綜合運(yùn)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)史和模型構(gòu)建法

潘龍龍 辛光珠

摘要 闡述了運(yùn)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)史和模型構(gòu)建法相結(jié)合的模式進(jìn)行“生物膜”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，通過兩種方法的結(jié)合，既使學(xué)生更有效地掌握本節(jié)的主要內(nèi)容，理解生物膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，又培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)造性思維和模型構(gòu)建等科學(xué)思維，為培養(yǎng)和提高學(xué)生生物核心素養(yǎng)的途徑提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 科學(xué)實(shí)驗(yàn)史 模型構(gòu)建法 教學(xué)設(shè)計(jì) 生物學(xué)核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“生物膜的流動(dòng)鑲嵌型模型”是人教版高中生物學(xué)教材《必修1*分子與細(xì)胞》第四章“物質(zhì)輸入與輸出”中的第二節(jié)。這一節(jié)內(nèi)容是學(xué)生認(rèn)知細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分，在本章中占有重要地位。另外，學(xué)生只要掌握生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的主要內(nèi)容，才能正確理解細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，為以后學(xué)習(xí)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞酱蛳禄A(chǔ)，也為理解光合作用和呼吸作用等重要的生理過程做鋪墊，因此本節(jié)內(nèi)容在整本教材中也有重要的意義。本節(jié)課中科學(xué)史較多，又涉及生物膜的微觀結(jié)構(gòu)，如何高效運(yùn)用科學(xué)史對(duì)于學(xué)生掌握本節(jié)知識(shí)有重要作用，因此筆者采用科學(xué)史和模型構(gòu)建法相結(jié)合進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)。在講解過程中，教師通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)史的展示，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建生物膜的基本組成，再逐步引領(lǐng)學(xué)生自主構(gòu)建生物膜的流動(dòng)鑲嵌型，將抽象的問題具體化，從而突破教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，幫助學(xué)生理解和內(nèi)化生物膜流動(dòng)鑲嵌型模型的基本內(nèi)容。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）說(shuō)出生物膜的主要成分，闡述生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容，理解生物膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。（2）自主構(gòu)建生物膜的流動(dòng)鑲嵌型模型，培養(yǎng)和提高學(xué)生構(gòu)建模型和創(chuàng)造性思維的科學(xué)思維。（3）發(fā)揮想象和團(tuán)隊(duì)合作，分組討論，提高學(xué)生的合作探究意識(shí)。

3 教學(xué)過程

3.1 問題導(dǎo)入

師生共同回顧上一課的主要內(nèi)容，教師提出以下問題：為什么生物膜能夠控制物質(zhì)的進(jìn)出？生物膜具有什么樣的結(jié)構(gòu)才能控制物質(zhì)進(jìn)出？科學(xué)家如何探索生物膜的結(jié)構(gòu)？

設(shè)計(jì)意圖：通過回顧上一節(jié)課內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)習(xí)更加連貫;然后，再通過3個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極思考，帶著問題學(xué)習(xí)本節(jié)的內(nèi)容，同時(shí)也將本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)巧妙地展示出來(lái)，提高教學(xué)的針對(duì)性。

3.2 學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)史

教師利用PPT展示的科學(xué)實(shí)驗(yàn)史，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)史的基本內(nèi)容，并利用思維導(dǎo)圖歸納和概括生物膜探索過程。教師強(qiáng)調(diào)在構(gòu)建過程中注意科學(xué)家與其對(duì)應(yīng)的假說(shuō)（圖1）。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)史一：19世紀(jì)，歐文頓曾用500多種化合物對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：凡是可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。于是，他提出：膜是有脂質(zhì)組成的。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)史二：20世紀(jì)初，科學(xué)家將哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞中分離出來(lái)，化學(xué)分析表明，膜的主要成分是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。1925年，兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，在空氣一水界面鋪成單層細(xì)胞，測(cè)得單分子層的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍，由此得出結(jié)論：細(xì)胞膜中的脂質(zhì)為連續(xù)的兩層。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)史三：1959年，羅伯特森在電鏡下看到了細(xì)胞膜清晰的暗一亮一暗的三層結(jié)構(gòu)，提出生物膜的模型：所有的生物膜都是由蛋白質(zhì)一脂質(zhì)一蛋白質(zhì)三層構(gòu)成，而且為靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)史四：1970年，科學(xué)家用發(fā)綠色熒光的染料標(biāo)記小鼠的細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用紅色的染料標(biāo)記人細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，將小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合。這兩種細(xì)胞剛?cè)诤蠒r(shí)，融合細(xì)胞一半發(fā)綠色熒光，另一半發(fā)紅色熒光。在37℃下經(jīng)過40 min，兩種顏色的熒光均勻分布。這一實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)的其他實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

