簡易流動鑲嵌模型新學(xué)具的制作和使用*

徐 彤 （江蘇省無錫市輔仁高級中學(xué) 江蘇無錫 214123）

生物膜的流動鑲嵌模型是高中生物學(xué)概念體系中“闡明質(zhì)膜具有選擇透過性”的重要組成部分。為了增強(qiáng)學(xué)生對質(zhì)膜微觀分子水平的認(rèn)知，教師在教學(xué)中通常借助模型教具或?qū)W具輔助。以往使用的學(xué)具大都是用卡紙剪成的具一定形狀的磷脂和蛋白質(zhì)分子，在課堂中讓學(xué)生自由拼接組合。這些學(xué)具的最大缺陷是無法體現(xiàn)仿真磷脂分子“相似相融”的特性，學(xué)生會因為不熟悉分子間聯(lián)系的這種特點，而將磷脂雙分子層拼得雜亂無序，給教師后續(xù)的教學(xué)帶來不必要的麻煩。經(jīng)過實踐，筆者嘗試了一種新的磷脂雙分子層模型學(xué)具的設(shè)計。

1 材料

圓柱形小磁鐵（直徑6 mm、高6 mm 和直徑6 mm、高3 mm 2 種，分別簡稱為“大磁鐵”和“小磁鐵”）、彩色硅膠管（4 mm×6 mm 內(nèi)徑4 mm 外徑6 mm）、長尾夾（19 mm）、硬紙板、美工刀、雙面膠、磁條、磁性白板。

2 制作步驟

2.1 磷脂分子模型的制作 取長尾夾（圖1），沿背部并排塞入2 片6 mm×3 mm 規(guī)格的小磁鐵（圖2）。

圖1 空長尾夾

圖2 嵌磁鐵的長尾夾

將硅膠管剪成8～9 cm 長，向兩端管口各塞入一個6 mm×6 mm 規(guī)格的大磁鐵（圖3）。同一硅膠管兩端的磁鐵的磁極需要設(shè)置為同極，借助磁極的“同性相斥”保證制成磷脂分子模型的“雙尾”不相互粘連（圖4）。

圖3 向管子兩端塞入磁鐵

圖4 兩端磁鐵同極相斥

將塞有磁鐵的硅膠管對折，夾入長尾夾。去除2 個金屬夾臂后，就制成了“磷脂分子”模型。該分子的頭尾形態(tài)結(jié)構(gòu)與磷脂分子十分相似（圖5）。為保證2 排磷脂分子彼此相連的時候能體現(xiàn) “相似相融”，需要等比例制作2 種磷脂分子模型（可用硅膠管的不同顏色區(qū)分）。這2 種顏色分子尾端的磁極應(yīng)是異型能相互吸附的，以便體現(xiàn)“疏水端間的相似相融”；向代表頭部的長尾夾內(nèi)放置小磁鐵時，同樣要注意將磁極設(shè)為異型，保證這2 種分子頭部能相互吸附，以體現(xiàn) “親水端間的相似相融”（圖6）。

圖5 2 種分子模型比較

圖6 模擬分子“相似相融”

2.2 蛋白質(zhì)分子模型的制作 用美工刀將硬紙板裁劃出適當(dāng)大小的不同形狀，用雙面膠和磁條小段在一面進(jìn)行黏附，保證能在磁性白板上順利吸附和移動。

2.3 將制成的磷脂分子與蛋白質(zhì)分子拼接組合成流動鑲嵌模型

本模型的使用方法：由于磷脂分子模型和蛋白質(zhì)分子模型都有“磁性”，所以，可借助磁性白板進(jìn)行多種拼接。

拼接一對“磷脂分子”。由于磷脂分子代表親水端的“頭”和代表疏水端的“尾”都具有磁性，依據(jù)“相似相融”的原理嘗試能順利實現(xiàn)2 個分子的3 種連接（圖7）。由于磁極極性設(shè)置為相同，一種磷脂分子模型的尾與另一種分子的頭部是相互排斥的，不能體現(xiàn)“相似相融”，便于學(xué)生理解這種組合是不能用于構(gòu)建生物膜的（圖8）。

圖7 模擬分子基團(tuán)的相似相融

圖8 模擬親水端與疏水端的不融性

拼接“磷脂雙分子層”。模型中不同磁極的存在使得學(xué)生自主拼接分子的體驗性和準(zhǔn)確性得到明顯提升，學(xué)生自主拼出多種磷脂雙分子層類型，例如，親水端向內(nèi)、疏水端向外（圖9），疏水端向內(nèi)、親水端向外（圖10、圖11）等。

圖9 模擬親水端在內(nèi)的雙分子層

圖10 模擬疏水端在內(nèi)的雙分子層（1）

圖11 模擬疏水端在內(nèi)的雙分子層（2）

拼接“流動鑲嵌模型”。借助磁性白板將正確拼接的磷脂雙分子層固定后，將之前準(zhǔn)備好的蛋白質(zhì)分子模型按照自主設(shè)想的方式進(jìn)行“覆蓋”或“鑲嵌”（圖12、圖13）處理，并在展示交流中互相比較和修正。

