基于問題探究和模型構(gòu)建模式的教學(xué)設(shè)計

馬寧　彭瑩

摘 要 以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，通過“創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境、構(gòu)建問題探究環(huán)境、手工模型構(gòu)建展示，小組討論歸納”等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生自主探索知識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、參與探究、反思質(zhì)疑、動手構(gòu)建模型的能力。從生命活動的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)——細胞水平了解生物體，建立起“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)基本觀點，并初步學(xué)會運用這一觀點進行科學(xué)推理。

關(guān)鍵詞 細胞膜 流動鑲嵌模型 結(jié)構(gòu)和功能

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材分析及設(shè)計思路

“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”是蘇教版高中生物《必修1·分子與細胞》第三章“細胞的結(jié)構(gòu)和功能”的第二節(jié)內(nèi)容，包括細胞膜的成分、結(jié)構(gòu)和功能三部分。教材之前介紹了構(gòu)成生物體的化學(xué)元素和化合物以及細胞學(xué)說的構(gòu)建過程，為本節(jié)學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)，但未涉及細胞膜成分及結(jié)構(gòu)探究的科學(xué)史內(nèi)容，需要在本節(jié)課中補充。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生從生命活動的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)——細胞水平了解生物體，為之后學(xué)習(xí)細胞代謝等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

本節(jié)課圍繞問題探究和模型構(gòu)建兩點思路，重點利用問題串的設(shè)計，啟發(fā)學(xué)生探究細胞膜成分和結(jié)構(gòu)模型，并通過模型制作，加強對細胞膜平面和空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。具體教學(xué)思路見圖1。

2 教學(xué)目標

2.1 知識與技能目標

簡述細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容；舉例說明細胞膜具有的流動性的特點；通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程，闡述科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律。

2.2 過程與方法目標

分析科學(xué)家建立細胞膜結(jié)構(gòu)模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設(shè)；利用教學(xué)模具，發(fā)揮空間想象能力，構(gòu)建細胞膜的平面和空間立體結(jié)構(gòu)。

2.3 情感、態(tài)度和價值觀目標

樹立生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辨證觀點；培養(yǎng)嚴謹?shù)耐评砗痛竽懴胂竽芰?；認識到技術(shù)的發(fā)展在科學(xué)研究中的作用，尊重科學(xué)且用發(fā)展的觀點看待科學(xué)、樹立辨證的科學(xué)觀。

3 教學(xué)重點、難點

教學(xué)重點：（1）細胞膜的流動鑲嵌模型結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點；（2） 細胞膜的三大功能及功能特點。

教學(xué)難點：探究細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)史實驗分析。

4 教學(xué)過程

4.1 導(dǎo)入新課：類比校園結(jié)構(gòu)和真核細胞結(jié)構(gòu)，尋找系統(tǒng)邊界

教師創(chuàng)設(shè)情景，拋出問題：“如果把細胞比作我們的校園，校園的圍墻、行政樓、教學(xué)樓、食堂、公寓樓、學(xué)生活動中心分別能代表細胞的哪個結(jié)構(gòu)？”學(xué)生激烈討論，教師通過掛圖幫助學(xué)生回顧上節(jié)課真核細胞模式圖，并說明圍墻充當了校園的邊界、細胞膜充當了細胞的邊界。

設(shè)計意圖：采用類比法，將微觀抽象的細胞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為熟悉的校園結(jié)構(gòu)，能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時構(gòu)建情景順利導(dǎo)入新課。

4.2 新課環(huán)節(jié)1：教師設(shè)計問題串，引導(dǎo)學(xué)生分析經(jīng)典實驗，為構(gòu)建模型打好基礎(chǔ)

在教學(xué)中采用互動式教學(xué)模式，以細胞膜的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史為主線，教師提供資料并設(shè)置問題，通過嚴密的邏輯推理，層層深入，幫助學(xué)生探究問題，引導(dǎo)學(xué)生嚴謹思考實驗設(shè)計，自主分析實驗，嘗試歸納實驗結(jié)論。

教學(xué)過程：教師依次給出以下資料，并設(shè)計如下問題：

資料1：1895年，歐文頓用植物細胞研究細胞膜的通透性。他選用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細胞的透性進行上萬次的研究，發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)，也很容易穿過膜；反之，不容易溶于脂肪的物質(zhì)，也不容易穿過膜。

