基于科學(xué)史和模型建構(gòu)的“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”教學(xué)設(shè)計(jì)

鄒 艷

(廣東省廣州市第五中學(xué) 廣州 510220)

1 教材分析

本節(jié)內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)了細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例之后，目的是先明確生物膜的選擇透過性功能之后再揭示生物膜的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)次位概念[1]“質(zhì)膜能控制物質(zhì)進(jìn)出”本質(zhì)的理解逐步幫助學(xué)生在大腦中形成“生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。本節(jié)教材包含兩大部分： 一是科學(xué)家對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索，二是建構(gòu)生物膜的結(jié)構(gòu)模型，兩者經(jīng)緯交錯(cuò)。因此本節(jié)課主要是讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)家的一個(gè)個(gè)探究過程，通過逐步建構(gòu)、修正模型來(lái)厘清思路，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究方法[2]，培養(yǎng)科學(xué)思維方式“假說—演繹法”，也為必修2《遺傳與進(jìn)化》中假說—演繹法的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過初中的學(xué)習(xí)，高一的學(xué)生對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)知，對(duì)事物的分析判斷能力正在逐步形成。但是學(xué)生的科學(xué)思維方式還沒有得到系統(tǒng)地培養(yǎng)，對(duì)知識(shí)只是機(jī)械理解和重復(fù)記憶。因此需要教師有意識(shí)地引導(dǎo),讓學(xué)生能通過自身對(duì)生物膜的一步步探索來(lái)主動(dòng)學(xué)習(xí)，掌握運(yùn)用“理性思維”——演繹與推理、模型與建模等探討生命現(xiàn)象。

本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)是結(jié)合科學(xué)發(fā)展史的層層探索過程，闡述生物膜流動(dòng)鑲嵌模型基本內(nèi)容；本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)是對(duì)生物膜流動(dòng)鑲嵌的理解及結(jié)構(gòu)和功能觀的體現(xiàn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過層層探索，認(rèn)同生物膜由物質(zhì)構(gòu)成，具有精密的結(jié)構(gòu)，具備相應(yīng)的功能；能簡(jiǎn)述生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容，建立結(jié)構(gòu)與功能觀。

(2) 通過觀察教師給出的情境設(shè)問、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案并通過建構(gòu)模型來(lái)交流討論，系統(tǒng)掌握科學(xué)探究的基本方法，增強(qiáng)求知欲；嘗試制作生物膜模型，鍛煉學(xué)生的空間想象能力和動(dòng)手操作能力。

(3) 通過科學(xué)史的層層探索，逐步發(fā)展科學(xué)思維——假說演繹法。

(4) 利用本地各種水果來(lái)搭建生物膜模型，讓學(xué)生真正接觸到生命物體，感受到自身研究的問題其實(shí)就是生命的本真。

3 教學(xué)過程

3.1 小實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 學(xué)生活動(dòng)： 給每個(gè)小組一小瓶水油混合物，用力搖動(dòng)后還是不相融合，滴加蘇丹Ⅲ染液后只有上層的油被染上顏色，水還是無(wú)色，教師設(shè)問：“水油為什么不相融，而油與染色劑相融？”讓學(xué)生明確化合物具有“相似相溶”的特性。教師導(dǎo)入： 大家課桌上的水果有什么辦法可推測(cè)其細(xì)胞膜的成分嗎？

設(shè)計(jì)意圖： 由于化學(xué)知識(shí)還沒到位，高一學(xué)生的元認(rèn)知中對(duì)化合物的“相似相溶”原理并不清楚，通過此直觀演示，學(xué)生瞬間明了相似相溶的現(xiàn)象，達(dá)到了有效學(xué)習(xí)的目的。該情境設(shè)置也為歐文頓的實(shí)驗(yàn)探究做好鋪墊。

3.2 通過對(duì)科學(xué)史的探索[3]，建構(gòu)模型 具體教學(xué)設(shè)計(jì)過程如下：

3.2.1 對(duì)生物膜成分的探索 資料1： 19世紀(jì)末的歐文頓也有相似的想法，曾用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)次的研究,在自己堅(jiān)持不懈的努力下發(fā)現(xiàn)： 脂溶性分子易通過，而非脂溶性分子則難以通過。

