基于模型構(gòu)建的高中生物課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

楊旭

摘 要：模型構(gòu)建是高中新課程標(biāo)準(zhǔn)以及教材提出的一種科學(xué)的分析問題的方法，是分析一些復(fù)雜生物學(xué)問題的有效手段之一。筆者將物理模型引入“細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索”一部分內(nèi)容的教學(xué)，課堂教學(xué)設(shè)計(jì)基于科學(xué)史實(shí)，通過模型的構(gòu)建過程，對(duì)學(xué)生分析和解決問題的能力、批判性思維、建模思想等進(jìn)行鍛煉，讓學(xué)生充分體會(huì)科學(xué)探索的過程。

關(guān)鍵詞：物理模型;科學(xué)探究;科學(xué)思維

在新課程改革的背景下，培養(yǎng)學(xué)生“生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任”等生物學(xué)科核心素養(yǎng)已成為課堂教學(xué)的指導(dǎo)思想，教師作為學(xué)習(xí)活動(dòng)的指導(dǎo)者，在優(yōu)化學(xué)習(xí)方式、改進(jìn)評(píng)價(jià)方法、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。教師在教學(xué)活動(dòng)中要改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將一些更加有效地教學(xué)方法引入課堂教學(xué)，其中構(gòu)建模型就是高中新課程標(biāo)準(zhǔn)以及教材提出的一種科學(xué)的分析問題的方法，是分析一些復(fù)雜生物學(xué)問題的有效手段之一。

一、物理模型的制作

物理模型是指以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象特征的模型，包括靜態(tài)的結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)的過程模型。物理模型的特點(diǎn)是實(shí)物或圖畫的形態(tài)結(jié)構(gòu)與真實(shí)事物的特征、本質(zhì)非常相像，大小一般是按比例放大或縮小的，可以讓學(xué)生更直觀的理解概念、生理結(jié)構(gòu)或過程，同時(shí)這也保證了利用物理模型進(jìn)行問題分析的科學(xué)基礎(chǔ)。

（一）教師演示模型

膜的基本支架是磷脂雙分子層，由于學(xué)生有機(jī)化學(xué)知識(shí)的缺乏，他們對(duì)磷脂分子頭部親水、尾部疏水不甚理解，教師可以制作物理模型幫助學(xué)生理解磷脂分子在水面上的排布問題。

1.制作

用乒乓球代表親水磷脂頭部，塑料棒代表疏水脂肪酸鏈尾部，為了使磷脂分子能夠頭部朝下，在乒乓球內(nèi)部加入一定質(zhì)量的小鋼珠并用膠水固定在一端，在另一端的乒乓球表面打孔并插入兩個(gè)塑料棒，再用膠水固定（如圖1）。

2.應(yīng)用

在介紹磷脂分子在水中排布特點(diǎn)時(shí)，制作出來(lái)的一組磷脂分子模型放在水面上，就會(huì)呈現(xiàn)頭部朝下，尾部朝上的排列，給學(xué)生更加直觀的印象。

（二）學(xué)生操作模型

1.制作

用塑料片或硬紙片制作成磷脂分子、蛋白質(zhì)分子和糖鏈的形態(tài)，下面粘貼相應(yīng)大小的磁鐵，這樣就制作成了小型的磷脂分子、蛋白質(zhì)分子和糖鏈的物理模型（如圖2）。再用A4紙大小的磁性紙做背板，這樣學(xué)生就可以將膜的結(jié)構(gòu)模型在磁紙上展示出來(lái)。

2.應(yīng)用

在分析膜中的磷脂分子如何排布時(shí)，可通過分組探究的形式，每小組4人，每組30個(gè)磷脂分子模型和適量蛋白質(zhì)分子模型，讓學(xué)生排布出自己認(rèn)為可能的形態(tài)，再進(jìn)行課堂交流。

二、物理模型在課堂教學(xué)中的作用

本部分內(nèi)容是一個(gè)很好的科學(xué)史教育素材，在教學(xué)中應(yīng)注重科學(xué)家對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程中所蘊(yùn)含的科學(xué)研究的思想的分析。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，將科學(xué)發(fā)現(xiàn)分為五個(gè)階段：膜的化學(xué)構(gòu)成→磷脂分子的排布→蛋白質(zhì)分子的排布→膜分子的運(yùn)動(dòng)→流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容。在教學(xué)過程中充分利用物理模型，讓學(xué)生自主構(gòu)建膜的結(jié)構(gòu)、理解膜的特性。

（一）化抽象為具體，突破重點(diǎn)和難點(diǎn)

利用物理模型可以幫助學(xué)生理解磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于可以實(shí)際動(dòng)手操作，學(xué)生能夠?qū)㈩^腦中的各種推測(cè)以實(shí)物的形式展現(xiàn)出來(lái)，與其他同學(xué)進(jìn)行討論、交流，自我構(gòu)建膜結(jié)構(gòu)的模型，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)生物學(xué)中結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，幫助教師突破本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