資料2：1897年，Crijns和Hedin用紅細胞做實驗，同樣也證明分子的通透性與其在脂類中的溶解度有關(guān)。

資料3：科學(xué)家對細胞膜化學(xué)成分深層分析發(fā)現(xiàn)，細胞膜會被蛋白酶分解（提示：蛋白酶是生物體內(nèi)普遍存在的對蛋白質(zhì)分解起催化作用的物質(zhì)）。

資料4：1917年，朗姆瓦將磷脂溶于苯和水中，磷脂分子分布散亂，當苯揮發(fā)完以后，經(jīng)過推擠，磷脂分子排列成單層，而且其磷酸基團的極性頭部都浸入水中。

資料5：1925年，高夢和格倫德把紅細胞放在蒸餾水中使其吸水漲破，反復(fù)沖洗后只留細胞膜（血影），把這些破碎的膜鋪在水面上，測定出紅細胞的表面積為a。再將細胞膜中的脂類物質(zhì)抽提出來，在水面鋪成單分子層，聚攏后測得總面積為b。兩者之間的數(shù)量關(guān)系為：b=2a。

資料6：20世紀40年代，曾有學(xué)者推測在細胞膜脂質(zhì)兩邊各覆蓋一層蛋白質(zhì)。直到50年代，電子顯微鏡誕生，1959年羅伯特森在電鏡下觀察到了細胞膜清晰的暗—亮—暗的三層結(jié)構(gòu)。亮層是脂質(zhì)分子，兩邊的暗層是蛋白質(zhì)分子。

資料7：隨著技術(shù)手段不斷用于膜的研究?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)：膜蛋白不是全鋪在脂質(zhì)的表面，有的是鑲嵌或貫穿在脂質(zhì)雙分子層中的。

資料8：1970年，有兩位科學(xué)家用紅色熒光染料標記人細胞膜上的蛋白質(zhì)，用藍色熒光染料標記鼠細胞膜上的蛋白質(zhì)。把人的細胞和鼠的細胞融合，融合后一半細胞（人的細胞）發(fā)紅色熒光，另一半細胞（鼠的細胞）發(fā)綠色熒光。細胞在37℃下培養(yǎng)40 min后，兩種顏色均勻分布在融合細胞的表面。

問題：（1） 資料1中，物質(zhì)是否容易穿過細胞膜與什么有關(guān)？這體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科中的什么原理？

（2） 結(jié)合材料1、2，你推測細胞膜的成分包含哪種成分？

（3） 資料3說明細胞膜上存在哪種成分？

（4） 資料4說明磷脂分子具有什么特性？

（5） 資料5說明磷脂分子在構(gòu)成細胞膜時，呈幾層排列？如何排列？

（6） 資料6和7說明蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布方式有幾種？

（7） 請結(jié)合以上問題的答案，參閱教材內(nèi)容，繪制細胞膜的平面結(jié)構(gòu)示意圖。

（8） 分析資料8，想一想兩種顏色均勻分布的原因是什么？這一實驗證明細胞膜具有什么結(jié)構(gòu)特性？

通過層層深入的問題，教師引導(dǎo)學(xué)生分析細胞膜成分和功能的科學(xué)史實驗，并通過小組合作探究，學(xué)生不僅能掌握細胞膜的成分和流動鑲嵌模型的基本要點，還能掌握知識的來龍去脈和研究問題的科學(xué)方法，對于思維發(fā)散和分析實驗?zāi)芰Φ奶岣哂泻芎玫膸椭?/p>

4.3 新課環(huán)節(jié)2：學(xué)生動手搭建模型，在動手操作中突破本節(jié)重難點知識

教師要求學(xué)生利用廢棄紙箱、剪刀、彩筆及雙面膠制作細胞膜的結(jié)構(gòu)模型，同時指出每一部分的結(jié)構(gòu)特點，以此增強學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，強化學(xué)生的動手能力，幫助學(xué)生樹立系統(tǒng)的生物學(xué)知識框架。

