基于科學史素材與核心素養(yǎng)深度融合的教學設(shè)計

摘要：在“細胞膜結(jié)構(gòu)”教學中，筆者將科學史與核心素養(yǎng)融合，通過教材的科學史素材，構(gòu)建細胞膜流動鑲嵌模型，讓學生理解結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)關(guān)系。借助演示、教具和科學探究，引導學生構(gòu)建磷脂雙分子層與蛋白質(zhì)模型，直觀展現(xiàn)細胞膜結(jié)構(gòu)，發(fā)展科學思維和探究能力。同時，培養(yǎng)學生科學精神，敢于質(zhì)疑和追求真理，為科學發(fā)展貢獻力量。

關(guān)鍵詞：科學史；情境創(chuàng)設(shè)；模型構(gòu)建；核心素養(yǎng)

文章編號：1003-7586（2024）05-0012-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1教材內(nèi)容及學情分析

1.1教材分析

本節(jié)內(nèi)容是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》（以下簡稱“教材”）第3章第1節(jié)“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”。“細胞膜結(jié)構(gòu)”是本節(jié)內(nèi)容的第二課時，教學重點是“細胞膜的成分和結(jié)構(gòu)的探索”。在教材及其配套的資源中含有大量科學史素材，筆者在本節(jié)新課的設(shè)計中，基于教材中對細胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索的科學史素材創(chuàng)設(shè)大情境，貫穿于整節(jié)課的教學之中。

“細胞膜結(jié)構(gòu)”的教學內(nèi)容包括了細胞膜成分探索和細胞膜的流動鑲嵌模型結(jié)構(gòu)探索兩大部分。本節(jié)中細胞膜流動鑲嵌模型的探索和探討和建立細胞膜模型的過程，以及如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點是本節(jié)課的重點和難點。

1.2學情分析

學生通過對前一章內(nèi)容的學習，已經(jīng)初步認識了細胞，能夠很快進入到細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的學習中。然而，高一年級學生的邏輯思維與科學探究能力正處于發(fā)展階段，對于生物學知識的理解和應(yīng)用能力尚需進一步加強。尤其當面對細胞膜這一既微觀又復雜的結(jié)構(gòu)時，學生往往因其抽象性而感到困惑。因此，如何采用高效的教學策略，協(xié)助學生構(gòu)建細胞膜成分與結(jié)構(gòu)的直觀模型是本教學內(nèi)容的核心挑戰(zhàn)。

2對照學科課程標準，分析課程內(nèi)容

在“細胞膜結(jié)構(gòu)”的教學內(nèi)容中，教材配備資料補充了大量的科學史素材，教師可以根據(jù)教學需要進行使用。教師應(yīng)清晰定位《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中水平三和水平四的差別，避免將高三層次級的要求下移到高一，追求“一步到位”。這就需要教師對照《課程標準》，分析課程內(nèi)容（見表1）。

3教學目標

（1）借助圖文結(jié)合的方式回顧探索細胞膜成分和結(jié)構(gòu)的科學史過程，通過建立細胞膜流動鑲嵌模型的一系列實驗說出結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，并準確描述細胞膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，加強對結(jié)構(gòu)與功能觀的理解，發(fā)展生命觀念。

（2）運用細胞膜成分結(jié)構(gòu)探究的科學史情境，巧設(shè)問題，設(shè)計恰當可行的實驗方案，探究細胞膜的基本骨架，構(gòu)建磷脂雙分子層的模型，培養(yǎng)科學探究能力。

（3）基于科學史素材給出的事實證據(jù)，歸納概括細胞膜流動鑲嵌模型的內(nèi)容并進行評價，訓練科學思維。

（4）正確認識實驗技術(shù)手段的進步能夠促進科學的發(fā)展，認知到科學的發(fā)展離不開各行各業(yè)協(xié)同配合，更離不開每個時代學者的共同努力，從而落實社會責任。

4課堂實錄，片段展示

4.1以科學實驗導入教學，創(chuàng)設(shè)教學情景

科學家曾用顯微注射器將伊紅注入變形蟲，發(fā)現(xiàn)紅色擴散但未溢出，得出了細胞膜的完整性。教師模仿此實驗，用雞蛋的卵細胞（即蛋黃）代替變形蟲。蛋黃表面有蛋黃膜，即細胞膜，雖不可見但真實存在。若用注射器將紅墨水注入蛋黃，膜完整時紅墨水不溢出；膜破裂后，紅墨水則會溢出（見圖1）。教師提問：細胞膜的結(jié)構(gòu)是怎樣的？

