有效構(gòu)建模型 發(fā)展科學(xué)思維

張蕓

[摘 要]在設(shè)計(jì)《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》的教學(xué)時(shí)，以“生物膜的成分→生物膜的結(jié)構(gòu)→生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”為主線，以科學(xué)史為素材，引導(dǎo)學(xué)生分析、推理，并以小組為單位開展模型構(gòu)建活動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)教學(xué)，可引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與探究過程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

[關(guān)鍵詞]模型構(gòu)建；科學(xué)思維；科學(xué)史；生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型

[中圖分類號(hào)] G633.91 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058（2018）32-0080-02

一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》是人教版高中生物必修1第四章第三節(jié)的內(nèi)容，主要包括科學(xué)家對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程及生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型兩部分內(nèi)容。流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容是教學(xué)重點(diǎn)，而如何在探討建立生物膜模型的過程中體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)是教學(xué)難點(diǎn)。在重難點(diǎn)的突破方面，教材雖然提供了豐富的科學(xué)史素材，但大多是描述性實(shí)驗(yàn)，如果直接呈現(xiàn)給學(xué)生，勢必抽象、枯燥，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，筆者在設(shè)計(jì)本課教學(xué)時(shí)以“生物膜的成分→結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”為主線，以科學(xué)史為素材，引導(dǎo)學(xué)生分析、推理，并在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生以小組為單位開展模型構(gòu)建活動(dòng)。這樣處理，不僅能將抽象的知識(shí)具體化，加深學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的理解與掌握，還能使學(xué)生積極主動(dòng)地參與探究過程，有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

二、教學(xué)目標(biāo)

1. 知識(shí)目標(biāo)：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)現(xiàn)的一般規(guī)律；簡述生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

2.能力目標(biāo)：通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程，嘗試做出假設(shè)；發(fā)揮空間想象力，通過制作模型，構(gòu)建生物膜的立體結(jié)構(gòu)。

3.情感目標(biāo)：認(rèn)同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步在建立生物膜模型的過程中所起的作用；樹立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)觀點(diǎn)。

三、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

首先請(qǐng)語文課代表朗誦一首贊美細(xì)胞膜的小詩：“在廣闊的原始海洋中，我聚天地之精華、日月之靈氣，成為地球上最基本的生命系統(tǒng)。面對(duì)生命的誕生，我孤獨(dú)、恐懼，感恩有你，為我隔開了原始海洋、為我日夜守邊防、為我傳信報(bào)安康。”然后引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前一節(jié)的內(nèi)容——細(xì)胞膜的功能，而功能由結(jié)構(gòu)決定，自然進(jìn)入對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。

（二）分析資料，構(gòu)建模型

利用PPT課件展示一系列科學(xué)史素材，引導(dǎo)學(xué)生討論分析，并通過初步構(gòu)建模型、修正并完善模型到最終確定生物膜的結(jié)構(gòu)模型，有效突破教學(xué)難點(diǎn)。

1.對(duì)生物膜成分的探索

資料1： 1895年，歐文頓（E.Overton）用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行了上萬次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)比不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。（提示：相似相溶原理，即分子結(jié)構(gòu)越相似的物質(zhì)越是能夠相互溶解）

思考與討論：①分析歐文頓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于膜的組成成分，你能做出怎樣的推測？（膜由脂質(zhì)組成）②在分析、推理得出結(jié)論后，還有必要對(duì)膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定嗎？（需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）

資料2：20世紀(jì)初，科學(xué)家第一次將細(xì)胞膜從哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞中分離出來。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜會(huì)被脂質(zhì)的溶劑溶解，也會(huì)被蛋白酶水解。

思考與討論：據(jù)此，對(duì)于細(xì)胞膜的成分，你又能做出怎樣的推測？（細(xì)胞膜由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成）

教師指出：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜中除了含有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)外，還有少量的糖類，在組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)中磷脂最豐富。這些磷脂、蛋白質(zhì)和糖類是如何排布構(gòu)成細(xì)胞膜的呢？

2. 對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索

（1） 磷脂分子的排布

資料3：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸組成的分子，其“頭”部（磷酸）是親水的，“尾”部（脂肪酸）是疏水的。（PPT投影磷脂分子的結(jié)構(gòu)圖）

模型構(gòu)建1：根據(jù)磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試構(gòu)建磷脂分子在空氣—水界面上的排布模型。（學(xué)生在了解磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，通過小組討論，基本都能構(gòu)建出正確的模型，如圖1）

資料4：1925年，兩位荷蘭科學(xué)家戈特（E.Gorter）和格倫德爾（F.Grendel）用丙酮從人體的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，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(xì)胞表面積的2倍。

思考與討論：根據(jù)資料4，你能做出怎樣的推測？（膜中的磷脂分子排列為兩層）

模型構(gòu)建2：結(jié)合細(xì)胞內(nèi)外的環(huán)境特點(diǎn)以及磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試構(gòu)建膜中兩層磷脂分子分布的平面模型。（提示：細(xì)胞外如紅細(xì)胞外是血漿，血漿中有水，細(xì)胞內(nèi)即細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中也有水）

