以“模型建構(gòu)”為思想的課堂教學(xué)課例分析

一、內(nèi)涵闡述

模型建構(gòu)是人們按照特定的科學(xué)研究目的，在一定的假設(shè)條件下，通過研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是以簡化和直觀的形式來顯示復(fù)雜事物或過程的手段。模型建構(gòu)作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是科學(xué)研究中常用的重要方法之一。通過模型建構(gòu)能有助于學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識，幫助學(xué)生理解生命活動(dòng)的復(fù)雜性和規(guī)律性。可見，在生物教學(xué)中，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)內(nèi)容及知識，自主構(gòu)建一定的模型是很有必要的。

二、操作要領(lǐng)

在教學(xué)實(shí)踐中，做到模型的科學(xué)設(shè)計(jì)、制作并合理使用，才能真正有效地培養(yǎng)學(xué)生自主探究的科學(xué)素養(yǎng)。筆者結(jié)合人教版必修一《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》，對以“模型構(gòu)建”為思想的課堂教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述、分析和探究。

（一）優(yōu)化物理模型構(gòu)建，凸顯生物知識的形美

根據(jù)原型的結(jié)構(gòu)特征，優(yōu)化建構(gòu)直觀的物理模型，能凸顯生物學(xué)科知識的形美。如果在本節(jié)內(nèi)容教學(xué)中不使用模型，而是通過圖片等形式直接呈現(xiàn)，然后就模型說模型，這種教學(xué)的“抓手”就不夠有力，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、自主性就不能被充分地調(diào)動(dòng)，課堂氛圍就會沉悶。因此，在本課中模型的建構(gòu)就顯得尤為重要。

關(guān)于生物膜中磷脂分子的模型，結(jié)合其具有尾部疏水和頭部親水這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及磷脂分子在水——空氣界面上單分子排列的特性，我首先選用橡皮泥捏成球狀，作為磷脂分子的頭部，以兩根牙簽?zāi)M磷脂分子的尾部。但在研究中發(fā)現(xiàn)，利用上述材料在建模中有一個(gè)嚴(yán)重的科學(xué)性錯(cuò)誤：磷脂分子的兩條“尾巴”并不全是直的，其中一條是彎曲的。為了證實(shí)這一點(diǎn)，我查閱了相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)：磷脂的“尾部”是兩條脂肪酸鏈，一條是飽和的，另一條帶有一個(gè)（有時(shí)兩三個(gè)）雙鍵的不飽和脂肪酸，在雙鍵處有一個(gè)折彎，折彎的存在使得脂雙層中的各脂肪酸難以組合在一起，保證了脂雙層的流動(dòng)性。為了模型建構(gòu)的科學(xué)性，我選用彎曲的鐵絲替代筆直的牙簽，以保證模型的科學(xué)性。

在課堂教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生在探究磷脂分子和蛋白質(zhì)分子在膜上的分布的模型建構(gòu)時(shí)，通過小組討論、合作學(xué)習(xí)的形式，對有關(guān)問題進(jìn)行分析和推斷，并最終在構(gòu)建——修正——再構(gòu)建過程完善了蛋白質(zhì)分子在膜中的分布。通過物理模型的構(gòu)建活動(dòng)，學(xué)生對膜中各分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)理解得更為深刻、透徹，同時(shí)也符合學(xué)生由抽象到直觀的認(rèn)知水平。模型的建構(gòu)不僅加深了學(xué)生對知識的理解，而且也很好地鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識。

（二）優(yōu)化概念模型構(gòu)建，體現(xiàn)知識生成之妙

概念模型是指以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式對事物的規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行描述和闡明。對概念模型進(jìn)行一定的優(yōu)化，旨在能體現(xiàn)知識的生成之妙，讓學(xué)生有一種“驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的感覺。

為此，在課堂開始之初我標(biāo)示板書：“生物膜的________模型”，在之后的學(xué)生活動(dòng)中，在對羅伯特森靜態(tài)模型等的修正后，完善板書“流動(dòng)”及“鑲嵌”，這樣在最適宜的時(shí)機(jī)，生成課題的關(guān)鍵詞，有水到渠成之效。

活動(dòng)中，學(xué)生展示出一個(gè)生物膜平面結(jié)構(gòu)模型之后，用“→”將所有模型按照探究的順序連接為一個(gè)整體。從模型建構(gòu)的角度直觀地展示了生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的構(gòu)建歷程。同時(shí)，學(xué)生又可憑借此連為一體的模型來回顧感悟。推動(dòng)這一模型學(xué)說不斷發(fā)展和深入的影響因素分別有：科技的快速發(fā)展帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提升（電子顯微鏡、熒光染色、冰凍蝕刻技術(shù)），嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究方法確保研究的科學(xué)性（假說演繹法），正確的研究指導(dǎo)方法（結(jié)構(gòu)決定功能，功能與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)），堅(jiān)持不懈、前赴后繼的研究精神。

