基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)科學(xué)思維培養(yǎng)模式
——以“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例

（廣州市玉巖中學(xué) 廣東·廣州 510700）

高中生物的教學(xué)是高中教育體系中的重中之重，與其他學(xué)科相比較，這門學(xué)科是一門綜合性極強(qiáng)的學(xué)科，涉及各方面的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在實(shí)際教學(xué)中教師不僅要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貍魇谖覈咧猩锝滩闹械幕局R，還要照顧到學(xué)生的心理意志和情緒，更要培養(yǎng)他們掌握深入學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣，而不是用原始的學(xué)習(xí)方法去學(xué)習(xí)越來越高端的生物知識。

科學(xué)思維的培養(yǎng)應(yīng)該放在高中自然科學(xué)課程的教學(xué)過程中，其中的一個重要策略就是論證和科學(xué)論證，并以此來發(fā)展學(xué)生的論證技能，促進(jìn)他們科學(xué)思維的發(fā)展。論證探究式教學(xué)模型(argument-driven inquiry,ADI)由美國Victor Sampson等人提出,是將探究性實(shí)驗(yàn)和論證過程整合在一起,并融合了其他科學(xué)中常規(guī)的實(shí)踐活動。

本節(jié)教學(xué)設(shè)計的主題是“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”，依據(jù)主題確定教學(xué)目標(biāo)為：

（1）基于教師提供的情景和已有知識，推理出細(xì)胞膜的三種功能。（2）通過對科學(xué)史進(jìn)行分析，歸納細(xì)胞膜的成分，并利用各種成分構(gòu)建細(xì)胞膜的空間結(jié)構(gòu)，概述細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型。（3）闡明細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜功能，建立結(jié)構(gòu)與功能觀。

本節(jié)課的教學(xué)思路是：

（1）基于教師提供的情景和已有知識，推測細(xì)胞膜三大功能。（2）基于細(xì)胞膜的科學(xué)探究史，角色扮演，分析細(xì)胞膜的成分，推測細(xì)胞膜的空間結(jié)構(gòu)，同時關(guān)注相關(guān)學(xué)科、技術(shù)發(fā)展對生物的影響。（3）基于新學(xué)知識，闡明細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜功能。

1 列舉事實(shí)和現(xiàn)象和類比推理，推測細(xì)胞膜三大功能

提供大腸桿菌、酵母菌、變形蟲、神經(jīng)細(xì)胞、植物葉肉細(xì)胞顯微圖片，并提問：

上述細(xì)胞共有的結(jié)構(gòu)是？

觀察雞蛋結(jié)構(gòu)視頻，并提問：

卵細(xì)胞的邊界是什么？

晃動放在培養(yǎng)皿中的卵細(xì)胞，卵黃沒有散開，猜想卵黃膜有什么作用？

用臺盼藍(lán)染料給酵母菌細(xì)胞染色時，死細(xì)胞會被染成藍(lán)色，而活細(xì)胞不會著色。說明細(xì)胞膜具有什么功能？

學(xué)校校門閘機(jī)能識別校內(nèi)車輛和校外車輛，細(xì)胞膜是否也有類似功能？

血液中的葡萄糖變成肝臟細(xì)胞中的肝糖原需要肝臟細(xì)胞外的胰島素的調(diào)節(jié)，這說明細(xì)胞膜具有什么功能？

通過多種細(xì)胞類比，得出細(xì)胞膜是細(xì)胞的邊界。觀察雞蛋結(jié)構(gòu)，感知卵細(xì)胞膜的存在和功能。通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出細(xì)胞膜具有控制物質(zhì)進(jìn)出的功能。通過類比學(xué)校校門閘機(jī)能識別校內(nèi)車輛和校外車輛，推測細(xì)胞膜也具有信息交流的功能，血糖轉(zhuǎn)變肝糖原的過程證明細(xì)胞膜的信息交流功能。

