基于情境創(chuàng)設策略的“生物膜的流動鑲嵌模型”教學設計*

汪興澤（泰興市教師發(fā)展中心 江蘇泰興 225400）

生物學學科核心素養(yǎng)是學生在生物學課程學習過程中逐步發(fā)展來的，在解決真實情境中的實際問題時所表現(xiàn)的價值觀念、必備品格與關鍵能力，是學生知識、能力、情感態(tài)度與價值觀的綜合體現(xiàn)［1］。在“生物膜的流動鑲嵌模型”教學設計中基于情境創(chuàng)設策略，通過做實驗、觀看視頻等真實情境，促進學生在學習過程中提升生物學學科核心素養(yǎng)。

1 教學分析

本節(jié)課為人教版高中《生物》必修1 第4 章第2 節(jié)的內容，主要介紹科學家建立生物膜模型的過程。學生已學習了細胞的基本結構及水分的跨膜運輸，對細胞膜有初步了解，是學習此內容的基礎。本節(jié)內容的學習，又為下一節(jié)“物質的跨膜運輸方式”的學習奠定基礎。因此，本節(jié)課具有承上啟下的重要意義。本節(jié)教學設計力圖激發(fā)學生的好奇心，引導學生基于事實和證據進行歸納與概括、演繹與推理、模型與建模，讓學生體驗對問題解釋的過程，提升學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

2 教學目標

1）觀看卵黃膜具彈性的視頻，動手做“油水不相容”的實驗，在真實的情境中培養(yǎng)學生的觀察、分析能力。

2）對歐文頓等科學家設計的經典實驗進行再探究，訓練基于事實和證據進行歸納與概括、演繹與推理等能力。

3）學習生物膜流動鑲嵌模型構建的科學史，體驗流動鑲嵌模型建立的過程和方法。

4）嘗試構建生物膜的流動鑲嵌模型，理解該模型的基本內容，認同科學的本質是科學探究。

3 教學方法

我國古代思想家荀子曾言“聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之。”埃德加·戴爾的“學習金字塔理論”指出：“我聽過的我會忘記，我看過的我會記得，我做過的才會理解”；杜威指出：真的科學之所以重要，不在它的結果，而在它的方法——就是重要在這些積聚的知識是怎樣來的［2］。布魯納主張學生在學習過程中要像科學家一樣做科學。

親身實踐能激起學生的感性認知，獲得生動的表象，促進學生相對全面而深刻地理解。唯有創(chuàng)設真實的情境，才能讓學生感同身受。因此，筆者設計讓學生動手做實驗、觀看視頻，為學生觀察提供真實的學習情境，激發(fā)學生的興趣；提供歐文頓等科學家的研究資料，通過自主合作探究式學習，讓學生沿著科學家探究的足跡，思考設計好的問題串（難度層層遞進），體驗對問題解釋的過程，從而深入理解流動鑲嵌模型的基本內容。此外，適當結合講授法、談話法等教學方法，解答學生所遇困惑；參照PISA 考試理念精選試題，適當練習，鞏固學生所學。

4 教學過程

4.1 導入新課 播放視頻：打碎雞蛋，可見完整的卵黃（圖1-a）；用筷子輕輕戳一戳卵黃，可感知其具有一定的彈性（圖1-b）；稍用力，可見卵黃流出（圖1-c）。未受精的雞蛋，其卵黃可看作一個巨大的卵細胞，卵黃膜就是它的細胞膜。從學生熟悉的生活經驗導入，能迅速激發(fā)學生的學習興趣。

圖1 攪動卵黃視頻的截圖

4.2 探究磷脂雙分子層在水溶液中的排列方式 設計一個小實驗：學生2 人一組，每組有1 瓶水油混合物，用力搖動后靜止片刻。讓學生觀察“水和油不能相溶”的現(xiàn)象。滴加適量的蘇丹III 染液后再用力搖動，靜止片刻。可讓學生親身體驗“相似才能相溶”，為理解歐文頓的推測奠定基礎。

用PPT 展示科學家對生物膜結構探究歷程的相關資料。通過資料分析，讓學生沿著科學家探究的足跡，體驗對問題解釋的過程。首先，歐文頓曾用500 多種化學物質對植物細胞的通透性進行了上萬次實驗，結果表明脂溶性物質優(yōu)先通過細胞膜進入細胞。據此，他猜測細胞膜是由脂質組成的。20世紀初，科學家第1 次從哺乳動物的紅細胞中分離出膜，化學分析表明其主要成分是脂質和蛋白質。

組成細胞膜的成分是如何構建細胞膜的？ 用PPT展示：初識生物膜中最普遍存在的卵磷脂。以卵磷脂為代表的磷脂分子具有“兩親性”，頭部一端親水，尾部一端疏水。生活中，人們也會用到某些具有“兩親性”的物質。例如，雙手沾滿了油脂，用自來水無法沖洗干凈，怎么辦？根據生活經驗，學生會回答“用肥皂、洗手液等”。肥皂、洗手液的有效成分主要是一些“兩親性”物質。洗手時，親脂基團結合油脂，在流水下被親水基團帶走，手就洗干凈了。

如果將磷脂置于空氣-水界面，磷脂分子將會如何排列？ 將其壓入水溶液中時，又將會如何排列？ 提出這些問題，激發(fā)學生想象，啟發(fā)學生積極思考。2 位荷蘭科學家戈特（Groter）和格倫德爾（Grendel）用丙酮從人的紅細胞中提取脂質，在水面上鋪展成單分子層（用PPT 展示磷脂在空氣－水界面的排列示意圖），最終測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2 倍。于是他們得出：細胞膜中的脂質分子必然排列為連續(xù)的2 層。

