基于“問題串”的高中生物科學史教學分析

陳亞榮 康公平 羅充

【摘要】《普通高中生物學課程標準》2017年版中提到，目前教學的首要任務是對學生必備的品格和關鍵的能力培養。而基于“問題串”的科學史教學，是對學生滲透品德教育的較好方式，實現生物核心素養的最佳素材。因此，以人教版中“生物膜的流動鑲嵌模型”一節為例，闡述基于“問題串”的科學史在高中生物教學中的作用。為國內實現核心素養的教學提供新素材以及為一線教師科學史教學提供一些參考意見。

【關鍵詞】問題串；科學史；膜的流動鑲嵌模型；教學分析

生物學科是自然科學中一門基礎學科。生物學與其他自然科學相比，有自己的特點，它不僅含有豐富的基礎知識，也包括前人認識自然和發現規律的一些思維方式和探索過程。把科學史引入到生物學教學中，將科學家探索自然的思維、方法及精神融入到情節跌宕起伏的實例及感動人心的生物科學史資料中。能夠讓學生真正地領悟科學家活躍的思維及嚴謹的科學態度，靈活的科學方法。同時，也能用科學家的精神，影響學生的品德，鍛煉他們的能力。把問題串引入到科學史教學中，通過層層設疑。能夠讓學生對每節的內容能有清晰的認識，更深刻地理解其正在探究的問題，透徹每個問題的內在含義，構建一個完整的知識體系。《普通高中生物學課程標準》2017年版提到，教師教學的核心不僅僅是傳授基本的知識，更重要的是對學生必備的品格和關鍵的能力的培養。而且《普通高中生物課程標準（實驗）》也提到：“生物課程標準實施中的核心任務是提高每個高中學生的生物科學素養。生物科學素養指公民參加社會生活、經濟活動、生產實踐和個人決策所需的生物科學知識、探究能力及相關的情感態度與價值觀。因此，為了響應課標的要求，培養社會需要的人才，進行“問題串”的科學史教學很有必要，也是對學生進行品德和能力培養的有效途徑。

一、教學背景

（一）教材分析

《生物膜的流動鑲嵌模型》選自人教版高中生物必修1第四章細胞的物質輸入和輸出第二節的內容。在章節設置上，承接第一節的內容，也是物質跨膜運輸方式的基礎。在內容設置上，學生已經學習了細胞膜的成分及功能，對細胞的各個結構也有大致的了解，對細胞膜的功能也比較感興趣。在物質跨膜運輸的實例學習中，知道細胞膜具有選擇透過性；在這此基礎上繼續進行生物膜結構的探索，為后面“物質跨膜運輸的方式”的學習做鋪墊，起著承上啟下的作用。

（二）學情分析

《生物膜的流動鑲嵌模型》授課對象為高中一年級學生。正處在初中和高中的過渡期及高中生活的適應期，思想活躍，對新鮮的事物比較感興趣。而且，經過半學期的學習，學生已經有了一定的知識累積，對細胞基本結構有一定的認識。同時已學習了細胞中的生物大分子，具有一定的前科學概念。有一定的邏輯思維能力和語言表達能力。但是，掌握的很多知識斗是片面的，零散的。而且，生物膜的結構是一種微觀形態，學生不易理解。需要教師在教學中進行引導，以構建一個完整的知識體系。

二、教學目標

1.生命觀念———闡明生物膜流動鑲嵌模型的基本內容。

2.科學探究———分析科學家建立生物膜型的過程，嘗試構建生物膜流動鑲嵌模型。

3.理性思維———描述生物膜探究的過程，掌握科學探究方法和建立科學探究思維。

4.社會責任———體驗生物膜的探究歷程，形成科學求真意識和批判性精神。

三、教學重難點

1.重點：流動鑲嵌模型的基本內容

2.難點：構建生物膜流動鑲嵌模型

四、教學過程

（一）創設問題情境，激發學習興趣

首先，展示動畫。細胞膜能選擇性通過物質。從物質跨膜運輸的實例可以看出，生物膜對物質進出細胞是由選擇性的。讓學生思考以下的問題：（1）為什么生物膜能夠控制物質的進出？（2）這與生物膜的結構有什么關系？講解：當年科學家正是懷著對物質跨膜運輸現象產生的疑問，開始探索生物膜的結構。其次，設計意圖。創設問題情境，調動學生探索生物膜結構的興趣；然后，通過細胞膜的結構與功能相適應特點，導入新課。

（二）講授新課，穿越歷史，層層設問

1.細胞膜成分的探索

首先，提出問題，要知道細胞膜的結構呢，首先要知道細胞膜的組成成分。

展示資料1：19世紀末，歐文頓用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行上萬次實驗，發現細胞膜對不同物質的通透性不一樣：發現凡是可以溶于脂質的物質，比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞。

問題設置：如果你是歐文頓，你能推測出什么樣的結論？你做出這樣推測的依據是什么？

學生由此資料得出并推測的結論：膜是由脂質組成的。推測的依據，根據學過的化學知識，相似相溶原理，溶于脂質的物質易于通過細胞膜進入細胞，所以細胞膜是由脂質構成的。

其次，細胞膜的成分到底是不是脂質呢？

展示資料2：到了20世紀初，科學家第一次將膜從哺乳動物的成熟紅細胞中分離出來。通過化學分析表明，膜的主要成分是脂質和蛋白質。脂質中國主要的成分是磷脂，展示磷脂分子的結構圖（圖1）介紹磷脂是一種由甘油，脂肪酸構成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。