學(xué)生在前知識(shí)的鋪墊下說出：“細(xì)胞膜的成分里有脂質(zhì)”，教師引導(dǎo)這是結(jié)論還是假說，還有必要通過對(duì)膜的成分進(jìn)行提取和鑒定來(lái)驗(yàn)證嗎？師生共同總結(jié)出科學(xué)思維方式“假說—演繹法”，即通過觀察到的事實(shí)，先提出問題，再通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂笞龀龊侠淼募僭O(shè)，最后還需其他實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和完善。

教師設(shè)問： 如何分離出較純凈的細(xì)胞膜，用水果細(xì)胞可以嗎？如何鑒定細(xì)胞膜中含有脂質(zhì)呢？聯(lián)系前知學(xué)生思維之火迸發(fā)，考慮使用蘇丹Ⅲ染液，教師及時(shí)修正后指出生物學(xué)研究也離不開化學(xué)等學(xué)科的支撐。

資料2： (驗(yàn)證)20世紀(jì)初，科學(xué)家將細(xì)胞膜從哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞中分離出來(lái)，通過化學(xué)分析得出結(jié)論“膜的主要成分是磷脂和蛋白質(zhì)”。

設(shè)計(jì)意圖： 首先是從細(xì)胞膜的組成成分開始研究，層層上升，聯(lián)系舊知深化新知，建立知識(shí)掌握的連貫性；同時(shí)意識(shí)到?jīng)]有跨學(xué)科知識(shí)的儲(chǔ)備也很難在某一個(gè)學(xué)科取得成就。其次是通過科學(xué)家的探索歷程逐步領(lǐng)悟科學(xué)的思維方式。

教師順勢(shì)導(dǎo)入：“明確了組成細(xì)胞膜的成分，那么這些成分是如何構(gòu)成生物膜的？”

3.2.2 對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索 教師介紹磷脂分子的特性后設(shè)定情境： 假設(shè)在空氣—水界面，磷脂分子如何排布？

學(xué)生第一次建?；顒?dòng)： 教師提供的硬質(zhì)泡沫板可當(dāng)作水面，葡萄加牙簽可模擬磷脂分子，各小組聯(lián)系化學(xué)知識(shí)推理并大膽推測(cè)，在泡沫板上建構(gòu)多個(gè)磷脂分子排布模型。模型完成后教師可用手機(jī)拍攝后在投影屏上同屏，各小組討論后修正完善模型。

教師拋出問題： 細(xì)胞膜上的磷脂分子又是怎么分布的？各小組討論后建模，說出相應(yīng)的依據(jù)。此次建模可以幫助教師掌握學(xué)生的原有認(rèn)知，做到有的放矢。教師在充分肯定學(xué)生的思維能力后提出：“各小組提出的看法是假說還是結(jié)論，要怎樣論證？”教師展示科學(xué)家的論證實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考學(xué)習(xí)。

資料3： (驗(yàn)證)1925年，兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從紅細(xì)胞中抽提出脂質(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)胞表面積的兩倍。證實(shí)： 細(xì)胞膜由兩層磷脂分子構(gòu)成。

學(xué)生第二次建模活動(dòng)： 用兩塊硬質(zhì)泡沫板模擬細(xì)胞膜內(nèi)外的液體環(huán)境，利用葡萄和牙簽完善膜的磷脂雙分子層模型。

設(shè)計(jì)意圖： 通過情境設(shè)定，培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力，并通過建模直觀展示自己的觀點(diǎn)，將假說—演繹法的思維方式進(jìn)一步強(qiáng)化。使用泡沫板和葡萄作為建模材料，方便用牙簽固定，并可以隨時(shí)修改完善模型。考慮到學(xué)生模型不方便直接呈現(xiàn)，筆者找到兩個(gè)較好的展示方法： 其一是下載一款手機(jī)同屏的應(yīng)用程序，在手機(jī)與電腦同一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)情況下可以將手機(jī)與電腦同屏，實(shí)現(xiàn)手機(jī)拍照后實(shí)時(shí)上傳；其二是若無(wú)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，也可以手機(jī)拍照后直接在投影儀投影或手機(jī)接U盤后連接電腦展示，都可以大大提高課堂教學(xué)效率。

