基于高中生物作業的教學設計

馮奎

1 《生物膜的流動鑲嵌模型》的教學設計

以2020年12月16日—18日在舟曲一中生物教研組同課異構活動為契機，以高一級同課異構的教學課題為載體，通過大家的通力合作、全身心地投入共同研討出適合我校學生的生物科學史的教學策略之一，以《生物膜的流動鑲嵌模型》為例，總結高中生物學中適合用模型建構法教學的教學內容。充分挖掘科學史教學中的育人功能，促進學生生物學學科核心素養的提升。

1.1 教學內容分析

《生物膜的流動鑲嵌模型》是人教版高中生物必修一第四章第二節的內容，在此之前學生已經通過細胞膜這節內容的學習知道了細胞膜主要是由蛋白質和脂質（磷脂）構成的，本節課的重點是沿著科學家的足跡構建出膜的物理模型，總結特點，構建其概念模型，鞏固內容。本節課的內容為生物科學史范疇，《生物膜的流動鑲嵌模型》這節課中含有眾多的科學實驗和科學家的探究思路，同時包含了科學家的科學精神和科學探究方法以及科學思維，并且通過羅伯特森提出的生物膜的靜態三明治模型以及科學家后來的質疑體現了科學家的質疑精神，從生物膜流動鑲嵌模型的構建過程和當今仍在對膜結構的探索補充很好地體現了生物學的發展正在路上，對膜結構的認知是動態發展的觀念，利用近幾年在膜結構探索方面取得的諾貝爾獎成就引導學生關注生物學科的發展，通過尿毒癥等疾病的治療方式引導學生關注膜結構與人類身體健康的關系。本節內容是落實生物學學科核心素養的重要內容。但是，結合我校學生實際，生物課程內容一般都比較緊張，平時也沒有實驗員的輔助，再加上學生大多數都會選擇文科，因而對生物課的學習積極性不高，而且對于生物膜結構的探究歷程也幾乎不會在學業水平考題中涉及，教師一般也不會花費太多的教學時間去探究這部分內容的教學。根據調查我校教師對這部分內容一般采取的教學方式是讀課本記住生物膜流動鑲嵌模型的基本內容，對它的探究歷程一度弱化處理，而這樣做的結果是只重結果不重過程，學生錯過了對這部分內容的深刻理解，教師也表示對這部分內容教學處理時“犯難”。通過此次活動高一年級組兩天四位教師四節課的展示交流，讓我們對這部分的教學方式更加明確，思路更加清晰。

1.2 教學設計

（1）教學目標

①利用課前準備的教學材料，在教師的引導下逐步構建生物膜的流動鑲嵌模型的物理模型（基于模型構建的科學思維）。

②結合構成膜的分子特點，說出膜的結構特點和功能特點（結構和功能相適應的生命觀念）。

③通過概念圖總結本節課的主要內容（基于歸納總結的科學思維）。

④通過分析探究歷程，引導學生認同科學探究的客觀艱辛和主觀能動，對學生的思維方式和學習進取精神產生積極的影響。

通過對生物膜流動鑲嵌模型的探究實驗的設計實驗結果的質疑，認同任一科學概念的提出都是合作的結果，也讓學生感受到科學探究過程的艱辛。

（2）課前準備

材料：教師可以和學生一起準備好做磷脂分子和蛋白質以及多糖和脂質模型的材料，可以是磁力紙、橡皮泥、便利貼，雞蛋殼、藥丸殼等。課前分好小組，上課按照學習小組就座。

（3）教學過程

①舊知導入

回顧細胞膜的功能，通過細胞膜的制備這一節可知細胞膜的主要成分，那么它們是怎樣構成細胞膜的，構成的膜又是怎樣的結構呢？

意圖：由結構與功能相適應的觀點引導學生思考細胞膜的結構組成。

②生物膜系統的結構

回顧生物膜系統的組成，關于細胞膜的結構是多位科學家通過多領域的合作得到的結果。通過科學家的研究發現其他生物膜的結構和細胞膜的結構基本相同，把這些膜的結構統稱為生物膜系統，把這一過程稱為生物膜系統的探究歷程。

意圖：通過教師闡述讓學生明白各種膜結構的統一性，以防在學生學習過程中存在：到底探究的是細胞膜的結構還是其他膜結構的疑問。

③生物膜系統的探究歷程

引導學生邊看課本內容邊根據各個小組準備的實驗材料逐步構建膜的物理模型。

意圖：通過教師引導，先是每個同學分別構建磷脂分子的結構，再分組合作構建磷脂分子在空氣水界面的分布，再結合實驗構建磷脂分子在細胞膜上的可能分布，結合實驗結果修正每個小組的模型，根據實驗結論構建蛋白質在細胞膜上的分布，最后通過資料補充膜上的糖脂和糖蛋白。再結合研究結果觀看生物膜的流動鑲嵌模型的動態圖示，利用概念圖的形式總結生物膜的流動鑲嵌模型的主要內容，總結膜的流動鑲嵌模型結構和特點。通過對膜研究新進展的諾貝爾獎獲獎情況引導學生認識到膜結構的研究還在動態進行中。通過模型構建讓學生逐步在修正中自己動手制作出膜的物理模型，再結合科學史不斷修正和完善模型的過程中認識到科學家的研究工作也是在探索中前進的，通過羅伯特森構建的蛋白質分布的呈現和相關生命現象的分析讓學生認識到科學家的研究結果也不是永遠正確的，有利于學生形成批判性思維。