4.2依托科學史為情境，進行細胞膜成分的探究

教師利用多媒體展示四種細胞，分別是哺乳動物的成熟紅細胞、口腔上皮細胞、植物細胞、細菌。教師問學生認為利用哪種細胞能制得較純凈的細胞膜。

學生通過閱讀教材、猜想及討論回答哺乳動物的成熟紅細胞。教師說明植物細胞和細菌有細胞壁的保護，很難讓其破裂；口腔上皮細胞有核膜和眾多的細胞器膜，得不到純凈的細胞膜，哺乳動物成熟紅細胞中沒有細胞壁、細胞核和眾多細胞器。教師講述科學家讓紅細胞吸水漲破，利用離心的方法獲得較為純凈的細胞膜。

教師利用多媒體展示展示歐文頓（E.Overton）在1895年的實驗：他測試了500多種化學物質(zhì)對植物細胞通透性的影響，發(fā)現(xiàn)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)易進入細胞膜，而難溶于脂質(zhì)的則不易。

學生此時則可以從科學家視角，根據(jù)物質(zhì)相似相溶的原理和實驗的現(xiàn)象解釋膜的成分中可能含有脂質(zhì)這一結(jié)論。

教師點評：當時歐文頓也得出一樣的結(jié)論，但這一結(jié)論只能叫“假說”。提出“假說”是科學探索中的科學方法，是根據(jù)已有的知識和信息提出解釋上述的生物學問題，再用進一步的觀察和實驗對已建立的假說進行修正和補充。

教師接著展示材料：1935年，英國學者丹尼利（J.F.Danielli）和戴維森（H.Davson）研究了細胞膜的表面張力，發(fā)現(xiàn)細胞的表面張力明顯低于油一水界面的表面張力。當時人們已發(fā)現(xiàn)油脂滴表面如果吸附有蛋白質(zhì)成分則表面張力會降低，因此通過上述資料可推測細胞膜可能含有蛋白質(zhì)，而通過雙縮脲試劑可以檢測蛋白質(zhì)的存在。

教師總結(jié)：通過實驗探究，細胞膜的成分主要為脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，除此之外還有少量糖類。

4.3細胞膜基本支架——磷脂雙分子層的物理模型

教師可以創(chuàng)設(shè)實驗情境：假如有一個水槽，把磷脂分子放在水面上，在空氣水界面上，單層連續(xù)的磷脂分子應(yīng)該怎樣分布？

教師提問：組成細胞膜的成分是怎樣形成細胞膜的，教師引導學生根據(jù)磷脂分子的特點（磷脂的頭部是親水的，尾部是疏水的，且它的密度小于水的特性），利用手中的模型，推測并制作磷脂在水和空氣的接觸界面上的形態(tài)。學生展示模型，并對模型的構(gòu)建的進行闡釋。

教師點評：根據(jù)磷脂的頭部是親水的，尾部是疏水的，且它的密度小于水的特性，應(yīng)該出現(xiàn)的情況是親水頭部完全浸沒在水中，疏水尾部在空氣之中。

教師追問：如果將磷脂分子至于水一苯混合溶液，磷脂分子將會如何分布？此時學生則可以舉一反三，得出磷脂分子的“頭部”將與水接觸，“尾部”與苯接觸，磷脂分子分布成單層。

教師繼續(xù)提問：如果用玻璃棒攪拌一下，將磷脂分子攪拌到水中，此時磷脂分子就會積聚成團，此時成團的磷脂分子又是怎樣排布的？

教師引導：請學生根據(jù)磷脂分子的特點，利用手中的模型，推測并擺出磷脂在水中的排布方式（見圖2）。

教師追問：磷脂分子為什么會呈現(xiàn)雙層排布？

學生回答：成團的磷脂分子水槽中，其內(nèi)部有水，外部也有水，因其頭部親水，尾部疏水，只能是雙層排列才合理。

教師點評：學生的解答是一種假說，需要通過實驗進行驗證。1925年，兩位荷蘭科學家用丙酮從人的成熟紅細胞中提取脂質(zhì)，在空氣水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積剛好為紅細胞表面積的兩倍。由此他們得出細胞膜中的脂質(zhì)分子必然排列為連續(xù)的兩層，和學生的解釋一致，說明假說成立。

4.4構(gòu)建蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中的分布模型

教師展示：1959年，羅伯特森（J.D.Robertson）利用超薄切片技術(shù)在電鏡下觀察到了清晰的細胞膜照片，顯示暗－明－暗三層結(jié)構(gòu)，因為蛋白質(zhì)的密度大于脂質(zhì)的密度，所以兩邊的暗層是蛋白質(zhì)分子，中間的亮層是脂質(zhì)分子。羅伯特森因此提出假說“細胞膜都由蛋白質(zhì)－脂質(zhì)－蛋白質(zhì)這樣的三明治結(jié)構(gòu)組成”，他把細胞膜描述為對稱且靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