教師引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位合作構(gòu)建模型，展示結(jié)果并給予點(diǎn)評(píng)，師生共同構(gòu)建磷脂分子在膜中的排布模型（如圖2）。教師繼續(xù)提問：“細(xì)胞膜中還有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)如何排布呢？”

（2） 蛋白質(zhì)分子的排布

資料5：1959年，羅伯特森在電鏡下看到細(xì)胞膜清晰的“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu)，并提出生物膜是由“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的靜態(tài)、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，即單位膜模型。

模型構(gòu)建3：根據(jù)資料5，嘗試排出膜上蛋白質(zhì)的位置。（學(xué)生小組合作，很快排出細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的分布，如圖3）

資料6：電鏡檢測發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)層厚2.5～3.0 nm，磷脂分子層厚3.5～4.0 nm。

那么模擬細(xì)胞膜的厚度應(yīng)為12～14 nm，而實(shí)際測得細(xì)胞膜的厚度通常為7～8 nm。實(shí)際細(xì)胞膜的厚度小于模型細(xì)胞膜的厚度。

思考與討論：根據(jù)資料6，你能做出怎樣的推測？（細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)可能不是均勻分布在上下兩層）

資料7：20世紀(jì)60年代，科學(xué)家利用冰凍蝕刻電鏡技術(shù)觀察到小鼠肝細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的分布模型。（展示冰凍蝕刻電鏡技術(shù)觀察到的小鼠肝細(xì)胞膜圖片，如圖4）

思考與討論：觀察圖片，你能得出什么結(jié)論？（細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)鑲在、嵌入或貫穿磷脂雙分子層中，分布是不均勻的）

模型構(gòu)建4：修正模型，重新排布蛋白質(zhì)（如圖5）。

教師繼續(xù)提問：“細(xì)胞膜中除了主要含磷脂和蛋白質(zhì)外，還有少量糖類，它又是如何排布的呢？”

（3） 糖類分子的排布

資料8：糖類可以與蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白，也叫糖被，分布在細(xì)胞膜的外側(cè)，具有保護(hù)、潤滑、識(shí)別的作用。有些糖類還可以與磷脂分子結(jié)合形成糖脂。

模型構(gòu)建5：根據(jù)資料8，在細(xì)胞膜上排布糖類以完善模型（如圖6）。

教師繼續(xù)提問：“在同學(xué)們的通力合作下，三種物質(zhì)在細(xì)胞膜上的排布已經(jīng)很清楚，可是老師依然困惑，根據(jù)羅伯特森的單位膜模型可知生物膜是靜態(tài)的，真是這樣嗎？那么變形蟲的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)物細(xì)胞吸水膨脹和失水皺縮、植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原等現(xiàn)象又如何解釋呢？”

3.對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的探索

資料9：1970年，科學(xué)家弗雷（L.D.Frye）和埃迪登（H.Edidin）分別用紅色、綠色熒光來標(biāo)記人、鼠細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，并進(jìn)行人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)。（PPT展示教材中人、鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)的示意圖）

思考與討論：分析該實(shí)驗(yàn)，你能得出什么結(jié)論？（小組討論后得出細(xì)胞膜具有流動(dòng)性）

教師指出：本實(shí)驗(yàn)最直接得出的結(jié)論應(yīng)該是“膜細(xì)胞上的蛋白質(zhì)是可以運(yùn)動(dòng)的”，進(jìn)而說明生物膜具有流動(dòng)性。那么磷脂分子也能動(dòng)嗎？

資料10：科學(xué)家在研究動(dòng)物細(xì)胞吸水膨脹時(shí)，發(fā)現(xiàn)磷脂雙分子層的厚度變小。

思考與討論：據(jù)此，你能得出什么結(jié)論？（磷脂分子也可以運(yùn)動(dòng)）

教師PPT展示磷脂分子的幾種運(yùn)動(dòng)方式圖并指出：迄今為止，已提出的關(guān)于生物膜結(jié)構(gòu)的模型已有幾十種，目前普遍認(rèn)可的是由桑格和尼克森提出的生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。

資料11：1972年，桑格和尼克森提出了生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。（PPT展示教材中生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的示意圖）

教師提問：“該模型的基本內(nèi)容是什么？生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？”通過這兩個(gè)問題最終對(duì)本節(jié)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化的總結(jié)。

四、 教學(xué)反思

“科學(xué)探究”和“科學(xué)思維”是高中生物核心素養(yǎng)的重要部分。在高中生物課堂教學(xué)中，開展模型構(gòu)建等探究性活動(dòng)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效方法。在本課中，筆者以科學(xué)史為素材，引導(dǎo)學(xué)生基于事實(shí)和證據(jù)進(jìn)行分析、推理，并在此基礎(chǔ)上小組合作進(jìn)行模型構(gòu)建活動(dòng)，經(jīng)歷從初步建立模型、修正模型到最終確立模型等過程，在一定程度上發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

（責(zé)任編輯 黃春香）