教師再次拋出問題： 蛋白質(zhì)在哪里？學(xué)生興趣高昂，紛紛表述自己的看法。教師適時(shí)提出科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步有助于解開這個(gè)謎題，使學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步的重要性。

3.2.3 技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)生物膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展 資料4： 1959年，羅伯特森在電鏡下看到了細(xì)胞膜的清晰的暗—亮—暗三層結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)密度高表現(xiàn)暗色，于是他大膽提出生物膜都是由蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)構(gòu)成的“三明治”靜態(tài)模型。

這一次眼見真的為實(shí)嗎？教師引導(dǎo)學(xué)生利用觀察實(shí)驗(yàn)材料葡萄，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，對(duì)靜態(tài)模型提出自己的見解；隨后播放變形蟲吞噬食物的視頻加以證明。至此對(duì)細(xì)胞膜的研究似乎進(jìn)入瓶頸，隨后新技術(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)新的模型。

資料5： (動(dòng)畫展示)1970年科學(xué)家用熒光標(biāo)記人、鼠細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)進(jìn)行細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)是可以運(yùn)動(dòng)的，表明細(xì)胞膜是流動(dòng)的而不是靜止的。資料6： 冰凍蝕刻電子顯微技術(shù)顯示細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)并不全鋪在脂質(zhì)表面，有的呈鑲嵌分布。至此生物膜模型呼之欲出。

學(xué)生第三次建模活動(dòng)： 利用蘋果切片代表不同的蛋白質(zhì)，在原有模型的基礎(chǔ)上各小組繼續(xù)進(jìn)一步建構(gòu)生物膜的模型，分組展示成果，并嘗試用自己的語(yǔ)言表述，學(xué)生感受到合作探究帶來(lái)的成就感。

設(shè)計(jì)意圖： 使學(xué)生認(rèn)識(shí)到在人類的科學(xué)探索過程中，技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用，跨學(xué)科知識(shí)的理解是形成創(chuàng)新型人才必備的能力；使用泡沫、水果、牙簽等建模材料，方便學(xué)生隨時(shí)修改完善自己的作品，也深深領(lǐng)悟到科學(xué)成果的獲得并不是一蹴而就的，需要堅(jiān)持不懈的努力和孜孜不倦的探索。

3.3 探討歸納，建構(gòu)概念模型形成“科學(xué)概念” 資料7： (動(dòng)畫展示)1972年桑格和尼克桑共同合作提出生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。教師設(shè)問： 鑲嵌的含義是什么？流動(dòng)性是通過什么體現(xiàn)的？該設(shè)問有助于學(xué)生深層認(rèn)知膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成正確的“科學(xué)概念”。利用導(dǎo)學(xué)案，師生再攜手建構(gòu)生物膜的概念模型，幫助學(xué)生全面理解生物膜流動(dòng)鑲嵌模型所代表的含義，教師補(bǔ)充糖被的成分與作用，學(xué)生利用玉米粒完善模型。

教師再引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)推測(cè)其功能： 細(xì)胞膜中的磷脂分子有什么作用？鑲嵌或橫跨分布的蛋白質(zhì)所發(fā)揮的作用會(huì)是什么呢？讓學(xué)生充分表達(dá)自己的想法，學(xué)生大腦中自然形成了生命觀念“結(jié)構(gòu)功能觀”。結(jié)束語(yǔ)： 生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型是否已經(jīng)完美無(wú)缺呢？使學(xué)生意識(shí)到科學(xué)探索的腳步是永不停息的。

設(shè)計(jì)意圖： 建構(gòu)概念模型，從直觀認(rèn)知上升到科學(xué)概念的形成，培養(yǎng)科學(xué)思維，有利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，幫助形成生命觀念。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課充分利用了生物膜探索的科學(xué)史，學(xué)會(huì)科學(xué)探究方法，領(lǐng)悟科學(xué)思維的方式；再利用水果為材料建構(gòu)模型，感受生命的本真，鍛煉動(dòng)手能力，改變單純機(jī)械記憶知識(shí)的習(xí)慣，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。