空氣—水界面上如何排布？沉入水中的磷脂分子會形成一個球體，這時它如何排布？

學生小組討論后，根據磷脂分子的理化性質，提出假說1和假說2，并借助學具建構平面模型。

假說1：磷脂分子在空氣—水界面上呈單行排布，頭部靠近水面，尾部遠離水面（如圖3中a）。

假說2：水中磷脂分子自發形成磷脂雙分子層，頭部朝向兩側，尾部相互靠近（如圖3中b）。

教師展示科學家戈特、格倫德爾的實驗（如圖2中的科學史6），學生分析資料后結合細胞生活的環境驗證其假說，得出結論：細胞膜上的磷脂分子為連續的兩層。

設計意圖：引導學生運用“提出假說”和“模型與建模”的科學研究方法探究磷脂分子的分布，再次體會“提出假說—驗證假說—得出結論”的探究過程，提升學生的科學思維能力和科學探究能力。此外，通過模型建構和展示活動培養學生的語言表達能力和團隊合作能力。

2.蛋白質分子在細胞膜上的分布

教師引導學生回憶蛋白質的功能，并布置探究任務：根據結構與功能相適應的觀點，推測蛋白質在磷脂雙分子層是如何分布的；用黏土模擬蛋白質，建構蛋白質在磷脂雙分子層上分布的物理模型。

學生小組討論后提出假說3，并建構蛋白質在磷脂雙分子層上分布的物理模型。

假說3：有的蛋白質具有運輸功能，故這類蛋白質會貫穿磷脂雙分子層；有的蛋白質有識別功能，故這類蛋白質會分布在磷脂雙分子層表面（如圖4）。

教師展示羅伯特森的發現（如圖2中的科學史7），并補充相關實驗原理：羅伯特森用鋨酸處理細胞膜，經鋨酸處理后的蛋白質會形成高電子密度的鋨黑，在電子顯微鏡下呈黑色，然后提出問題串：“暗”“亮”對應了細胞膜的何種成分？根據羅伯特森的實驗，推測蛋白質在磷脂雙分子層上如何分布。

教師點評學生的回答后，介紹羅伯特森的單位膜模型，引導學生思考：關于蛋白質的分布，羅伯特森和同學們提出了不同的假說，誰更接近真相呢？

教師展示科學史8（見圖2）：將細胞置于液氮中進行冰凍，用冷刀切開，升溫后在真空中迅速升華，磷脂雙分子層的疏水端裂開，用電子顯微鏡觀察斷裂面上的蛋白質的分布（如圖5）。

學生獲得新知：蛋白質可以鑲、嵌、貫穿磷脂雙分子層。教師引導學生修正蛋白質分布的模型。

設計意圖：讓學生運用“提出假說”和“模型與建模”的科學研究方法探究蛋白質在細胞膜上的分布，建構細胞膜的物理模型，培養學生分析與推理的能力及科學探究能力。在驗證假說環節，引導學生比較自己建構的物理模型和羅伯特森在電子顯微鏡下觀察到的細胞膜“暗—亮—暗”三層結構的區別。通過補充冰凍蝕刻技術應用于細胞膜結構研究的成果，培養學生的批判性思維和證據意識，讓學生體會到科學技術的革新對科學研究有極大的推動作用。

3.探究細胞膜的結構特點

羅伯特森把細胞膜描述為靜態的統一結構，教師引導學生針對此觀點提出疑問。學生根據變形蟲運動及細胞生長、分裂等實例提出假說：細胞膜具有流動性。

教師展示人鼠細胞融合實驗（見圖2中的科學史9），提出問題：該實驗可以得出什么結論？

學生分析后得出結論：細胞膜上的蛋白質分子大多是可以運動的，細胞膜具有流動性。

設計意圖：借助視頻、圖片、科學史等生物學事實，讓學生認同細胞膜是可以流動的，為流動鑲嵌模型的建構做好鋪墊。

（五）精讀教材，自主學習流動鑲嵌模型

教師展示科學史10（見圖2）：1972年，桑格和尼克森總結了有關細胞膜結構的成就，提出了流動鑲嵌模型。然后讓學生閱讀課本第44頁和45頁，并回答下列問題：細胞膜的基本支架是什么？細胞膜上的蛋白質如何分布？細胞膜上的糖類如何分布？其功能是什么？細胞膜的結構特點是什么？

學生回答問題，掌握流動鑲嵌模型內容。教師引導學生用糖鏈完善小組的模型，再匯集全班的模型，拼成一個更大的模型（如圖6）。

設計意圖：設計問題串，引導學生自主學習，獲取知識；引導學生用糖鏈完善模型，讓學生經歷“建立模型—修正模型—完善模型”的過程，感悟科學是不斷完善的過程。更大模型的建構讓學生對細胞膜的分子組成和空間結構有了更深刻的認識，有助于學生掌握必備知識。

（六）課堂總結，啟迪學生

教師播放視頻，回顧細胞膜結構的科學史，讓學生體會科學是一個動態的、不斷發展的過程。教師：科學家對真理不懈追求的科學態度和大膽質疑、勇于創新的科學精神令人敬佩。到目前為止，細胞膜研究領域已獲得4項諾貝爾獎，為人類健康生活做出了重大貢獻。細胞膜的研究仍在繼續，老師期待有同學能繼續投身于科學研究，傳承和發揚科學精神，為人類謀福祉。

設計意圖：通過視頻回顧細胞膜結構研究的科學史，讓學生體會科學發展的一般規律，引導學生學習科學家的科學態度和科學精神。通過介紹細胞膜研究成果與人類健康的關系，讓學生感受科學發展的意義，激發學生的學習使命感和社會責任感。

四、教學反思

通過本節課的學習，學生重溫了科學家對細胞膜的探究歷程，深入理解了學科知識的本質和科學研究的思路和方法。本節課的教學設計符合新課標倡導的發展學生核心素養的教學理念。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出社，2018.

［2］? 劉恩山.普通高中生物學課程標準（2017年版）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［3］? 李小玲.“細胞膜的結構和功能”教學設計［J］.中學生物學，2022（1）：35-38.