2 根據(jù)有關(guān)科學(xué)史資料，角色扮演，分析細(xì)胞膜的成分，推測細(xì)胞膜的空間結(jié)構(gòu)

幾百年前，人們就在光學(xué)顯微鏡下觀察到細(xì)胞，但很長時間里卻并不清楚細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，甚至一度懷疑細(xì)胞是否有一個明確的邊界。直到上個世紀(jì)70年代才提出了著名的細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型。請同學(xué)們根據(jù)科學(xué)史實(shí)和相關(guān)技術(shù)，分析、探究細(xì)胞膜的成分和空間結(jié)構(gòu)。

2.1 細(xì)胞膜的成分

資料1：19世紀(jì)末，歐文頓實(shí)驗(yàn)。

用500多種物質(zhì)對植物細(xì)胞進(jìn)行上萬次的通透性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜。

補(bǔ)充知識點(diǎn)1：相似相溶原理：是指由于極性分子（例如水分子）間的電性作用，使得極性分子組成的溶質(zhì)易溶于極性分子組成的溶劑，難溶于非極性分子（例如脂肪分子）組成的溶劑……

問題1：歐文頓的結(jié)論是？如何證明是何種脂質(zhì)？

【角色扮演一】選取什么材料？用什么實(shí)驗(yàn)方法？

資料2：科學(xué)家利用動物的卵細(xì)胞、紅細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等作為研究材料，并利用哺乳動物的紅細(xì)胞，通過一定的方法制備出純凈的細(xì)胞膜，進(jìn)行化學(xué)分析，得知組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)，有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。

資料3：1935年，英國學(xué)者發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的表現(xiàn)張力，明顯低于油—水界面的表面張力。

補(bǔ)充知識點(diǎn)2：人們發(fā)現(xiàn)油脂滴表面如果吸附有蛋白質(zhì)成分，則表面張力會降低。

問題2：推測細(xì)胞膜除含脂質(zhì)分子外，可能還會有什么物質(zhì)？

2.2 細(xì)胞膜的空間結(jié)構(gòu)

資料4：呈現(xiàn)磷脂分子空間模式圖：磷脂是組成細(xì)胞的主要脂質(zhì)，是一種由甘油、脂肪酸、和磷酸等所組成的分子。它有一個親水磷酸“頭”部，和一個疏水的脂肪酸的“尾”部。

【角色扮演二】磷脂分子在空氣—水界面上會怎么樣鋪展？磷脂分子在細(xì)胞膜中可能怎樣排布？你會提出什么假說？

【角色扮演三】如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞膜中存在磷脂雙分子層？用什么實(shí)驗(yàn)材料？選取何種實(shí)驗(yàn)方法？預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果是什么？

首先是純文學(xué)陣地大面積失守。純文學(xué)原有陣地包括圖書、期刊、報紙副刊三大塊。出版社被推向市場后，經(jīng)濟(jì)效益成為更現(xiàn)實(shí)的問題，純文學(xué)圖書的出版日漸蕭條，單本書平均銷量持續(xù)下滑，達(dá)不到一定發(fā)行量的純文學(xué)作品基本無緣面世。受新媒體沖擊，報業(yè)立足生存嘗試各種改版，產(chǎn)生不了直接經(jīng)濟(jì)效益的文學(xué)副刊大多被文化娛樂版面替代，即便保留也是替補(bǔ)角色，上場機(jī)會極少。純文學(xué)陣地僅剩文學(xué)期刊，這塊陣地也大片丟失，“最后還在頑強(qiáng)堅(jiān)守的能夠刊載原創(chuàng)純文學(xué)作品的刊物也就幾十家了。在這幾十家中目前可以以發(fā)行量生存的不足十家，大多數(shù)是要依賴政府的公益撥款來維持生命的?！保?］

資料5：1925年兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，從空氣—水界面上鋪成單分子層，測個單分子層的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍，由此推斷細(xì)胞膜中磷脂分子必然排列為連續(xù)的兩層。

