基于生物科學(xué)史的模型建構(gòu)教學(xué)探究

周慧

［摘 要］在生物學(xué)教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析生物科學(xué)史中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)模型，合作探究，可提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。文章以“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例具體闡述如何基于生物科學(xué)史有效開展模型建構(gòu)教學(xué)。

［關(guān)鍵詞］生物科學(xué)史；模型建構(gòu)；科學(xué)思維

［中圖分類號(hào)］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）08-0086-04

生物學(xué)教育家朱正威認(rèn)為，生物科學(xué)史所蘊(yùn)含的營養(yǎng)極其豐富，而且了解它遠(yuǎn)比了解科學(xué)的結(jié)論及技術(shù)的成果更為有趣。因此，在生物學(xué)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)史尤為重要。通過學(xué)習(xí)生物科學(xué)史，學(xué)生既可以得到科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度等方面的熏陶和培養(yǎng)，又能發(fā)展與提升直覺思維、想象能力、理性思維、質(zhì)疑能力，以及觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、收集和處理資料等方面的能力。

生物學(xué)教學(xué)中的模型建構(gòu)是指用一定的物質(zhì)形式或思維形式建構(gòu)生物模型，使得生物學(xué)事實(shí)直觀化、簡(jiǎn)單化。在生物學(xué)教學(xué)中，教師可基于生物科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生分析其中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)模型，合作探究，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。

本文以人教版生物學(xué)必修1第3章第1節(jié)“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例，以科學(xué)家對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程為主線，通過“提出問題—提供資料—建構(gòu)模型—修正模型”的教學(xué)模式，讓學(xué)生逐步建構(gòu)出細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。

一、教學(xué)目標(biāo)

想要發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，教師要以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)。具體如下：

（1）通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和分析科學(xué)史材料，促使學(xué)生學(xué)會(huì)嚴(yán)謹(jǐn)推理和大膽想象，訓(xùn)練學(xué)生分析與綜合、模型與建模、歸納與概括、批判性思維等科學(xué)思維。

（2）通過建構(gòu)模型，讓學(xué)生深入理解細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型，樹立結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀。

（3）使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技技術(shù)對(duì)推動(dòng)科學(xué)研究發(fā)展的重要作用，從而學(xué)會(huì)尊重科學(xué)，用發(fā)展的觀點(diǎn)看待科學(xué)，樹立辯證的觀點(diǎn)。

二、學(xué)生分組與教具準(zhǔn)備

分組情況：將學(xué)生分成6個(gè)小組，每個(gè)小組約8人。

教具準(zhǔn)備：

（1）用橙色軟磁貼剪出長約[5 cm]、寬約2 cm的磷脂分子模型；用綠色軟磁貼剪出長約4～7 cm、寬約3～4 cm的大小和形狀不同的蛋白質(zhì)分子模型（如圖1）。為每個(gè)小組提供36個(gè)磷脂分子模型和6個(gè)蛋白質(zhì)分子模型。

（2）為每個(gè)小組提供一塊磁力白板（各組成員可將磷脂分子模型和蛋白質(zhì)分子模型貼于白板進(jìn)行展示）。

三、教學(xué)過程

任務(wù)一：探究細(xì)胞膜的成分

教師播放阿米巴攝食的錄像，引導(dǎo)學(xué)生通過錄像對(duì)細(xì)胞膜的流動(dòng)性進(jìn)行直觀觀察，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師提出問題：阿米巴的細(xì)胞膜為什么能變形？這一特性與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)有沒有關(guān)系？科學(xué)家是怎樣探究細(xì)胞膜的成分和結(jié)構(gòu)的？通過這些問題激發(fā)學(xué)生的探究欲望，自然過渡到探究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的環(huán)節(jié)。

活動(dòng)1：分析科學(xué)史，探究細(xì)胞膜的組成成分

顯示資料1：1895年，歐文頓用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行了上萬次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性不一樣：脂溶性物質(zhì)比非脂溶性物質(zhì)更易通過細(xì)胞膜。

待學(xué)生閱讀資料后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：細(xì)胞膜中含有什么成分才能允許脂溶性物質(zhì)通過？依據(jù)是什么？學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，經(jīng)過討論，認(rèn)為細(xì)胞膜中可能含有脂質(zhì)。教師繼續(xù)提出問題：歐文頓也做出了相同的判斷，那么這一判斷是推理還是結(jié)論呢？如何獲得結(jié)論？

活動(dòng)2：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證細(xì)胞膜中含有脂質(zhì)