水溶液中2 層磷脂是如何排列的？ 學生觀看教師自拍的小視頻：塑料薄膜漂浮在水面上，用玻璃棒從中間壓入水中，在水中輕輕一卷。據此畫面猜測水溶液中2 層磷脂的排列方式，并要求學生在草稿紙上畫出自己所猜測的。從生活經驗出發(fā)，培養(yǎng)學生的演繹推理能力。教師提供資料：電子顯微鏡下觀察到的純磷脂在水溶液內形成脂質體圖片（圖2）。圖片顯示的脂質體直徑大小在25 nm～1 mm,封閉的雙層結構中磷脂分子疏水基團兩兩相對在內，親水基團分別朝向兩側排列［3-4］。展示具有代表性的學生所畫示意圖，重視評價的診斷作用、鼓勵作用和促進作用。

圖2 純磷脂在水溶液內形成脂質體的電鏡照片［4］

4.3 流動鑲嵌模型的建立過程 了解了細胞膜上磷脂分子的排列方式，蛋白質分子在細胞膜中又是如何分布的？ 提供資料：1959年，羅伯特森在電鏡下觀察到細胞膜清晰的暗-亮-暗的3 層結構照片。電鏡下觀察到的中間亮層是脂質分子，兩側暗層是蛋白質分子。因此，他提出蛋白質-脂質-蛋白質的“三明治”型靜態(tài)生物膜模型（注意：這里的生物膜包括細胞膜、細胞器膜和核膜）。

羅伯特森的觀點是否完美？ 培養(yǎng)學生基于質疑、探究的批判性思維能力。展示人鼠細胞融合實驗示意圖：1970年，科學家用發(fā)綠色熒光的染料標記小鼠細胞表面的蛋白質分子，發(fā)紅色熒光的染料標記人細胞表面的蛋白質分子，通過技術手段促進二者融合。實驗表明細胞膜具有流動性。用多媒體展示變形蟲攝取食物的片段，可直接觀察到變形蟲的細胞膜具有流動性。

可見，“靜態(tài)生物膜模型”并不完美。用多媒體展示：利用電鏡加上冰凍蝕刻技術觀察到的細胞膜冰凍蝕刻模式圖。學生可觀察到細胞膜內、外的蛋白質顆粒分布不均勻、不對稱，也并不是全部鋪在脂質表面，而是部分呈鑲嵌分布。在新的實驗和觀察的基礎上，桑格和尼克森提出了為大多數人所接受的生物膜流動鑲嵌模型。其基本內容是：磷脂雙分子層構成生物膜的基本支架，具有流動性。蛋白質分子或鑲在磷脂雙分子層的表面，或部分或全部嵌入磷脂雙分子層，或貫穿于整個磷脂雙分子層。蛋白質分子大多數也是可運動的。

回顧科學家建立生物膜模型的過程，促動學生感悟科學的本質。一個理論從提出到完善，往往需要幾代人、許多科學家的共同努力；科學技術的發(fā)展促進了科學理論的進步，科學理論不是簡單地否定與肯定，而是基于事實、證據，在質疑中不斷發(fā)展，在繼承中不斷前進。流動鑲嵌模型只是一個與已有證據較為吻合的理想化模型，人們對生物膜的認知仍在不斷向前發(fā)展。此時教師簡單介紹糖被。糖被位于細胞膜外表，具有保護、識別、潤滑的作用。

4.4 作業(yè)

1）當堂訓練，完成教材第69 頁的基礎題。

2）下圖（圖3）示意由磷脂分子構成的脂質體，它可作為運載體，將外源DNA 等導入動物細胞。請思考：①脂質體能與動物細胞膜融合的結構基礎是什么？②為什么外源DNA 能被包在雙分子層的水溶液中？ 如果用脂質體作為脂溶性藥物的運載體，脂溶性藥物將被包在脂質體的何處？

圖3 包含外源DNA 的脂質體示意圖

3）參照教材第69 頁的課外制作資料，各小組分工嘗試構建“流動鑲嵌模型”。讓學生真正“從做中學”，培養(yǎng)其合作交流能力。下節(jié)課比一比哪個小組做得好，通過評價促發(fā)展。

5 板書設計

以概念圖的形式設計板書（圖4），促進學生將所學知識結構化［5］。

圖4 生物膜的組成等相關概念圖

6 教學反思

從敲碎雞蛋感知細胞膜存在的視頻導入新課，用洗手液能洗凈雙手的解釋理解雙親分子，用塑料薄膜壓入水中的存在狀態(tài)猜測磷脂在水中的排列方式，是關注學生已有的生活經驗，充分調動學生的學習興趣。設計“水油不相溶、相似才相溶”等低成本、低消耗的實驗，創(chuàng)設真實的情境，能增強學生對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學生的觀察能力，促進學生掌握科學探究的基本方法。

維薩里批評那些只研究蓋倫著作的教授，因為他們給學生講授的內容自己并沒有親自觀察過。維薩里甚至告訴自己的學生，在殺豬店里學到的東西也比從自以為了不起的教授那里學到的多［6］。實驗教學和探究活動所創(chuàng)設的真實情境，對學生實驗技能的訓練、科學思維的培養(yǎng)，科學探究能力的提升等具有不可替代的作用。但調查發(fā)現(xiàn)重講授輕實驗、輕探究的現(xiàn)象在中學生物學教學中普遍存在，分析其原因主要有：實驗教學和探究活動準備耗力、過程耗時，造成很多要求動手的實驗課被簡略成說實驗，應組織學生進行科學探究的學習活動被簡略成讀、背概念。如何改變不夠重視實驗教學和探究活動的狀況，切實提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)，仍是任重而道遠。