磷脂分子空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)清晰，那么細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)如何分布？

資料6：羅伯特森電鏡實(shí)驗(yàn)圖片：細(xì)胞膜：“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

補(bǔ)充知識點(diǎn)3：電子束照射在分子質(zhì)量高(蛋白質(zhì))的物質(zhì)上，散射度高，較為黑暗；照射在分子質(zhì)量低(脂質(zhì))的物質(zhì)上，散射度低，較為明亮。

問題3.蛋白質(zhì)與磷脂的空間關(guān)系如何？蛋白質(zhì)與磷脂的空間關(guān)系是否一成不變？

資料7：變形蟲運(yùn)動（視頻）和人鼠細(xì)胞雜交實(shí)驗(yàn)。

問題4.細(xì)胞膜是動態(tài)還是靜態(tài)？其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是？

資料8：冰凍蝕刻細(xì)胞膜實(shí)驗(yàn)：將細(xì)胞膜置于-100℃的干冰或-196℃的液氮中，進(jìn)行冰凍。

補(bǔ)充知識點(diǎn)4：用冷刀驟然將標(biāo)本斷開，升溫后，干冰在真空條件下迅即升華，暴露出斷面結(jié)構(gòu)，稱為蝕刻。在電鏡觀察。

得出桑格和尼克森流動鑲嵌模型。

細(xì)胞膜的研究和進(jìn)展與科學(xué)技術(shù)的不斷更新是密不可分的，細(xì)胞膜的研究歷程很好地體現(xiàn)了科學(xué)與技術(shù)之間相互促進(jìn)的關(guān)系。教師帶領(lǐng)學(xué)生對科學(xué)史進(jìn)行分析時，通過層層設(shè)問，角色扮演，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)是不斷探究和尋找新的實(shí)證，從而培養(yǎng)其科學(xué)思維。

3 闡明細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜功能

問題1：磷脂雙分子層怎樣決定細(xì)胞膜功能？

問題2：蛋白質(zhì)不對稱分布怎樣決定細(xì)胞膜功能？

問題3：糖蛋白怎樣決定細(xì)胞膜功能？

問題4：磷脂和大部分蛋白質(zhì)的運(yùn)動性怎樣決定細(xì)胞膜功能？

根據(jù)磷脂分子不溶于水的特點(diǎn)可以推測水、離子、糖類等親水性物質(zhì)，必須通過膜上的蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，為物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞學(xué)習(xí)埋下伏筆。根據(jù)糖在細(xì)胞膜上分布不均的特點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生思考其與信息交流功能的關(guān)系。最后通過近幾年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎指出目前細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能仍是研究的熱點(diǎn)，讓學(xué)生意識到科學(xué)是不斷深入與發(fā)展的。

生物學(xué)科的根本任務(wù)是提高學(xué)生終身發(fā)展所需的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在生物學(xué)課程教學(xué)過程當(dāng)中，充分發(fā)掘生物科學(xué)史中資料，分析科學(xué)研究過程中如何分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象甚至是前人的科學(xué)研究現(xiàn)象，本課盡量模擬每段科學(xué)史探究情景，層層設(shè)置問題，并通過角色扮演，引導(dǎo)學(xué)生思考甚至提出新的假設(shè)，并親自設(shè)計實(shí)驗(yàn)來證明自己的假設(shè)并最終得出結(jié)論。

在整個教學(xué)過程中，通過教師的問題情境創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會如何提出問題、支持、評價以及修正觀點(diǎn)并得出結(jié)論，讓學(xué)生在問題串與情境中開展深度思考，并引導(dǎo)學(xué)生深度參與，讓他們體會了學(xué)習(xí)的快樂，增強(qiáng)了對知識的探究欲望，并從實(shí)際操作中獲得滿足感。從而在潛移默化中提高了自己的科學(xué)思維。