顯示資料2：一些科學(xué)家利用哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞制備出純凈的細(xì)胞膜，并進(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。其他細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)類似情況。1935年，英國學(xué)者丹尼利和戴維森對(duì)細(xì)胞膜的張力進(jìn)行了研究。通過研究，他們發(fā)現(xiàn)，在油—水界面細(xì)胞表面張力明顯降低。若油脂滴表面吸附有蛋白質(zhì)成分則表面張力會(huì)降低。

學(xué)生閱讀資料并交流討論，最后得出結(jié)論：細(xì)胞膜的組成成分主要是脂質(zhì)（主要為磷脂）和蛋白質(zhì)。

活動(dòng)3：認(rèn)識(shí)磷脂分子

教師通過多媒體顯示磷脂分子的化學(xué)組成，介紹它的化學(xué)特性，同時(shí)展示磷脂分子的模型，讓學(xué)生直觀地感受“頭親水，尾疏水”的磷脂分子。

評(píng)析：結(jié)合生物科學(xué)史，重現(xiàn)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生分析問題、做出假設(shè)，讓學(xué)生明白要有確鑿證據(jù)才能得到可靠結(jié)論，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生提取資料關(guān)鍵信息的能力，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

任務(wù)二： 探究磷脂在細(xì)胞膜上的分布特點(diǎn)

教師：磷脂分子有親水性的頭部和疏水性的尾部?，F(xiàn)有一個(gè)燒杯，里面盛著水，磷脂分子在空氣—水界面上是怎樣排布的呢？為什么？

活動(dòng)4：磷脂分子在空氣—水界面上的排布特點(diǎn)

模型建構(gòu)1：學(xué)生小組活動(dòng)，在小黑板上畫出空氣—水界面，并根據(jù)磷脂分子的特性，用磷脂分子模型進(jìn)行排布（如圖2）。小組展示并說明原因：由于磷脂分子的頭部是親水性的，尾部是疏水性的，因此頭部朝向水一側(cè)，尾部朝向空氣一側(cè)。磷脂分子在空氣—水界面上形成單分子層。

教師：如果將磷脂分子全部浸在水中，并用玻璃棒攪拌，磷脂分子將如何排布？

活動(dòng)5： 磷脂分子在水中的分布特點(diǎn)

模型建構(gòu)2：學(xué)生小組活動(dòng)，用磷脂分子模型在小黑板上進(jìn)行排布，并展示模型建構(gòu)作品，然后解釋原因：（1）根據(jù)磷脂分子的特性，親水性的頭部朝向水一側(cè)，疏水性的尾部聚集在一起，形成一種單層磷脂分子構(gòu)成的穩(wěn)定狀態(tài)（如圖3）；（2）兩層磷脂分子的親水性頭部分別朝向水一側(cè)，疏水性的尾部緊緊地聚集在中間，形成一種雙層磷脂分子構(gòu)成的穩(wěn)定狀態(tài)（如圖4）（3）雙層磷脂分子的局部模型（如圖5）。

教師顯示組織細(xì)胞生活圖，引導(dǎo)學(xué)生觀察，從中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜所處的環(huán)境都是有水溶液的，一側(cè)是組織液，另一側(cè)是細(xì)胞內(nèi)液。在這基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：構(gòu)成細(xì)胞膜的磷脂分子對(duì)應(yīng)上述模型中的哪一種？學(xué)生不難推測(cè)出細(xì)胞膜的磷脂分子對(duì)應(yīng)的是如圖4所示的模型。教師進(jìn)一步提出問題：那么是否可以說細(xì)胞膜中的磷脂是雙層的？需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎？

顯示資料3：1925年，兩位科學(xué)家戈特和格倫德爾做了一個(gè)簡(jiǎn)單而又巧妙的實(shí)驗(yàn)。首先，通過光學(xué)顯微鏡測(cè)量出紅細(xì)胞的大??；然后，通過計(jì)算推算出樣本中所有紅細(xì)胞的表面積；最后，利用丙酮和其他溶劑從紅細(xì)胞中萃取脂類。他們分別采用人類、家兔、天竺鼠、狗、綿羊、山羊的紅細(xì)胞做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從紅細(xì)胞中萃取的單層分子的面積大約是紅細(xì)胞表面積的2倍。

待學(xué)生閱讀資料后，啟發(fā)學(xué)生得出結(jié)論：細(xì)胞膜中的磷脂是雙層的。

教師：?jiǎn)螌恿字Y(jié)構(gòu)在生物體中是否存在？

與社會(huì)的聯(lián)系：?jiǎn)螌恿字Y(jié)構(gòu)就是脂蛋白的重要存在形式。脂蛋白對(duì)于昆蟲和哺乳動(dòng)物細(xì)胞外脂質(zhì)的包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和代謝起著重要作用，脂蛋白代謝異常（通常伴隨脂質(zhì)組分和蛋白質(zhì)組分的變化）與動(dòng)脈硬化癥、糖尿病、肥胖癥以及腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。