圖12 生物模流動鑲嵌模型（1）

圖13 生物膜流動鑲嵌模型（2）

拼接“成型的細(xì)胞輪廓”。使用20～30 個磷脂分子對（或由4～5 組學(xué)生進(jìn)行合作），以及一塊稍大的磁性白板。先在白板上畫出細(xì)胞輪廓，再沿著輪廓連接上磷脂雙分子層，嵌入相應(yīng)蛋白質(zhì)即可。

3 學(xué)具的優(yōu)點

心理學(xué)研究表明，人的思維認(rèn)識規(guī)律是“具體一形象一抽象”。學(xué)具就是一種在課堂中獲得所學(xué)習(xí)概念、事物具體直觀信息的工具。通過使用學(xué)具進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了認(rèn)知活動中學(xué)生多種感官的參與，不僅能滿足學(xué)生的好奇心和探究欲望，還能讓學(xué)生從獲得的體驗中產(chǎn)生思考，加深對事物的理解，有助于提煉形成正確的概念。教學(xué)中所需要的很多觀察信息皆來自于此。本學(xué)具設(shè)計、制作和使用中具有以下幾個優(yōu)點：

1）學(xué)具仿真度高，具有科學(xué)性。本學(xué)具中的磷脂分子模型不僅有著與真實分子結(jié)構(gòu)相似的“頭部”“（雙）尾部”，還能體現(xiàn)磷脂分子“相似相融”結(jié)合的特征。在學(xué)生自主嘗試拼接磷脂雙分子層時，只可能出現(xiàn)“相融、相斥”的2 種情形。然而受到圓磁鐵只有2 個磁極的限制，無法做到“任意2 個”磷脂分子模型拼接時都能如此。于是筆者特意安排將每套學(xué)具中一半的“磷脂分子”硅膠管設(shè)置為一種顏色（基本色），另一半則使用其他多種顏色（非基本色），這樣就能實現(xiàn)將一個“基本色分子”與另一個“非基本色”磷脂分子進(jìn)行“任意拼接”了。

2）學(xué)具耗材簡單，便宜易得。學(xué)具制作的材料和成本直接影響教師使用學(xué)具輔助教學(xué)的積極性，因此，制作學(xué)具所用的材料應(yīng)能從身邊的環(huán)境中輕易得到，而且價格不貴，例如，一副撲克牌能讓學(xué)生很好地體驗“染色體組”“同源染色體”和“非同源染色體”。本學(xué)具主要材料有長尾夾、硅膠管、小圓柱形磁鐵、磁性白板，都可從網(wǎng)絡(luò)購得，每套學(xué)具的材料購置成本約為20 元。

3）學(xué)具零件牢固，拆卸容易。學(xué)具與教具的區(qū)別之一，在于學(xué)具是供給學(xué)生使用的，不同學(xué)生在不同的想法之下很可能會對學(xué)具進(jìn)行難以預(yù)測的擺弄。除了一次性使用的學(xué)具（例如，基因工程中用于模擬轉(zhuǎn)基因操作的印有DNA 堿基序列的紙條）外，學(xué)具的組成零件都需要較牢固，經(jīng)得起學(xué)生反復(fù)拆裝。本學(xué)具拆裝容易。使用過程中如果出現(xiàn)長尾夾損壞，可隨時用同型號的長尾夾進(jìn)行替換；一旦出現(xiàn)磁鐵從硅膠管中脫離掉落，也很容易重新塞入并恢復(fù)原狀。

4）成品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于分享交流。在使用學(xué)具的過程中，不同的學(xué)生會有各自不同的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)他們分享交流各自的思考和發(fā)現(xiàn)是學(xué)具輔助學(xué)習(xí)作用的重要一環(huán)。本學(xué)具由于制作的磷脂分子模型和蛋白質(zhì)分子模型都具有磁性，容易在一個磁性白板上進(jìn)行擺放和固定，方便了學(xué)生間的相互觀摩、交流和修正，優(yōu)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

4 教學(xué)后記

本學(xué)具是本校開展學(xué)具制作研究眾多成果之一，因其創(chuàng)意獨特、制作工藝簡單、取材容易等特點，在市級公開課上使用并受到參觀和聽課教師的一致好評。該學(xué)具利用磁鐵的磁性模擬磷脂分子的“相似相融”原理，吸引了學(xué)生的注意力。一邊聆聽科學(xué)史中關(guān)于對生物膜結(jié)構(gòu)認(rèn)識的故事，一邊拼裝手里的“磷脂分子”，感受著親水端和疏水端“相似相融”的奇妙。他們不僅拼出了“兩兩配對型”的雙分子層（圖5甲、乙），還自主拼出了“交叉型”（圖5丙）、“立體型”（一個磷脂分子與不止2 個磷脂分子相連）等模擬結(jié)構(gòu)。由于使用彩色的硅膠管，在分享展示階段，一幅幅能“流動”的五彩繽紛的“生物膜結(jié)構(gòu)”使課堂氣氛活躍而熱烈。教學(xué)班對照顯示，使用該學(xué)具輔助學(xué)習(xí)班級的學(xué)生，不僅在回答“磷脂雙分子層”“親水端向外、疏水端向內(nèi)”“蛋白質(zhì)不同程度鑲嵌在雙分子層”等特點相關(guān)的判斷、描述類問題時優(yōu)勢明顯，而且在“膜分子大都具有流動性“生物膜具有選擇透過性”等現(xiàn)象原理的闡述方面，也表達(dá)得更加清晰、準(zhǔn)確。