基于“問(wèn)題串”的高中生物科學(xué)史教學(xué)分析

陳亞榮 康公平 羅充

【摘要】《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》2017年版中提到，目前教學(xué)的首要任務(wù)是對(duì)學(xué)生必備的品格和關(guān)鍵的能力培養(yǎng)。而基于“問(wèn)題串”的科學(xué)史教學(xué)，是對(duì)學(xué)生滲透品德教育的較好方式，實(shí)現(xiàn)生物核心素養(yǎng)的最佳素材。因此，以人教版中“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)為例，闡述基于“問(wèn)題串”的科學(xué)史在高中生物教學(xué)中的作用。為國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的教學(xué)提供新素材以及為一線教師科學(xué)史教學(xué)提供一些參考意見(jiàn)。

【關(guān)鍵詞】問(wèn)題串；科學(xué)史；膜的流動(dòng)鑲嵌模型；教學(xué)分析

生物學(xué)科是自然科學(xué)中一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科。生物學(xué)與其他自然科學(xué)相比，有自己的特點(diǎn)，它不僅含有豐富的基礎(chǔ)知識(shí)，也包括前人認(rèn)識(shí)自然和發(fā)現(xiàn)規(guī)律的一些思維方式和探索過(guò)程。把科學(xué)史引入到生物學(xué)教學(xué)中，將科學(xué)家探索自然的思維、方法及精神融入到情節(jié)跌宕起伏的實(shí)例及感動(dòng)人心的生物科學(xué)史資料中。能夠讓學(xué)生真正地領(lǐng)悟科學(xué)家活躍的思維及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，靈活的科學(xué)方法。同時(shí)，也能用科學(xué)家的精神，影響學(xué)生的品德，鍛煉他們的能力。把問(wèn)題串引入到科學(xué)史教學(xué)中，通過(guò)層層設(shè)疑。能夠讓學(xué)生對(duì)每節(jié)的內(nèi)容能有清晰的認(rèn)識(shí)，更深刻地理解其正在探究的問(wèn)題，透徹每個(gè)問(wèn)題的內(nèi)在含義，構(gòu)建一個(gè)完整的知識(shí)體系。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》2017年版提到，教師教學(xué)的核心不僅僅是傳授基本的知識(shí)，更重要的是對(duì)學(xué)生必備的品格和關(guān)鍵的能力的培養(yǎng)。而且《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》也提到：“生物課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施中的核心任務(wù)是提高每個(gè)高中學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。生物科學(xué)素養(yǎng)指公民參加社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、生產(chǎn)實(shí)踐和個(gè)人決策所需的生物科學(xué)知識(shí)、探究能力及相關(guān)的情感態(tài)度與價(jià)值觀。因此，為了響應(yīng)課標(biāo)的要求，培養(yǎng)社會(huì)需要的人才，進(jìn)行“問(wèn)題串”的科學(xué)史教學(xué)很有必要，也是對(duì)學(xué)生進(jìn)行品德和能力培養(yǎng)的有效途徑。

一、教學(xué)背景

（一）教材分析

《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》選自人教版高中生物必修1第四章細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出第二節(jié)的內(nèi)容。在章節(jié)設(shè)置上，承接第一節(jié)的內(nèi)容，也是物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的基礎(chǔ)。在內(nèi)容設(shè)置上，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了細(xì)胞膜的成分及功能，對(duì)細(xì)胞的各個(gè)結(jié)構(gòu)也有大致的了解，對(duì)細(xì)胞膜的功能也比較感興趣。在物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例學(xué)習(xí)中，知道細(xì)胞膜具有選擇透過(guò)性；在這此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行生物膜結(jié)構(gòu)的探索，為后面“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞健钡膶W(xué)習(xí)做鋪墊，起著承上啟下的作用。

（二）學(xué)情分析

《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》授課對(duì)象為高中一年級(jí)學(xué)生。正處在初中和高中的過(guò)渡期及高中生活的適應(yīng)期，思想活躍，對(duì)新鮮的事物比較感興趣。而且，經(jīng)過(guò)半學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)有了一定的知識(shí)累積，對(duì)細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)。同時(shí)已學(xué)習(xí)了細(xì)胞中的生物大分子，具有一定的前科學(xué)概念。有一定的邏輯思維能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。但是，掌握的很多知識(shí)斗是片面的，零散的。而且，生物膜的結(jié)構(gòu)是一種微觀形態(tài)，學(xué)生不易理解。需要教師在教學(xué)中進(jìn)行引導(dǎo)，以構(gòu)建一個(gè)完整的知識(shí)體系。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.生命觀念———闡明生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

2.科學(xué)探究———分析科學(xué)家建立生物膜型的過(guò)程，嘗試構(gòu)建生物膜流動(dòng)鑲嵌模型。

3.理性思維———描述生物膜探究的過(guò)程，掌握科學(xué)探究方法和建立科學(xué)探究思維。

4.社會(huì)責(zé)任———體驗(yàn)生物膜的探究歷程，形成科學(xué)求真意識(shí)和批判性精神。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