本設計通過物理模型、概念模型的構建出膜的結構，結合細胞膜的功能認識到膜結構與功能相適應的觀念。在逐步修正中體驗科學研究方法和新技術對研究的推動作用。

④總結生物膜的結構

根據以上自己構建的生物膜的模型，構建概念圖；出示桑格和尼克森的總結并觀看動畫再次強化理解記憶。并且根據資料補充膜的結構還有糖蛋白、糖脂，補充其功能和糖蛋白的分布。

意圖：鞏固加強，通過動畫效果直觀呈現膜的流動特點。

（4）教學反思

本節課結合學生的實際情況，沿著科學家對生物膜結構的探究歷程逐步引導學生構建生物膜結構的物理模型和概念模型，通過小組構建模型的方式學生能夠合作探究，再逐步構建的過程中體會科學家探究的方法。最后隨著科學家的步伐，每個小組都逐步構建出了生物膜的流動鑲嵌模型，而最終在總結時通過概念圖的方式加深對流動鑲嵌模型的理解，通過這樣的教學設計能夠讓學生逐步加深對科學史內容的理解。更重要的是在生物學教學中，有很多類似科學史內容的教學，如DNA的分子結構等都可以借用本節課的教學模式。通過這節課的研討我們也發現了教師在平時教學中的一些細節問題，如，做磷脂分子的雙層排列時，內外側的磷脂分子數目應該一樣多，而有的教師沒有注意這個細節，那么這個模型需要教師注意，另外我們的學生做的模型有的比較粗糙，反映出學生存在不注重細節的不良習慣，這也需要教師在教學中注意引導，學生在構建模型的過程中出現的一些錯誤嘗試都成了珍貴的教學資源。

（5）利用模型建構法教學的主要內容和基本策略

①高中生物學教材中可用模型建構法教學的內容概要（見表1）

②這三節內容的教學策略分析

關于生物膜的流動鑲嵌模型和DNA的分子結構教學中都是課前轉杯實驗材料，課堂中沿著教師的引導逐漸構建分子結構，在試錯中不斷完善模型結構，結合自己制作的模型自己歸納總結分子結構特點，教師完善，最后利用概念圖的形式總結模型內容和特點，整體回顧本節課的主要內容?？傊?，這兩節內容都使用了模型建構法逐一突破難點，突出重點。具體策略是物理模型構建分子結構，概念模型總結本節主題，利用數學模型加深模型理解（如堿基互補配對的計算，一層膜由兩層磷脂分子構成）。對于DNA重組技術的模擬主要是通過用簡易的含堿基紙條、剪刀、膠帶，完成基因的剪切、粘貼，從而理解基因工程的過程和原理。

2 同位素標記法在高中生物教學中的應用研究

2.1 同位素標記法

課本中的同位素標記法是指通過追蹤同位素標記的化合物，弄清化學反應的詳細過程的方法，可用于追蹤物質的運行和變化規律，被標記的化合物性質不會發生變化。本實驗的目的是通過設計利用放射性同位素32P或非放射性同位素15N標記的方法探究DNA的復制方式理解同位素標記法的應用并對高中階段的同位素標記法進行總結深化。

2.2 探究DNA分子的復制

探究DNA分子的復制方式是通過實驗設計和實驗預測說出DNA分子的復制方式，教材提供的方法是同位素標記法，但是筆者發現在這一節課后學生對同位素標記法在這節課中的應用普遍都有疑問：為什么不通過檢測實驗結果中DNA的放射性來得出結論呢？很顯然存在這樣困惑的主要原因是同學們對同位素標記法的應用存在疑問。在本節課中筆者通過給學生給定實驗材料和實驗用具，根據學生的實驗設計解決學生的困惑，說明該方法的應用有效。

（1）實驗材料和實驗用具

大腸桿菌；含有32P的化學培養基；含有31P的化學培養基；含有15N的化學培養基；含有14N的化學培養基；帶有紅色（或綠色）熒光標記的核苷酸培養基；離心機；放射檢測裝置；熒光顯微鏡