（三）優(yōu)化模型構(gòu)建活動(dòng)，促學(xué)生能力培養(yǎng)

模型構(gòu)建的過程也是一個(gè)科學(xué)探究的過程。在此過程中，學(xué)生通過設(shè)置已知和未知，運(yùn)用科學(xué)規(guī)律，一步步地檢驗(yàn)和修正模型，從這一層面上講，學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅僅停留在對模型本身的結(jié)構(gòu)和分布形態(tài)的探索上，而是上升到能力發(fā)展的高度，對學(xué)生探究能力的培養(yǎng)大有益處。因此，在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)不斷地優(yōu)化模型建構(gòu)活動(dòng)，充分提升學(xué)生的能力和科學(xué)素養(yǎng)。

三、課例展示

基于結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的學(xué)科思想，學(xué)生在學(xué)習(xí)了物質(zhì)跨膜運(yùn)輸實(shí)例后，想進(jìn)一步知道其他物質(zhì)進(jìn)出膜的方式和途徑，必先了解生物膜的有關(guān)結(jié)構(gòu)。對此，我以學(xué)生活動(dòng)為平臺，引導(dǎo)學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)，通過模型構(gòu)建的思想開展課堂教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

【活動(dòng)1】根據(jù)磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，請你分析判斷它在水——空氣界面上是如何排列分布的，嘗試構(gòu)建相關(guān)的模型。

通過該活動(dòng)，一方面讓學(xué)生通過對磷脂分子結(jié)構(gòu)的了解，嘗試解決問題，通過對問題的解決而獲得科學(xué)探究成功的成就感，而在利益方面也為解決后續(xù)的深度問題做有效的鋪墊。與傳統(tǒng)教學(xué)中直接呈現(xiàn)“1925年，兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的成熟的紅細(xì)胞中提取出脂質(zhì)，在水——空氣界面上鋪成單分子層，測得單分子層的面積恰是紅細(xì)胞表面的兩倍”這一事實(shí)相比，能很好地構(gòu)建學(xué)生對知識之間存在的聯(lián)系。

【活動(dòng)2】請根據(jù)活動(dòng)1中構(gòu)建的模型，嘗試構(gòu)建出磷脂分子在水中的排列分布模型。

提出問題：如果充分?jǐn)噭?dòng)液面，磷脂分子在乳濁液是呈球形還是一個(gè)平面？可能會呈現(xiàn)一個(gè)怎樣的形態(tài)？學(xué)生針對提出的問題做出合理的假設(shè)，動(dòng)手設(shè)計(jì)、建構(gòu)模型，通過小組成員間的討論與交流最終達(dá)成共識。

科學(xué)探究從提出問題開始，而做出假設(shè)是科學(xué)探究的一個(gè)重要的、不可或缺的環(huán)節(jié)。該處處理的妙處在于：一是學(xué)生討論的問題答案（磷脂分子在水溶液中的兩種可能排列方式）自然形成兩種假設(shè)；二是資料3的實(shí)驗(yàn)不是簡單的呈現(xiàn)、告知，而是對學(xué)生提出的假設(shè)做出的強(qiáng)有力的實(shí)證研究。

蛋白質(zhì)分子在細(xì)胞膜中分布的模型建構(gòu)：

對于羅伯特森的電鏡實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若直接提問“暗——亮——暗“的三層結(jié)構(gòu)分別是什么，在學(xué)生對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)在電鏡下的折光率大小不同這一物理學(xué)知識沒有了解的情況下，根本無法判斷暗帶、亮帶分別屬于何種物質(zhì)。由于認(rèn)知上的這一空白，探究便成了一個(gè)空殼，有形而無實(shí)。為了更好地解決這一問題，活動(dòng)3的設(shè)計(jì)就很有必要了。

【活動(dòng)3】根據(jù)羅伯特森在電鏡下觀察到細(xì)胞膜呈現(xiàn)“暗——亮——暗“的三層結(jié)構(gòu)，以及“脂質(zhì)折光性較強(qiáng)，在電鏡下觀察較亮；蛋白質(zhì)折光性較弱，在電鏡下觀察顯得較暗”這一知識原理，構(gòu)建生物膜中蛋白質(zhì)的分布模型。

依據(jù)細(xì)胞膜呈現(xiàn)“暗——亮——暗”的三層結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生愉快地自主建構(gòu)出蛋白質(zhì)——脂質(zhì)——蛋白質(zhì)三層靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型。

【活動(dòng)4】修正羅伯特森提出的靜態(tài)統(tǒng)一模型。羅伯特森關(guān)于生物膜的靜態(tài)統(tǒng)一模型構(gòu)建得是否合理，關(guān)鍵要看這個(gè)模型能否很合理地解釋一些有關(guān)膜功能的生物學(xué)現(xiàn)象。