學(xué)生活動：用紙箱剪出磷脂分子的形狀，并在圓形的頭部寫上“親水基團”，在長長的尾部寫上“疏水基團”；再用白色的卡紙剪出大大小小不規(guī)則形的蛋白質(zhì)分子，在最大的蛋白質(zhì)上寫上“貫穿”，在最小的蛋白質(zhì)上寫“排布”，在大小適中的蛋白質(zhì)上寫“嵌入”；最后剪出六邊形的“單糖分子”，用細線穿起來，并縫在部分蛋白質(zhì)上。通過雙面膠的粘貼，學(xué)生在黑板上貼出細胞膜流動鑲嵌模型，同時敘述模型特點。

4.4 新課環(huán)節(jié)3：利用舉例類比法，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納細胞膜的功能

教師提出問題：學(xué)校圍墻都有什么功能？細胞膜相當于校園的圍墻，那么細胞膜具有什么功能？這樣來幫助學(xué)生類比分析校園圍墻的功能，推出細胞膜的功能。圍墻讓校園與校外環(huán)境分割開，使得學(xué)校成為獨立的單位，那么細胞膜就具有使細胞與外界環(huán)境分開并成為獨立結(jié)構(gòu)的功能。圍墻能使學(xué)生、老師及與學(xué)校相關(guān)的人員出入，但不允許閑雜人等出入校園，這說明細胞膜具有控制物質(zhì)進出細胞的功能，即選擇透過性。圍墻上有門衛(wèi)接待室，可以和外來人員進行信息交流，故細胞膜上的糖蛋白結(jié)構(gòu)具有識別和信息交流的功能。

教學(xué)意圖：針對本部分內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)時，教師直接告訴學(xué)生細胞膜的3個功能，學(xué)生無法真正理解，且對于知識容易遺忘。本節(jié)課上，教師通過類比校園圍墻的功能，在輕松的氛圍中，幫助學(xué)生體會細胞膜的功能，達到理解記憶的目的。

4.5 課堂小結(jié)（圖2）

5 教學(xué)反思

這一節(jié)課并沒有直接給結(jié)論，而是重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，依據(jù)資料和圖片，結(jié)合已經(jīng)學(xué)過的知識，思考教師設(shè)置的問題，逐步達到學(xué)習(xí)新知識的目的。教學(xué)中，學(xué)生通過構(gòu)建模型，發(fā)揮主體作用，在探究過程中不僅獲得了新知，還獲得了探索科學(xué)的方法，“像當年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)事實和客觀規(guī)律那樣經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)過程”，體驗了過程的艱辛與快樂，感受到了成功的體驗。

（1） 科學(xué)是一個發(fā)展的過程，在教學(xué)中，教師巧妙地將科學(xué)家探索細胞膜結(jié)構(gòu)歷程的有關(guān)資料進行組織，讓學(xué)生從細胞膜的化學(xué)成分著手到細胞膜分子結(jié)構(gòu)模型的建立。通過對史料一步步的分析、討論和思考，學(xué)生既培養(yǎng)了能力，主動構(gòu)建了自己的知識體系，同時又享受到一種成功的喜悅，打開了知識的“窗口”，使課堂充滿時代氣息。

（2） 探究式教學(xué)要充分體現(xiàn)學(xué)生的主體作用，任何一個教學(xué)目標的學(xué)習(xí)和掌握，不是教師硬性灌輸給學(xué)生的，而是由學(xué)生親身觀察、分析、討論和探索、總結(jié)得出的。在創(chuàng)設(shè)問題情境時，教師應(yīng)充分發(fā)揮自己的主觀能動性，力求設(shè)計的問題準確、精練；在討論時，教師自己只是一個普通的參與者，不包辦代替，但當學(xué)生遇到困難時，教師要充當點撥者的角色，對有關(guān)問題加以適當?shù)恼f明；在形成結(jié)論時，教師更應(yīng)放手讓學(xué)生進行，必要時予以補充糾正，以達到正確結(jié)論。

（3） 在本節(jié)課的設(shè)計中，學(xué)生要進行模型構(gòu)建過程，即細胞膜的流動鑲嵌模型。這對于學(xué)生來說是有挑戰(zhàn)性的，因此需要師生耐心分析經(jīng)典實驗，以事實為依據(jù)，大膽假設(shè)，小心求證，最終成功搭建細胞膜的結(jié)構(gòu)模型。這樣既達到了鍛煉學(xué)生思維的目的，又讓學(xué)生體會科學(xué)發(fā)展的過程就是不斷建立、修正的過程，以及建立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)基本觀點。