高中生物基于模型建構的深度學習

摘要：通過在實踐與思考中培養學生的科學思維能力和解決問題能力，從而實現深度學習.本文以新人教版教材高中生物學必修1第三章第1節中“對細胞膜成分的探索”為例，聚焦“細胞膜中磷脂分子的結構”這一知識點，提供研究背景資料，依托“提出假說”和“模型建構”兩種科學研究方法，引導學生對細胞膜中磷脂分子結構進行深度思考.

關鍵詞：模型建構；提出假說；深度學習

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）27-0134-03

深度學習是在學生對原有知識淺層次理解的基礎上，教師通過引導、設問、啟發等方法，使學生對所學問題實現深入思考的過程［1］.模型建構是高中生物課常用的教學方法，通過學生自主建模可以將抽象的知識內容以模型的形式直觀展現出來.通過建構概念模型來實現學生對于核心概念的深度理解，實現從低階思維能力的淺層學習到高階思維能力的深度學習［2］.

1基于深度學習的教學設計思路

1.1深度學習教學目標指向學生生物學核心素養的培養

本節課分析細胞膜組成成分與結構的關系，使學生明確細胞膜結構與功能相適應，體現了生命觀念中的結構與功能觀.通過提供科學史資料和自制教具，引導學生提出合理假說，并通過背景資料和已有知識分析假說是否成立，使學生真正實現自主探究過程.最終學生建構出“磷脂雙分子層”物理模型，充分體現了“模型與建模”的科學思維和科學探究的核心素養.本節課使用的教具為廢舊物品自制，充分體現了廢物利用的環保理念，有利于培養學生的社會責任.

1.2基于模型建構的深度學習教學設計思路

教師圍繞“細胞膜中磷脂分子結構的具體排列”這一知識點，以科學史資料為研究背景，以情景化的問題解決為導向.學生通過小組合作、批判評價等方式，自主建構出細胞膜磷脂雙分子層物理模型，為后續學習“流動鑲嵌模型”打下基礎.

新教材在“細胞膜的結構和功能”這節課的教材編排上增設了更加豐富的探究科學史資料，為同學們的探究學習提供了更加豐富的資料.在對細胞膜結構的探索過程中，本節課以“組成細胞膜的多個磷脂分子的具體排列方式”這一知識點為切入點.利用小組探究建構物理模型，小組討論分析所得模型是否合理并提出假說，從而實現學生發生深度學習的教學目標（如圖1）.

2融入深度教學理念的教學活動過程

通過科學史的學習，學生已經了解細胞膜的成分主要是磷脂和蛋白質，對于磷脂分子的結構以及細胞膜中多個磷脂分子的排列結構很感興趣，并提出多種存在的可能.本教學活動設計思路旨在解決學生心中對于上述問題的疑惑，引導學生進行深度思考，以期實現深度學習的目標.

2.1由簡單到復雜提出探究問題

2.1.1分析朗繆爾實驗結果，引導學生明確磷脂分子的結構

教師提供朗繆爾實驗結果，引發學生思考在苯和水的介質中為什么磷脂分子的磷酸基團極性頭部都進入水中？這個實驗結果說明磷脂分子具有怎樣的結構特點？通過小組討論思考，學生可清晰明確磷脂分子是兩性分子，具有頭部親水，尾部疏水的特點.教師給出磷脂分子結構式，肯定同學們的思考分析過程，并展示自制教具（如圖2）.

2.1.2探究多個磷脂分子在“空氣－水”的界面上如何排列

教師提升問題難度，在朗繆爾實驗分析的基礎上提供磷脂分子自制教具，引導學生小組探究“空氣－水”界面上磷脂分子的排列方式.學生經過多次嘗試可得到相關探究結果.基于磷脂分子是兩性分子，學生認為在“空氣－水”界面上多個磷脂分子呈單層排列，排列方式如圖3.

2.1.3探究多個磷脂分子在“水－水”的界面上如何排列

教師繼續提升問題難度，探究組成細胞膜的磷脂分子在“水－水”界面的排列方式.學生分小組討論利用提出假說的科學研究方法共提出兩種假設.

假設1：細胞膜中磷脂分子呈單層排列

學生通過小組探究共建構出三種物理模型，如圖4所示.教師引導學生根據磷脂分子存在的內外水環境，以及磷脂分子本身的結構特點，分析上述三種模型是否成立，學生討論發現三種情況都不符合磷脂分子是兩性分子的特點，假設1不成立.

假設2：細胞膜中的磷脂分子呈雙層排列

學生繼續建構物理模型，提出細胞膜中的磷脂分子呈雙層排列的假設.在此假設的基礎上建構出三種物理模型，如圖5.教師引導學生根據磷脂分子的結構特點和磷脂分子存在的內外液體環境，分析三種模型哪種更接近細胞膜中磷脂分子的排列方式.學生小組討論分析后認為，第三種模型更符合細胞膜中磷脂分子的實際排列方式.即多個磷脂分子親水的頭部向背，疏水的尾部相對，呈雙層排列.學生總結分析得到假說：細胞膜中磷脂分子是雙層排列.

2.2分析科學家的實驗結果，引導學生驗證所得假說

教師提供荷蘭科學家戈特和格倫德的實驗結果，進一步引發學生的深入探究和思考.兩位科學家提取人的紅細胞中磷脂分子，將其鋪展成單分子層，測得單分子層磷脂的面積約為紅細胞膜表面積的2倍.教師提問：這個實驗取材為什么選用人的紅細胞？用這個材料的好處是什么？這個實驗的結果可以得到什么結論？

學生小組討論分析資料可得出結論：人的紅細胞膜中磷脂分子呈雙層排列.這個結論與學生探究得到的假說一致，學生感受到了科學家們設計實驗時嚴謹的工作態度，體會到了科學研究之美.

3教學活動的總結與反思

本節課基于中學生已有的知識層次和深度學習的教學目標而開展，教師設計從簡單到復雜的探究問題，指導學生真正體會到“提出假說”和“建構模型”兩種科學研究方法的具體應用，實現課堂深度學習的教學目標.學生在建構物理模型過程中探究能力和思維能力都得到了明顯提升，體悟到了科學探究的魅力與快樂，也體會到了生命觀念中的結構與功能觀.通過教師的自我提升與學習，希望深度學習能在每節課上發生.

參考文獻：

［1］ 吳舉宏.促進深度學習的中學生物學教學策略[J].生物學教學，2017，42（10）：18-20.

[2] 侯松濤.基于深度學習的高中STEM項目設計：以“模擬生物體維持pH的穩定”為例[J].中學生物學，2022，38（3）：12-14.

［責任編輯：季春陽］