根據所學知識，利用上述材料小組合作完成探究DNA分子復制方式的實驗設計，并預測各種方法可能的實驗預測結果，根據結果說明復制方式。

（2）給定材料設計意圖

本實驗設計所給材料中應該牽扯到兩類三種方法的檢測，但不是每種方法都合理，需要學生依次認真分析并辨析，最終根據自己已有的實驗設計方法和思路確定最佳合理的設計方案。

①同位素標記法

本實驗給定材料中給出了兩種可標記的同位素，其中一種是放射性同位素32P，另一種是非放射性同位素15N。

a.放射性同位素32P標記法

如果選擇用放射性同位素32P標記，則讓大腸桿菌復制1次和2次之后，分別離心后用放射檢測裝置檢測放射性，通過半保留和全保留復制預測應該如下。

結果預測：如為全保留復制，復制一次離心檢測放射性的結果為：有兩條帶，重帶有放射性。輕帶沒有放射性；兩代后的結果：3/4的輕帶和1/4的重帶，重帶有放射性，輕帶沒有。如為半保留復制則復制1次后離心檢測放射性結果應為：1條帶，為中帶，有放射性；復制兩次后：兩條帶，輕帶無放射性，中帶有放射性。

b.非放射性同位素15N 標記法

結果預測如課本。

②熒光標記法

先用紅色或綠色熒光標記的大腸桿菌分別在普通培養基培養一代和兩代，離心后檢測不同條帶的熒光標記情況無法辨別，因為本實驗原理是根據親子代DNA分子的質量不同進行區別的，如果是熒光標記無論哪種復制方式親子代DNA分子的質量沒有差異因此無法分辨，因此該方案被否定。

（3）方法分析

由實驗設計及預測可以看出用同位素標記法可行，而用熒光標記法無法辨別復制方式，而同位素標記法中的放射性標記和非放射性標記可以不通過放射性直接得出預測結果和結論，因此用放射性檢測技術實屬多余，讓學生通過這樣的設計深刻理解本設計的核心原理是通過復制一代和兩代之后的質量差異確定復制方式的，并通過這樣的設計讓學生還原了科學家在當時可能的思維過程及得出此設計方案的艱辛與科學家的科學精神，最重要的是通過“多余”的放射性同位素32P的標記法明白同位素標記法的兩種標記類型和應用特點，并對課本中已學過的同位素標記法應用歸類總結如表2。

3 基因在染色體上的設計思路

3.1 教學設計思路

先讓學生課前回顧孟德爾的遺傳定律中基因的行為變化及減數分裂過程中染色體的行為變化，找到兩者的存在方式、存在特點以及在體細胞中的存在及減數分裂中的存在特點，完成表格。

學生回顧舊知，概括歸納總結染色體和基因變化的相似性，說出兩者可能的關系。教師介紹類比推理法。初步得出基因在染色體上的推論。提出疑問：怎樣證明你的推論呢？對于微觀的基因要與宏觀的染色體聯系起來，用觀察等的方法是不可取的，應該設計實驗驗證推論，怎樣設計實驗呢？引導學生思考？這是一個較難的實驗設計，并且是遺傳學實驗，要隔代統計結果，由此教師引入科學家的探究足跡，分析摩爾根的實驗結果，以及控制眼色基因在染色體上可能存在的幾種情況。讓學生對每種結果進行推測并與摩爾根的實驗結果對應，對每種結果進行分析，最終得出其基因位于X染色體上的結論。為了驗證結論的可靠性，還應設計怎樣的實驗進行驗證？學生提出測交的實驗設計，教師分析哪種設計是合理的，告訴學生摩爾根也進行了測交實驗，并能夠驗證控制果蠅眼色的基因確實是位于X染色體上的。由此介紹科學家用同樣的方法發現了越來越多的基因是位于不同的染色體上的，最終的基因位于染色體上的結論。最后介紹現代科技將染色體與基因一一對應的方法，從而對孟德爾的遺傳定律重新解釋，體驗科學的探究過程。

3.2 實現各個維度核心素養的教學設計和分析

（1）生命觀念

通過得出基因在染色體上的結論，深刻理解生物的遺傳有一定的物質基礎，控制生物遺傳的是位于染色體上的一個個基因，并能從宏觀和微觀上把握基因和染色體的統一性，形成結構與功能相適應的觀點。

（2）科學思維

在學生完成課前表時，學生根據提示歸納總結出基因和染色體的共性，培養學生歸納總結的能力。在此基礎上引導學生得出基因和染色體的關系，提出基因是否在染色體上這樣的疑問，順勢探究基因到底在不在染色體上的科學探究，經典實驗再現，結合性染色體的研究給出控制果蠅眼色的基因可能在性染色體上的四種存在可能，依次對實驗結果分析，得出結論。

（3）科學探究

通過假說演繹的方法，體驗科學家在得出相關結論時的一般方法，重現科學探究的思路思維，幫助學生形成科學探究的思維習慣。

（4）社會責任

通過實驗探究得出了基因在染色體上，那么基因在染色體上是怎樣排列的呢？教師引導學生說出確定基因在染色體上的方法，讓學生感受科學技術的進步對科學發展的貢獻，從而引發學生關注生物技術的發展，了解科學技術發展與現實生活的聯系。