教師提問：三明治模型與膜的功能多樣性相矛盾。比如細胞的生長、變形蟲的運動等現(xiàn)象都不好解釋。因此這個模型在20世紀60年代以后遭到了許多科學家的質(zhì)疑和爭議，認為那么，蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中是怎樣分布的？

教師提供資料：科學家利用冰凍蝕刻電子顯微法，終于觀察到了細胞膜結(jié)構(gòu)的廬山真面目，從顯微圖片上可以看到蛋白質(zhì)，有的嵌入磷脂雙分子層中，有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的貫穿于整個凝脂雙分子層。

學生結(jié)合資料，思考總結(jié)出蛋白質(zhì)在細胞膜中的分布是不對稱的，其嵌入、貫穿于磷脂雙分子層中。

4.5細胞膜流動鑲嵌模型的構(gòu)建

教師提問：1970年科學通過實驗證明膜上的大部分蛋白質(zhì)是可以運動的，該實驗是如何進行的？

教師引導學生閱讀教材第43頁的相關(guān)內(nèi)容，并總結(jié)人鼠細胞融合實驗。教師總結(jié)：至此，羅伯特森的三明治模型完全被否定，那么細胞膜究竟是怎樣的結(jié)構(gòu)？1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出了流動鑲嵌模型，并被人們所接受。雙層磷脂排布構(gòu)成了細胞膜的基本骨架，蛋白質(zhì)分子可以嵌入、貫穿、鑲嵌在細胞膜上，且細胞膜具有流動性的結(jié)構(gòu)特點。

教師引導學生根據(jù)細胞膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，構(gòu)建細胞膜的結(jié)構(gòu)模型（見圖3）。

5.教學策略小結(jié)

5.1以科學史素材為情境貫穿整節(jié)進行教學內(nèi)容的設(shè)計和實施

有關(guān)“細胞膜結(jié)構(gòu)和功能”的內(nèi)容，教材先是介紹細胞膜的功能，再以大量的科學史素材探究其結(jié)構(gòu)，引導學生從直觀的功能人手，再尋求匹配細胞膜“分隔細胞內(nèi)、外環(huán)境，控制物質(zhì)進出，進行細胞間信息交流”功能的分子結(jié)構(gòu)的微觀解釋，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學辯證觀點。

為了落實教學目標，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，教師在設(shè)計細胞結(jié)構(gòu)這一教學內(nèi)容時，充分利用教材和配套的教學資源中涉及的科學史素材刨設(shè)大情景，將獲得純凈細胞膜的實驗到膜成分及結(jié)構(gòu)探索的實驗串聯(lián)起來，引導學生從科學家的視角回顧膜結(jié)構(gòu)探究的歷程。學生從科學家身上學習到科研精神和結(jié)構(gòu)與功能觀。

5.2通過設(shè)計問題串和度時有效的評價來提升學生科學思維的能力

教師在“細胞膜結(jié)構(gòu)和功能”一節(jié)內(nèi)容中，引導學生通過細胞膜功能和結(jié)構(gòu)的深入學習，形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點，提升學生通過分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，理解其性質(zhì)和功能的抽象思維能力。因此，在設(shè)計教學內(nèi)容時注重問題串的設(shè)計、學生批判性地構(gòu)建模型、親身活動體驗和教師的可持續(xù)評價等環(huán)節(jié)。教師通過問題串去啟發(fā)小組合作討論回答問題，構(gòu)建模型，形成構(gòu)建細胞膜成分和結(jié)構(gòu)的知識框架，在該過程中提升學生的科學探究能力和科學思維能力。

5.3借助教具和充實的學生活動突破重難點

學生難理解細胞膜微觀結(jié)構(gòu)，需借助直觀教具。課堂導入用未受精雞蛋的蛋黃引入，讓學生直觀感受膜的存在，激發(fā)學習熱情。筆者制作了磷脂分子、蛋白質(zhì)分子及多糖的卡片，用于認識磷脂分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)建細胞膜模型。教學中，借助教具抓住學生思維的閃光點，突破重難點，如磷脂雙分子層模型的構(gòu)建，通過追問引導學生理解磷脂分子排列，最終得出細胞膜基本骨架是磷脂雙分子層。

在活動中還能讓學生理解科學探究的不易和科學家為追蹤真理不懈努力的科學精神，引導學生努力學習并為科學發(fā)展貢獻自己的力量，從而落實社會責任。