1.重點(diǎn)：流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容

2.難點(diǎn)：構(gòu)建生物膜流動(dòng)鑲嵌模型

四、教學(xué)過(guò)程

（一）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

首先，展示動(dòng)畫(huà)。細(xì)胞膜能選擇性通過(guò)物質(zhì)。從物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例可以看出，生物膜對(duì)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞是由選擇性的。讓學(xué)生思考以下的問(wèn)題：（1）為什么生物膜能夠控制物質(zhì)的進(jìn)出？（2）這與生物膜的結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？講解：當(dāng)年科學(xué)家正是懷著對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸現(xiàn)象產(chǎn)生的疑問(wèn)，開(kāi)始探索生物膜的結(jié)構(gòu)。其次，設(shè)計(jì)意圖。創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，調(diào)動(dòng)學(xué)生探索生物膜結(jié)構(gòu)的興趣；然后，通過(guò)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)特點(diǎn)，導(dǎo)入新課。

（二）講授新課，穿越歷史，層層設(shè)問(wèn)

1.細(xì)胞膜成分的探索

首先，提出問(wèn)題，要知道細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)呢，首先要知道細(xì)胞膜的組成成分。

展示資料1：19世紀(jì)末，歐文頓用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性不一樣：發(fā)現(xiàn)凡是可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。

問(wèn)題設(shè)置：如果你是歐文頓，你能推測(cè)出什么樣的結(jié)論？你做出這樣推測(cè)的依據(jù)是什么？

學(xué)生由此資料得出并推測(cè)的結(jié)論：膜是由脂質(zhì)組成的。推測(cè)的依據(jù)，根據(jù)學(xué)過(guò)的化學(xué)知識(shí)，相似相溶原理，溶于脂質(zhì)的物質(zhì)易于通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，所以細(xì)胞膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。

其次，細(xì)胞膜的成分到底是不是脂質(zhì)呢？

展示資料2：到了20世紀(jì)初，科學(xué)家第一次將膜從哺乳動(dòng)物的成熟紅細(xì)胞中分離出來(lái)。通過(guò)化學(xué)分析表明，膜的主要成分是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。脂質(zhì)中國(guó)主要的成分是磷脂，展示磷脂分子的結(jié)構(gòu)圖（圖1）介紹磷脂是一種由甘油，脂肪酸構(gòu)成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。

問(wèn)題設(shè)置：根據(jù)磷脂分子的特性，如果在空氣———水界面上鋪展排列。磷脂會(huì)排列成什么樣子的呢？

最后，學(xué)生依據(jù)資料思考、總結(jié)出，磷酸“頭”部因?yàn)橛辛姿峄鶊F(tuán)，是親水，尾部是疏水的脂肪酸。因此，磷脂在空氣———水界面排列的方式為磷脂的頭部在空氣———水界面的下端，尾部在上端。

接著提出問(wèn)題，磷脂分子在細(xì)胞膜上是怎么排列的呢？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)資料和問(wèn)題串的設(shè)置，培養(yǎng)學(xué)生資料分析總結(jié)能力，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力，響應(yīng)課標(biāo)的要求。

2.細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索

展示資料3：1925年，兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的紅細(xì)胞中提取出脂質(zhì)，在空氣———水界面上鋪展成單分子層，測(cè)得單分子層的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍。

進(jìn)行問(wèn)題設(shè)置：既然脂質(zhì)單分子層的面積是紅細(xì)胞表面積的2倍，那說(shuō)明脂質(zhì)在細(xì)胞膜中有幾層？在細(xì)胞膜上又是怎樣排列的呢？

學(xué)生由此資料得出，細(xì)胞膜中的脂質(zhì)排列為連續(xù)的兩層。排列方式為尾部相對(duì)，頭部親水。

讓學(xué)生自主構(gòu)建磷脂雙分子層的模型。講解模型建構(gòu)的原理。

提出設(shè)問(wèn)：除了脂質(zhì)外，蛋白質(zhì)也是細(xì)胞膜的成分，那么，蛋白質(zhì)位于細(xì)胞膜的什么位置呢？

展示資料4：構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的側(cè)鏈基團(tuán)，有的疏水，有的親水。若蛋白質(zhì)外圍都是親水基團(tuán)，疏水基團(tuán)藏與內(nèi)部，則該蛋白質(zhì)親水；若蛋白質(zhì)外圍都是疏水基團(tuán)，親水基團(tuán)藏于內(nèi)部，則該蛋白質(zhì)疏水；有的蛋白質(zhì)部分親水，部分疏水。

提出問(wèn)題設(shè)疑：請(qǐng)大家大膽猜測(cè)細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)分子在空間上可能如何分布？