評(píng)析：本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了兩個(gè)學(xué)生活動(dòng)，活動(dòng)4是活動(dòng)5的升華，頗具挑戰(zhàn)性，體現(xiàn)了由淺入深的設(shè)計(jì)意圖。學(xué)生通過用軟磁貼制作磷脂分子模型，在學(xué)中做、做中學(xué)，構(gòu)建出了細(xì)胞膜的基本支架。在推理、得出結(jié)論的過程中實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維的訓(xùn)練。此外，通過與社會(huì)的聯(lián)系，傳達(dá)健康生活的理念，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

任務(wù)三：探索細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)分子的位置

教師：磷脂分子在細(xì)胞膜中的排列方式我們已經(jīng)知道了，那么細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)的位置是怎樣的呢？

活動(dòng)6：通過資料分析，推測(cè)細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)的分布特點(diǎn)

顯示資料4：1959年，羅伯特森利用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，在電子顯微鏡下看到了細(xì)胞膜的“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu)。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：其中亮的什么，暗的又是什么？學(xué)生根據(jù)“電子束照射大分子物質(zhì)，散射度高；電子束照射小分子物質(zhì)，散射度低”的信息，推測(cè)暗的是蛋白質(zhì)分子，亮的磷脂分子 。

模型建構(gòu)3：學(xué)生小組活動(dòng)，討論蛋白質(zhì)的分布特點(diǎn)，并將代表蛋白質(zhì)分子和磷脂分子的軟磁貼貼在小黑板上，展示模型建構(gòu)成果（如圖6）。

隨著科技的發(fā)展，冰凍蝕刻技術(shù)揭開了蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜中的分布“面紗”。

活動(dòng)7：通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，明確細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)的分布特點(diǎn)

顯示資料5：將細(xì)胞膜置于-100 ℃的干冰或 -196 ℃的液氮中進(jìn)行冰凍，用冷刀將標(biāo)本驟然切開，升溫后，干冰在真空狀態(tài)下迅速升華，使斷裂結(jié)構(gòu)暴露無遺，這種過程叫作蝕刻。

教師展示細(xì)胞膜冰凍蝕刻模型圖（圖略）。

模型建構(gòu)4：學(xué)生小組活動(dòng)，根據(jù)冰凍蝕刻結(jié)果，修改之前建構(gòu)的“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”三層結(jié)構(gòu)模型（如圖7），并嘗試描述蛋白質(zhì)的分布。

教師引導(dǎo)學(xué)生說出蛋白質(zhì)鑲嵌、嵌入、橫跨磷脂雙分子層的分布規(guī)律。

評(píng)析：本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了兩個(gè)學(xué)生活動(dòng)，活動(dòng)6是基于資料的推測(cè)，活動(dòng)7是通過觀察科學(xué)技術(shù)研究結(jié)果對(duì)活動(dòng)6的推測(cè)結(jié)果進(jìn)行修改。通過此環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在尊重科學(xué)、用發(fā)展的觀點(diǎn)看待科學(xué)的同時(shí)，認(rèn)識(shí)到科技發(fā)展對(duì)科學(xué)研究的助推作用。

任務(wù)四： 探究細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

教師聯(lián)系變形蟲的變形運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的分裂和細(xì)胞的長大等現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考：細(xì)胞膜是靜止的嗎？

活動(dòng)8：根據(jù)資料分析，討論細(xì)胞膜是否是靜止的

顯示資料6：1970年，弗雷和埃登用發(fā)綠色熒光的染料標(biāo)記小鼠細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用發(fā)紅色熒光的染料標(biāo)記人細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用滅活仙臺(tái)病毒促使兩種細(xì)胞融合。剛?cè)诤系募?xì)胞，一半發(fā)紅色熒光，一半發(fā)綠色熒光。將此細(xì)胞放在37 ℃條件下培養(yǎng)40 min，在細(xì)胞表面可觀察到呈現(xiàn)均勻混合的紅色熒光和綠色熒光。

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，小組討論細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不難得出“細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子可以運(yùn)動(dòng)”這一結(jié)論。

顯示資料7：20世紀(jì)60年代，麥克康奈爾和格里菲斯用電子自旋共振譜技術(shù)證實(shí)構(gòu)成細(xì)胞膜的磷脂分子可以運(yùn)動(dòng)。

教師結(jié)合上述兩則資料，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子和磷脂分子都可以運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞膜具有一定的流動(dòng)性，從而推翻了羅伯特森關(guān)于細(xì)胞膜是靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的說法。