（1）關(guān)于靜態(tài)模型的修正。相關(guān)生物學(xué)現(xiàn)象（呈現(xiàn)PPT：變形蟲的變形活動(dòng)，圖1所示）→質(zhì)疑一：生物膜是靜態(tài)的嗎？→進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)（呈現(xiàn)PPT：人鼠細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn)，圖2所示）→修正：生物膜不是靜態(tài)的，是可以運(yùn)動(dòng)的。

（2）關(guān)于統(tǒng)一模型的修正。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：生物膜中的膜蛋白有的很容易分離，有的則很難……→質(zhì)疑二：生物膜中的蛋白質(zhì)是否都是平鋪在脂質(zhì)兩側(cè)？→進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)：冰凍蝕刻電鏡技術(shù)——膜解剖手術(shù)（圖3所示）→修正：膜中的蛋白質(zhì)或鑲在、貫穿、全部或部分嵌入磷脂雙分子層中。生物膜中的主要成分是鑲嵌分布的。

變形蟲的變形活動(dòng)和“生物膜中的膜蛋白有的很容易分離而有的則很難”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生在產(chǎn)生認(rèn)知沖突、質(zhì)疑的同時(shí)，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的繼續(xù)了解、繼續(xù)學(xué)習(xí)的愿望。

羅伯特森提出的細(xì)胞膜靜態(tài)結(jié)構(gòu)的假說無法合理解釋變形蟲的變形活動(dòng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生再次深刻體會“生物體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”這一生物學(xué)基本思想或觀念，并認(rèn)識到該假說的不足之處。適時(shí)呈現(xiàn)人鼠細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn)，知道了蛋白質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性，再結(jié)合磷脂分子的運(yùn)動(dòng)性，學(xué)生歸納出細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性。而冰凍蝕刻電鏡技術(shù)的細(xì)胞膜解剖圖也修正了蛋白質(zhì)在膜上的統(tǒng)一分布觀點(diǎn)，并讓學(xué)生深刻認(rèn)同了科學(xué)技術(shù)在生物科學(xué)研究上的重要地位。

【活動(dòng)5】根據(jù)前面我們提到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，用你手中的模型構(gòu)建一個(gè)生物膜平面結(jié)構(gòu)模型，并以小組為單位上臺展示。這樣歷經(jīng)多次的科學(xué)探究，經(jīng)過不斷建模、修正、完善，使學(xué)生對生物膜結(jié)構(gòu)有了深刻的理解和認(rèn)識。

小結(jié)：分析建模的過程不難發(fā)現(xiàn)，模型的建構(gòu)離不開問題的提出和做出合理的假說，理解假說的提出要有實(shí)驗(yàn)和觀察的依據(jù)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂?，并通過觀察和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

四、課例反思

（一）優(yōu)化模型構(gòu)建，激活學(xué)生思維

《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》對本節(jié)內(nèi)容提出了“獲得生物學(xué)基本事實(shí)、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的基礎(chǔ)知識”的課程目標(biāo)和要求。本案例通過模型的建構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會應(yīng)用邏輯和證據(jù)來構(gòu)建、修改科學(xué)解釋及科學(xué)模型。生物膜結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建一課，相關(guān)發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)多且散，學(xué)生的學(xué)習(xí)研究常常停留在實(shí)驗(yàn)分析層面，學(xué)習(xí)容易出現(xiàn)斷裂面，而且對生物膜流動(dòng)鑲嵌模型創(chuàng)建歷程缺乏深層次的認(rèn)知和感悟。因此，在設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化物理模型建構(gòu)，衍生構(gòu)建概念模型以及以問題串的形式整合模型構(gòu)建活動(dòng)，從而更有效地解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的一系列問題，同時(shí)也能激活學(xué)生思維，使能力得以提升。

（二）依托活動(dòng)平臺，活躍課堂氛圍

本課例在設(shè)計(jì)上，以問題為紐帶，以活動(dòng)為平臺，讓學(xué)生以探索者、研究者的身份投入學(xué)習(xí)中。學(xué)生通過思考與討論，親身體驗(yàn)科學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程；在科學(xué)領(lǐng)域沒有終極真理，質(zhì)疑和爭論不僅是正常的，而且能促進(jìn)科學(xué)的進(jìn)步。教學(xué)中充分利用媒體，將一些本來不太好理解的問題簡單化、直觀化，取得了較好的效果，也得到了學(xué)生的認(rèn)可。通過該課筆者深深體會到：教師要不斷轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念與教學(xué)模式，真正讓學(xué)生的主體性得到充分發(fā)揮。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠獨(dú)立地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠真正地“動(dòng)”起來。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]蔡萍.談模型建構(gòu)在初中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2012（2）.

[2]唐東輝.用學(xué)科思想指導(dǎo)高三生物學(xué)復(fù)習(xí)[J].生物學(xué)教學(xué)，2012（3）.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2003.

（責(zé)任編輯：符 潔）