教師將學(xué)生分成小組，由學(xué)生自主構(gòu)建生物膜的流動(dòng)鑲嵌型模型，強(qiáng)調(diào)在構(gòu)建過程中注意要根據(jù)科學(xué)研究的結(jié)果提出假說(shuō)，再用科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說(shuō)的思路。

師生共同討論學(xué)生構(gòu)建的四個(gè)典型的生物膜模型圖（圖2），發(fā)現(xiàn)圖A、C、D磷脂分子跟B的排布明顯不同。教師設(shè)問：這四個(gè)圖中到底哪個(gè)是正確的呢？學(xué)生討論，教師提示學(xué)生：細(xì)胞生活在以水為主的環(huán)境中，根據(jù)磷脂分子的特性（親水頭部和疏水尾部）進(jìn)行構(gòu)建模型。最終，師生共同得出圖B為正確的結(jié)構(gòu)模型。

設(shè)計(jì)意圖：通過科學(xué)史的學(xué)習(xí)，掌握生物膜的基本模型，然后通過利用磷脂分子的特性，自主構(gòu)建模型，培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建能力。另外，通過這一環(huán)節(jié)使學(xué)生將微觀問題宏觀化，抽象問題具體化，更加有利于學(xué)生理解生物膜的流動(dòng)鑲嵌型模型的基本內(nèi)容。

3.3 運(yùn)用思維導(dǎo)圖，總結(jié)本節(jié)課內(nèi)容

教師展示生物膜的結(jié)構(gòu)模型示意圖，師生共同以思維導(dǎo)圖的形式歸納和概括細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌型模型的主要內(nèi)容（圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：通過圖片，使抽象問題具體化，將微觀的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)宏觀化，有利于學(xué)生理解生物膜的基本結(jié)構(gòu)。教師再利用思維導(dǎo)圖，再次歸納和概括本節(jié)課的內(nèi)容，有利于學(xué)生記憶和理解教材知識(shí)點(diǎn)，也為將來(lái)應(yīng)用和遷移知識(shí)點(diǎn)做準(zhǔn)備。

3.4 布置課外探究，制作生物膜流動(dòng)鑲嵌型實(shí)物模型

教師布置課外作業(yè)：嘗試制作生物膜流動(dòng)鑲嵌型模型的實(shí)物模型（圖4），再次使學(xué)生理解和掌握基本內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖：通過課外作業(yè)將課堂內(nèi)容延伸到課堂外，使學(xué)生內(nèi)化知識(shí)。此外，通過制作實(shí)物模型，既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，也培養(yǎng)了學(xué)生模型構(gòu)建能力。

4 教學(xué)反思

通過科學(xué)史和模型構(gòu)建法相結(jié)合的方式進(jìn)行本節(jié)課教學(xué)，不僅使學(xué)生對(duì)于教材知識(shí)有了更加牢固的理解和掌握，也幫助學(xué)生理解了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。此外，通過自主構(gòu)建生物膜的流動(dòng)鑲嵌型模型的過程，使學(xué)生既學(xué)習(xí)了科學(xué)史，又升華了科學(xué)史的基本思路和方法，使學(xué)生更好地領(lǐng)悟科學(xué)研究的基本過程和科學(xué)方法，培養(yǎng)了學(xué)生構(gòu)建模型及創(chuàng)造性思維的科學(xué)思維，為全面培養(yǎng)和提高學(xué)生的生物核心素養(yǎng)提供了途徑。因此，在教學(xué)過程中，教師如何深度挖掘教材，在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，如何才能更高效進(jìn)行教材知識(shí)的講解和學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，也將是今后課堂教學(xué)中探索的方向。