教學(xué)片段：1.情景分析：構(gòu)成膜的磷脂分子主要由甘油、脂肪酸和磷酸等成分組成。磷酸、甘油等親水性物質(zhì)構(gòu)成頭部，兩個(gè)脂肪酸鏈構(gòu)成輸水的尾部。1917年美國(guó)科學(xué)家歐文·朗繆爾曾抽提出細(xì)胞膜中的脂質(zhì)，將其鋪展在水盤的水面上，研究其展層行為。2.問題引導(dǎo)：細(xì)胞是生活在水環(huán)境中，那么磷脂分子在水中會(huì)呈現(xiàn)怎樣一種排布呢？③學(xué)生活動(dòng)：用模型在磁紙上擺出磷脂分子在水面上的形態(tài)。④模型展示：利用實(shí)物模型放在水盤中，讓學(xué)生直觀的感受磷脂單分子層結(jié)構(gòu)（如圖3）。

（二）挖掘科學(xué)史實(shí)，提升學(xué)生探究能力

科學(xué)探究是新課程的基本理念之一，也是生物學(xué)作為自然科學(xué)的本質(zhì)特征之一。教師在教學(xué)中應(yīng)遵循科學(xué)研究的一般規(guī)律，給學(xué)生創(chuàng)造合適的情景，讓學(xué)生能夠通過觀察分析，提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果、探討交流等，要在課堂上給學(xué)生提供充分探究空間和時(shí)間，不是直接讓學(xué)生記住實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

教學(xué)片段：1.情景分析：磷脂單分子層不穩(wěn)定，而且細(xì)胞是生活在水溶液中的，細(xì)胞內(nèi)部也含有以水為基礎(chǔ)的細(xì)胞質(zhì)溶液。2.問題引導(dǎo)：多個(gè)磷脂分子在水中，會(huì)形成怎樣的一種相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)呢？3.學(xué)生活動(dòng)：用模型在磁紙上擺出磷脂分子在水中的可能形態(tài)，并進(jìn)行課堂交流。模型1不能在水中穩(wěn)定存在，不可能是膜的結(jié)構(gòu);模型2：能在水中穩(wěn)定存在，但細(xì)胞內(nèi)部也有水，該模型內(nèi)部疏水，不可能是膜的結(jié)構(gòu);模型3：能在水中穩(wěn)定存在，而且內(nèi)部也可以有水，保證內(nèi)部相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境，可能是膜的結(jié)構(gòu)。4.提出假說：膜中的磷脂雙分子排列成雙層結(jié)構(gòu)。5.問題探究：假說還需要實(shí)驗(yàn)來(lái)證明，你能根據(jù)剛才歐文·朗繆爾的實(shí)驗(yàn)思想，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明膜中的磷脂分子是排布成兩層嗎？6.實(shí)驗(yàn)研究：1925年兩位荷蘭科學(xué)家哥特和格倫德爾首先測(cè)得人體紅細(xì)胞的表面積約為100μm2，然后他們用丙酮從人體紅細(xì)胞中的提取脂質(zhì)，在水面—空氣界面上鋪成單分子層，聚攏后測(cè)總面積約為180-220μm2。7.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：細(xì)胞膜中的磷脂分子排列為連續(xù)的兩層，即磷脂雙分子層。

（三）創(chuàng)設(shè)問題情境，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

科學(xué)思維是指在尊重事實(shí)證據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決問題的思維習(xí)慣和能力，體現(xiàn)在歸納概括、模型與建模、批判性思維等多個(gè)方面。科學(xué)思維能夠支持學(xué)生獲取新知識(shí)，學(xué)會(huì)如何利用知識(shí)去建構(gòu)和評(píng)價(jià)假設(shè)、觀點(diǎn)等，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)的學(xué)習(xí)，從知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的學(xué)習(xí)者?？茖W(xué)思維的過程是存進(jìn)知識(shí)學(xué)習(xí)的過程，同時(shí)也是理解科學(xué)發(fā)展的過程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的理解正是教育的重要目標(biāo)之一。在教學(xué)過程中，教師通過情景的創(chuàng)設(shè)、問題的引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生一步一步地分析科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)和結(jié)論，親歷科學(xué)家探索的歷程，體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)不斷修正、發(fā)展和完善的過程。

教學(xué)片段：1.情景分析：電子顯微鏡是用高能電子束作為光源的，高能電子穿過樣品最后成像。電子容易穿過脂質(zhì)分子，不容易穿過蛋白質(zhì)分子。1951年羅伯特森觀察到膜在電子顯微鏡下呈現(xiàn)“暗-明-暗”結(jié)構(gòu)，從而提出了單位膜模型，并且認(rèn)為膜是靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。2.問題探究：教師播放變形蟲的變形運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的生長(zhǎng)分裂、細(xì)胞的分泌活動(dòng)、質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象等視頻短片。讓學(xué)生思考靜態(tài)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)模型能解釋這些現(xiàn)象嗎？3.實(shí)驗(yàn)研究：教師展示細(xì)胞膜的冷凍蝕刻圖片以及“人-鼠”細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生不斷修正構(gòu)建模型，形成對(duì)膜結(jié)構(gòu)的正確認(rèn)識(shí)，描述歸納流動(dòng)鑲嵌模型的主要內(nèi)容。