根據(jù)資料學(xué)生討論：若蛋白質(zhì)外圍都是親水基團(tuán)，疏水基團(tuán)藏與內(nèi)部，蛋白質(zhì)分布在膜的表面；若蛋白質(zhì)外圍都是疏水基團(tuán)，親水基團(tuán)藏與內(nèi)部，蛋白質(zhì)分布在膜的內(nèi)部；若蛋白質(zhì)部分親水，部分疏水，此蛋白質(zhì)鑲嵌在細(xì)胞膜上。

再繼續(xù)提出問(wèn)題，這是根據(jù)蛋白質(zhì)特性猜測(cè)的位置，事實(shí)是這樣嗎？

展示資料5：電子顯微鏡誕生后，1959年羅伯特森利用超薄切片技術(shù)在電鏡下看到了細(xì)胞膜清晰的暗—明—暗的三層結(jié)構(gòu)。他結(jié)合其他科學(xué)家的工作，大膽的提出了生物膜的模型：所有的生物膜都有蛋白質(zhì)———脂質(zhì)———蛋白質(zhì)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在電鏡下看到的中間亮層是脂質(zhì)分子，兩邊的暗層是蛋白子分子。

進(jìn)行問(wèn)題設(shè)疑：我們猜測(cè)的結(jié)果與羅伯特森提出的有些不同，誰(shuí)錯(cuò)了？

陳述：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明我們猜測(cè)的位置結(jié)構(gòu)是正確的。有的蛋白質(zhì)分布在膜的表面，有的分布在膜的內(nèi)部，甚至有些蛋白質(zhì)鑲嵌在細(xì)胞膜上。除此之外羅伯特森認(rèn)為細(xì)胞膜是靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

進(jìn)行問(wèn)題設(shè)置：細(xì)胞膜是靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，那細(xì)胞的生長(zhǎng)，或者是變形蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)怎么解釋呢？

基于以上的疑問(wèn)，在1970年，有科學(xué)家做了這樣的實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)幾則資料，有層次呈現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給學(xué)生一步步構(gòu)建細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，在資料中聯(lián)系化學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)各學(xué)科之間交叉，利用模型建構(gòu)的方法，把微觀世界宏觀化，是一種科學(xué)研究方法的教育。

3.細(xì)胞膜性質(zhì)的探索

展示資料6：1970年，科學(xué)家用綠色熒光的染料標(biāo)記小鼠細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用發(fā)紅光色熒光的染料標(biāo)記人細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子。將小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合，這兩種細(xì)胞剛?cè)诤蠒r(shí)，融合細(xì)胞的一般發(fā)綠色熒光，一半發(fā)紅色熒光。在37℃下經(jīng)過(guò)40min，兩種顏色的熒光均勻分布。

問(wèn)題設(shè)置：從實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象中說(shuō)明細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)具有什么特征？

依據(jù)資料，學(xué)生總結(jié)出：細(xì)胞膜不是靜止結(jié)構(gòu)，具有流動(dòng)性，因此兩種細(xì)胞能夠融合。變形蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)及細(xì)胞的生長(zhǎng)，都是基于這個(gè)特性。

1972年桑格和尼克森提出流動(dòng)鑲嵌模型。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)資料的給出，學(xué)生認(rèn)同細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的特點(diǎn)，加深對(duì)膜結(jié)構(gòu)的的印象。

4.總結(jié)主干知識(shí)至此，學(xué)生通過(guò)問(wèn)題串的科學(xué)史，探究出細(xì)胞膜的成分有蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。脂質(zhì)為連續(xù)的兩層，蛋白質(zhì)分布在膜的表面，膜的內(nèi)部以及鑲嵌在細(xì)胞膜上中，且細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)是基于“問(wèn)題串”的科學(xué)史為主線，通過(guò)問(wèn)題串，學(xué)生理清本節(jié)課的思路以及知曉每個(gè)資料間的關(guān)聯(lián)，從而更好地構(gòu)建生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。學(xué)生主動(dòng)思考，討論，并提出問(wèn)題，轉(zhuǎn)被動(dòng)為主動(dòng)學(xué)習(xí)方式，提高了學(xué)生的科學(xué)思維能力。通過(guò)每個(gè)問(wèn)題的表達(dá)，鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力。同時(shí)把科學(xué)史串聯(lián)，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展是集很多科學(xué)家的專(zhuān)業(yè)知識(shí)及智慧實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)科學(xué)史，也是對(duì)學(xué)生滲透品德教育的較好方式，實(shí)現(xiàn)生物核心素養(yǎng)的很好素材。課堂反饋顯示，學(xué)生的參與活動(dòng)的積極性很高，課堂氣氛和諧而融洽，對(duì)每個(gè)材料反映的科學(xué)信息很明確，能夠主動(dòng)地構(gòu)建生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。

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作者簡(jiǎn)介：陳亞榮（1991—），女，苗族，在讀研究生，研究方向：學(xué)科教學(xué)（生物）。