評(píng)析：本環(huán)節(jié)通過展示資料，讓學(xué)生閱讀分析實(shí)驗(yàn)過程與方法，體會(huì)科學(xué)發(fā)展的過程離不開技術(shù)的支持。

任務(wù)五：概述細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型

顯示資料8：1972年，桑格和尼克森基于前人的研究，提出了細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型。

活動(dòng)9：學(xué)生分組討論，概述細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型。

學(xué)生可以從組成成分、分布情況和細(xì)胞膜的特點(diǎn)三個(gè)方面進(jìn)行概述。教師補(bǔ)充介紹糖蛋白、糖脂的內(nèi)容，完善細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。

評(píng)析：本環(huán)節(jié)擺脫以往灌輸式教學(xué)模式，讓學(xué)生在自己建構(gòu)的模型的基礎(chǔ)上概述細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型，使學(xué)生深入理解其本質(zhì)，有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

任務(wù)六：建構(gòu)藥物運(yùn)載體

情境：脂質(zhì)體由磷脂分子構(gòu)成，它能作為藥物的運(yùn)載體，將藥物運(yùn)送到特定的部位發(fā)揮作用。被運(yùn)送的藥物有水溶性的和脂溶性的。

模型建構(gòu)5：學(xué)生小組討論，建構(gòu)分別能運(yùn)送水溶性藥物和脂溶性藥物的脂質(zhì)體，將水溶性藥物和脂溶性藥物擺放在相應(yīng)的位置，并說出擺放的依據(jù)（如圖8）。

教師進(jìn)一步設(shè)問：脂質(zhì)體到達(dá)細(xì)胞后如何成功地將藥物送入細(xì)胞？結(jié)合前面所學(xué)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，學(xué)生容易知道是由于細(xì)胞膜的流動(dòng)性，使脂質(zhì)體的膜與細(xì)胞膜相融合，從而將藥物送入細(xì)胞。

評(píng)析：本環(huán)節(jié)是對(duì)本節(jié)課內(nèi)容的延伸和應(yīng)用，通過磷脂分子的特性和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)破解問題，在一定程度上達(dá)到學(xué)以致用的目的，使學(xué)生獲得成功的喜悅，樹立將來為社會(huì)為國家做貢獻(xiàn)的志向。

四、教學(xué)反思

（一）引入科學(xué)史，造就積極的科學(xué)態(tài)度

學(xué)生通過分析眾多生物科學(xué)史料，不僅能提高分析資料、處理問題的能力，而且能感受到科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。例如，為了得到“脂質(zhì)是細(xì)胞膜的主要成分之一”這一結(jié)論，歐文頓用500多種物質(zhì)做了近萬次的實(shí)驗(yàn)。一切從實(shí)驗(yàn)出發(fā)的實(shí)證思想、在前人的基礎(chǔ)上做出合理的假設(shè)、對(duì)生物膜剛性結(jié)構(gòu)的批判等，都將對(duì)學(xué)生產(chǎn)生重要的影響。

（二）應(yīng)用科學(xué)，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力

通過基于生物學(xué)事實(shí)的多層次模型建構(gòu)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生嘗試像科學(xué)家一樣去探究，提升了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力；而電子顯微技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)、熒光標(biāo)記技術(shù)等的出現(xiàn)，能夠幫助人們更好地認(rèn)識(shí)和了解細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，也完善了細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解科技創(chuàng)新對(duì)人類文明進(jìn)步的巨大影響和作用，發(fā)展和提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（三）建構(gòu)模型，發(fā)展核心素養(yǎng)

在本節(jié)課中，教師在學(xué)生對(duì)磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、化學(xué)特性有一定理解的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置模擬探究的情境，并依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，巧妙設(shè)計(jì)一系列問題，組織學(xué)生討論交流，利用已有知識(shí)自主建構(gòu)、修正完善細(xì)胞膜中磷脂分子排布的物理模型。學(xué)生在建構(gòu)模型的過程中，一方面能深刻理解細(xì)胞膜中磷脂分子排布的科學(xué)原理，另一方面體驗(yàn)了模型建構(gòu)方法，提升了從實(shí)踐層面去探討解決實(shí)際問題的能力。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 孫瑗苑. 高中生物學(xué)教學(xué)中利用科學(xué)史進(jìn)行模型建構(gòu)的實(shí)踐研究［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2022.

［2］? 李菊芳，朱俊.例談基于生物科學(xué)史與模型 建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)［J］.中學(xué)生物學(xué)，2019（7）：32-34.

［3］? 劉鑫. 高中生物概念教學(xué)中物理模型建構(gòu)的應(yīng)用研究［D］.南京：南京師范大學(xué)，2018.

（責(zé)任編輯 黃春香）