問題設置：根據磷脂分子的特性，如果在空氣———水界面上鋪展排列。磷脂會排列成什么樣子的呢？

最后，學生依據資料思考、總結出，磷酸“頭”部因為有磷酸基團，是親水，尾部是疏水的脂肪酸。因此，磷脂在空氣———水界面排列的方式為磷脂的頭部在空氣———水界面的下端，尾部在上端。

接著提出問題，磷脂分子在細胞膜上是怎么排列的呢？

設計意圖：通過資料和問題串的設置，培養學生資料分析總結能力，鍛煉學生的科學思維能力，響應課標的要求。

2.細胞膜結構的探索

展示資料3：1925年，兩位荷蘭科學家用丙酮從人的紅細胞中提取出脂質，在空氣———水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍。

進行問題設置：既然脂質單分子層的面積是紅細胞表面積的2倍，那說明脂質在細胞膜中有幾層？在細胞膜上又是怎樣排列的呢？

學生由此資料得出，細胞膜中的脂質排列為連續的兩層。排列方式為尾部相對，頭部親水。

讓學生自主構建磷脂雙分子層的模型。講解模型建構的原理。

提出設問：除了脂質外，蛋白質也是細胞膜的成分，那么，蛋白質位于細胞膜的什么位置呢？

展示資料4：構成蛋白質的氨基酸的側鏈基團，有的疏水，有的親水。若蛋白質外圍都是親水基團，疏水基團藏與內部，則該蛋白質親水；若蛋白質外圍都是疏水基團，親水基團藏于內部，則該蛋白質疏水；有的蛋白質部分親水，部分疏水。

提出問題設疑：請大家大膽猜測細胞膜中蛋白質分子在空間上可能如何分布？

根據資料學生討論：若蛋白質外圍都是親水基團，疏水基團藏與內部，蛋白質分布在膜的表面；若蛋白質外圍都是疏水基團，親水基團藏與內部，蛋白質分布在膜的內部；若蛋白質部分親水，部分疏水，此蛋白質鑲嵌在細胞膜上。

再繼續提出問題，這是根據蛋白質特性猜測的位置，事實是這樣嗎？

展示資料5：電子顯微鏡誕生后，1959年羅伯特森利用超薄切片技術在電鏡下看到了細胞膜清晰的暗—明—暗的三層結構。他結合其他科學家的工作，大膽的提出了生物膜的模型：所有的生物膜都有蛋白質———脂質———蛋白質三層結構構成。在電鏡下看到的中間亮層是脂質分子，兩邊的暗層是蛋白子分子。

進行問題設疑：我們猜測的結果與羅伯特森提出的有些不同，誰錯了？

陳述：隨著科學技術的不斷發展，大量的實驗結果證明我們猜測的位置結構是正確的。有的蛋白質分布在膜的表面，有的分布在膜的內部，甚至有些蛋白質鑲嵌在細胞膜上。除此之外羅伯特森認為細胞膜是靜態的統一結構。

進行問題設置：細胞膜是靜態的統一結構，那細胞的生長，或者是變形蟲的運動怎么解釋呢？

基于以上的疑問，在1970年，有科學家做了這樣的實驗。

設計意圖：通過幾則資料，有層次呈現膜結構的特點，給學生一步步構建細胞膜的結構，在資料中聯系化學知識，讓學生體會各學科之間交叉，利用模型建構的方法，把微觀世界宏觀化，是一種科學研究方法的教育。

3.細胞膜性質的探索

展示資料6：1970年，科學家用綠色熒光的染料標記小鼠細胞表面的蛋白質分子，用發紅光色熒光的染料標記人細胞表面的蛋白質分子。將小鼠細胞和人細胞融合，這兩種細胞剛融合時，融合細胞的一般發綠色熒光，一半發紅色熒光。在37℃下經過40min，兩種顏色的熒光均勻分布。

問題設置：從實驗的現象中說明細胞膜的結構具有什么特征？

依據資料，學生總結出：細胞膜不是靜止結構，具有流動性，因此兩種細胞能夠融合。變形蟲的運動及細胞的生長，都是基于這個特性。

1972年桑格和尼克森提出流動鑲嵌模型。

設計意圖：通過資料的給出，學生認同細胞膜的結構與功能相適應的特點，加深對膜結構的的印象。

4.總結主干知識至此，學生通過問題串的科學史，探究出細胞膜的成分有蛋白質和脂質。脂質為連續的兩層，蛋白質分布在膜的表面，膜的內部以及鑲嵌在細胞膜上中，且細胞膜具有流動性。

五、教學反思

本節課的教學是基于“問題串”的科學史為主線，通過問題串，學生理清本節課的思路以及知曉每個資料間的關聯，從而更好地構建生物膜的流動鑲嵌模型。學生主動思考，討論，并提出問題，轉被動為主動學習方式，提高了學生的科學思維能力。通過每個問題的表達，鍛煉學生的語言表達能力。同時把科學史串聯，讓學生深刻認識到科學發展是集很多科學家的專業知識及智慧實現的。通過科學史，也是對學生滲透品德教育的較好方式，實現生物核心素養的很好素材。課堂反饋顯示，學生的參與活動的積極性很高，課堂氣氛和諧而融洽，對每個材料反映的科學信息很明確，能夠主動地構建生物膜的流動鑲嵌模型。

參考文獻

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[4]中華人民共和國教育部制定.普通高中生物課程標準（實驗）[M].北京：北京師范大學出版社，2003.

作者簡介：陳亞榮（1991—），女，苗族，在讀研究生，研究方向：學科教學（生物）。