基于科學史素材與核心素養深度融合的教學設計

摘要：在“細胞膜結構”教學中，筆者將科學史與核心素養融合，通過教材的科學史素材，構建細胞膜流動鑲嵌模型，讓學生理解結構與功能的適應關系。借助演示、教具和科學探究，引導學生構建磷脂雙分子層與蛋白質模型，直觀展現細胞膜結構，發展科學思維和探究能力。同時，培養學生科學精神，敢于質疑和追求真理，為科學發展貢獻力量。

關鍵詞：科學史；情境創設；模型構建；核心素養

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

1教材內容及學情分析

1.1教材分析

本節內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“細胞膜的結構和功能”。“細胞膜結構”是本節內容的第二課時，教學重點是“細胞膜的成分和結構的探索”。在教材及其配套的資源中含有大量科學史素材，筆者在本節新課的設計中，基于教材中對細胞膜成分和結構探索的科學史素材創設大情境，貫穿于整節課的教學之中。

“細胞膜結構”的教學內容包括了細胞膜成分探索和細胞膜的流動鑲嵌模型結構探索兩大部分。本節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，以及如何體現結構與功能相適應的觀點是本節課的重點和難點。

1.2學情分析

學生通過對前一章內容的學習，已經初步認識了細胞，能夠很快進入到細胞膜結構和功能的學習中。然而，高一年級學生的邏輯思維與科學探究能力正處于發展階段，對于生物學知識的理解和應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構時，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，協助學生構建細胞膜成分與結構的直觀模型是本教學內容的核心挑戰。

2對照學科課程標準，分析課程內容

在“細胞膜結構”的教學內容中，教材配備資料補充了大量的科學史素材，教師可以根據教學需要進行使用。教師應清晰定位《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》，分析課程內容（見表1）。

3教學目標

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

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

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

（4）正確認識實驗技術手段的進步能夠促進科學的發展，認知到科學的發展離不開各行各業協同配合，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，創設教學情景

科學家曾用顯微注射器將伊紅注入變形蟲，發現紅色擴散但未溢出，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：細胞膜的結構是怎樣的？

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多種化學物質對植物細胞通透性的影響，發現溶于脂質的物質易進入細胞膜，而難溶于脂質的則不易。

學生此時則可以從科學家視角，根據物質相似相溶的原理和實驗的現象解釋膜的成分中可能含有脂質這一結論。

教師點評：當時歐文頓也得出一樣的結論，但這一結論只能叫“假說”。提出“假說”是科學探索中的科學方法，是根據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，發現細胞的表面張力明顯低于油一水界面的表面張力。當時人們已發現油脂滴表面如果吸附有蛋白質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，而通過雙縮脲試劑可以檢測蛋白質的存在。

教師總結：通過實驗探究，細胞膜的成分主要為脂質和蛋白質，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

教師可以創設實驗情境：假如有一個水槽，把磷脂分子放在水面上，在空氣水界面上，單層連續的磷脂分子應該怎樣分布？

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。學生展示模型，并對模型的構建的進行闡釋。

教師點評：根據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，應該出現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雙層排布？

學生回答：成團的磷脂分子水槽中，其內部有水，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，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分子必然排列為連續的兩層，和學生的解釋一致，說明假說成立。

4.4構建蛋白質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）利用超薄切片技術在電鏡下觀察到了清晰的細胞膜照片，顯示暗－明－暗三層結構，因為蛋白質的密度大于脂質的密度，所以兩邊的暗層是蛋白質分子，中間的亮層是脂質分子。羅伯特森因此提出假說“細胞膜都由蛋白質－脂質－蛋白質這樣的三明治結構組成”，他把細胞膜描述為對稱且靜態的統一結構。

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疑和爭議，認為那么，蛋白質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構的廬山真面目，從顯微圖片上可以看到蛋白質，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。

學生結合資料，思考總結出蛋白質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建

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

教師引導學生閱讀教材第43頁的相關內容，并總結人鼠細胞融合實驗。教師總結：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構？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。雙層磷脂排布構成了細胞膜的基本骨架，蛋白質分子可以嵌入、貫穿、鑲嵌在細胞膜上，且細胞膜具有流動性的結構特點。

教師引導學生根據細胞膜流動鑲嵌模型的基本內容，構建細胞膜的結構模型（見圖3）。

5.教學策略小結

5.1以科學史素材為情境貫穿整節進行教學內容的設計和實施

有關“細胞膜結構和功能”的內容，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構，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、外環境，控制物質進出，進行細胞間信息交流”功能的分子結構的微觀解釋，形成結構與功能相適應的生物學辯證觀點。

為了落實教學目標，培養學生的核心素養，教師在設計細胞結構這一教學內容時，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大情景，將獲得純凈細胞膜的實驗到膜成分及結構探索的實驗串聯起來，引導學生從科學家的視角回顧膜結構探究的歷程。學生從科學家身上學習到科研精神和結構與功能觀。

5.2通過設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“細胞膜結構和功能”一節內容中，引導學生通過細胞膜功能和結構的深入學習，形成結構與功能相統一的觀點，提升學生通過分析物質的結構，理解其性質和功能的抽象思維能力。因此，在設計教學內容時注重問題串的設計、學生批判性地構建模型、親身活動體驗和教師的可持續評價等環節。教師通過問題串去啟發小組合作討論回答問題，構建模型，形成構建細胞膜成分和結構的知識框架，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構，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，激發學習熱情。筆者制作了磷脂分子、蛋白質分子及多糖的卡片，用于認識磷脂分子結構和構建細胞膜模型。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展貢獻自己的力量，從而落實社會責任。