（四）改變教學(xué)方式，彰顯學(xué)生主體地位

新課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生是課堂教學(xué)的主體，要改變教師“一言堂”的現(xiàn)象。制作的磷脂分子和蛋白質(zhì)分子的物理模型，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高課堂關(guān)注度，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的有效性。同時(shí)課堂教學(xué)不應(yīng)只是簡(jiǎn)單、機(jī)械地讓學(xué)生接受知識(shí)，而是靠學(xué)生自己動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)腦來(lái)獲得知識(shí)，并培養(yǎng)獲得知識(shí)的能力，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自覺探索、思考、尋求并掌握得當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法，從而主動(dòng)地去學(xué)習(xí)。

教學(xué)片段：每4位同學(xué)為一組，共同討論、分析，并動(dòng)手?jǐn)[出各種可能膜結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)教師的引導(dǎo)不斷修正。然后班級(jí)中每一組同學(xué)都將自主構(gòu)建的膜的結(jié)構(gòu)模型（圖7）貼在黑板上相互評(píng)價(jià)，糾正錯(cuò)誤，讓每一個(gè)組構(gòu)建的模型都科學(xué)、合理。通過這樣的教學(xué)，讓每個(gè)學(xué)生都能參與到課堂教學(xué)，參與到課堂探究，體現(xiàn)新課程的基本理念。

三、教學(xué)反思

在設(shè)計(jì)該部分教學(xué)內(nèi)容時(shí)，嘗試采用物理模型的教學(xué)手段，讓學(xué)生體驗(yàn)了物理模型的構(gòu)建過程，對(duì)膜的結(jié)構(gòu)也有更加直觀的認(rèn)識(shí)，充分體現(xiàn)課堂上學(xué)生的主體地位，提高了課堂教學(xué)效率。

（一）靜態(tài)模型應(yīng)與動(dòng)態(tài)視頻相結(jié)合

物理模型的最大優(yōu)勢(shì)就是直觀性，能夠?qū)⒛さ慕Y(jié)構(gòu)清晰的展示在學(xué)生面前，而不僅僅是抽象的文字描述。但在課堂上有些同學(xué)會(huì)被模型本身的顏色、形狀、數(shù)量等方面所吸引，反而影響了對(duì)教師講解內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)的聽講和理解。本節(jié)課用到的模型是靜態(tài)的物理模型，無(wú)法完全反映出膜的流動(dòng)性，可以利用課件中的視頻動(dòng)畫加以補(bǔ)充，加深學(xué)生的理解。

（二）體現(xiàn)科學(xué)史背后的科學(xué)思想

科學(xué)史教育不但要讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)內(nèi)容，還要讓他們理解“科學(xué)的本質(zhì)”，這種理解不是教師簡(jiǎn)單的教授，而是應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生親身體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，體會(huì)科學(xué)探究的真正含義。本節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)是以膜的發(fā)現(xiàn)史為主線，在教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和處理，讓學(xué)生體會(huì)的科學(xué)研究步驟，在引導(dǎo)學(xué)生一步步構(gòu)建模型的過程中，滲透科學(xué)方法的教育，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的精神，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。不能將科學(xué)史的教學(xué)當(dāng)成簡(jiǎn)單的歷史過程的介紹，應(yīng)該挖掘其中蘊(yùn)含的科學(xué)思想，但也要有取舍，否則課堂教學(xué)內(nèi)容過于繁雜，會(huì)影響課堂教學(xué)的主線。

（三）注重探究能力的培養(yǎng)

新課程標(biāo)準(zhǔn)下的教育教學(xué)理念十分重視培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，強(qiáng)調(diào)改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，倡導(dǎo)探究、自主、合作學(xué)習(xí)。在本節(jié)課教學(xué)中教師不斷提出一些梯度性的問題，引導(dǎo)學(xué)生逐層深入地進(jìn)行探索，不斷地從問題的解決中得到答案，不斷改進(jìn)模型，從中獲得知識(shí)，并且形成了科學(xué)的思維習(xí)慣。因此，教師在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)要尋找到合適的探究切入點(diǎn)，與不同的學(xué)習(xí)方式相整合，精心設(shè)計(jì)課堂情境，使學(xué)生能更加有效地開展探究活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]施敏娟.生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型教學(xué)探索[J].中學(xué)生物教學(xué)，2019，9

[2]魏鳳國(guó)、謝妤.基于HPS理念培育科學(xué)思維核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)通報(bào)，2019，5

[3]陶忠.生物學(xué)模型教學(xué)探析[J].生物學(xué)教學(xué)，2006，8

[4]樊向利.試論模型在高中生物教學(xué)中的作用[J].中學(xué)生物學(xué)，2007，7

[5]陳維、汪忠.系統(tǒng)分析與模型構(gòu)建[J].生物學(xué)通報(bào)，2008，5