科学应用生物学具，提高生物教学效益——以“生物膜的流动镶嵌模型”一节课为例

郭士安（江苏省苏州第一中学校江苏苏州 215006）

科学应用生物学具，提高生物教学效益
——以“生物膜的流动镶嵌模型”一节课为例

郭士安（江苏省苏州第一中学校江苏苏州 215006）

以“生物膜的流动镶嵌模型”一节课为例，重点介绍了如何通过指导学生设计制作学具，合理安排学具在课堂上的应用环节，在合作探究中应用好生物学学具，以及以教师为主导在对话交流中应用好学具。

生物学具 自制学具 生物膜流动镶嵌模型 合作探究

文件编号：1003－7586（2017）01－0038－04

学具是指由学生操作使用的，帮助学生学习的模型、实物、图表等的统称。自制学具就是教师和学生利用简便易行的方法，就地取材，自己设计制作的学具。所有学具都有直观性、自控性和参与性的特点。教学科学运用学具有利于调动学生学习的积极性和主动性，有助于使学生成为学习的主体，能够解决教学中的重点难点问题、深化知识的理解与掌握，减轻学生学习负担，增强学生的动手实践能力和创新思维能力，提高生物学教学效益。学具的开发应用更能顺应时代发展与生物课程改革的需要。因此，高中生物学具有较大的开发潜力和广阔的应用前景。教师如何应用好自制学具，提高生物教学效益，下面以“生物膜流动镶嵌模型”一节为例，阐明如下。

1 指导学生自主制作生物学具

在教师的主导作用下，设计制作好学具是巧用学具开展有效探究的首要环节。①教师要在课前规划学具。学具设计伊始，教师就要考虑：其所服务的教学内容是否蕴含本课的重要概念；能否有效解决教学中的重点、难点；能否在合作探究性中，让学生充分动手动脑，思维碰撞出火花；能否满足不同层次学生的探究学习需要等。②教师要带头制作学具。教师提前制作好学具，并将自己制作好的学具在课堂上展示，便于学生了解学具制作过程中可能遇到的诸如方案的构思、材料的选择、制作的工艺、功能的展示等实际问题，为指导学生制作学具提供参考，以确保学具能在课堂探究性教学中使用。教师带头制作学具，同时也锻炼了教师的动手动脑能力，树立教师在学生心目中的威信。③教师要指导学生制作学具。指导学生利用课外时间，认真阅读教材中的文字、图片资料，理解设计原理、目的，画出结构原理图，选择身边合适材料和工具，自主完成学具的制作，然后带到课堂上展示、评价、应用。如生物膜结构学具的设计制作，教师可以在课前指导学生阅读教材，使学生了解构成生物膜的磷脂分子、蛋白质分子和多糖分子的结构特点。学生选用不同颜色的软磁贴为实验材料（也可以选用硬纸板、塑料板等废弃材料），以2～4人为小组合作探究，制作出12～16个相同形状的磷脂分子、3或4个不同形状蛋白质分子、1或2个多糖分子（图1）。教师为方便上课时演示，比照学生使用的学具，制作一套大号的演示学具。上课时，向每组学生提供一块小型双面磁性白板，既方便磁性学具的演示，又可以在磁性白板上绘图、写字。另外，为激发学生制作学具的兴趣，体验成功的快乐，教师可以组织学具的展评活动。通过学生自制学具的展示、交流、点评、奖励活动，激发学生制作学具的兴趣，让学生体验学具成功的快乐。

2 合理安排学具在课堂上应用环节

学具的使用要有目的性、针对性、秩序性，教师在备课时除了备课标、备学生、备教材外，还要备学具，特别要合理安排好学具在探究性教学中的应用环节，做到恰到好处，不能为使用学具而使用学具，这样才能达到事半功倍的效果。本节课采用了“分析资料→提出问题→做出假设→实验验证→构建模型”的探究教学思路，同时对探索历程的内容添加小标题以凸显脉络，像“层层剥去笋衣”一样，设置探究问题串作为思考讨论的切入点一一展开，层层递进、步步深入。本节课在以下环节上安排了7个使用学具的“动手动脑活动”。通过学具使用、合作探究，让学生在做中学中体验结构模型的建构方法，理解并能够描述流动镶嵌模型的基本内容，感受科学家探索生物膜结构艰辛历程。

图1 学具部件制作示意

图2 使用学具的“动手动脑”活动示意

3 在合作探究中应用好生物学具

自主、合作、探究式的学习方式已广泛用于高中生物教学。其中应用生物学具开展自主、合作、探究式教学是一项直观、有效的教学手段。在科学探究中，学生应用学具，在观察和实验的基础上提出问题，并运用比较、分析、综合、抽象、概括等一系列逻辑方法，提出假说，然后再通过观察、实验修正和完善假说，通过演绎、归纳得到科学的结论，这是生物学重要的科学思维方法。

3.1 在观察现象、提出问题时，应用学具

问题是思维的源泉，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力是培养未来创新人才的需要。例如在“生物膜流动镶嵌模型”课堂教学中，教师可以利用生物膜结构学具，在磁性黑板上画出一个长方形水槽，把若干个磁性磷脂分子学具随意的放在水平面上下方，设置问题情境：图中的磷脂分子排布科学吗？你能提出哪些问题？各小组学生认真观察，积极思考，大胆想象，展开讨论，根据磷脂分子头部具有亲水性和尾部具有疏水性的特点，提出各种各样的问题。如，磷脂分子在空气中遇到一起如何结合？磷脂分子在空气与水的界面上如何排布？磷脂分子在水中如何排布？还有的学生提出、磷脂分子在水中能否形成小泡（微球体）？小泡（微球体）中的磷脂分子如何排布？……教师可以适时地指导学生从中选择自己感兴趣的问题深入探究。

图3 磷脂分子排布问题

3.2 在分析推理、提出假说时，应用学具

科学假说是根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及规律性提出的一种假定性的推测和说明。它是将认识从已知推向未知，进而变未知为已知的必不可少的思维方法，是科学发展的一种重要形式。本节课学具的应用，对学生理解科学家如何提出假说、如何修改、完善假说及提出生物膜流动镶嵌模型学说中发挥了关键作用。例如通过“学具活动1”，学生依据极性磷脂分子的特点，能顺利地推理出磷脂在空气与水的界面上磷脂分子的头部与头部相吸引，尾部与尾部相吸引，排成磷脂单分子层，且亲水基朝下浸入水面，疏水剂向上朝向空气中（图4）。通过“学具活动2”，学生经过思考、讨论和学具演示，不难推理出磷脂分子在水与水的界面上，排成2层，且亲水基朝外，疏水基朝内（图5）。进一步通过“学具活动3”，演绎推理出细胞膜中的磷脂分子头部朝外尾部朝内排成连续2层的假设。接着，学生通过对1925年2位荷兰科学家实验结果的分析，验证了假设，提出磷脂分子排成连续2层，构成生物膜基本支架的假说（图6）。

图4 磷脂分子在空气与水界面上排布情况

图5 磷脂分子在水-水界面上排布情况

3.3 在分析结果、得出结论时应用学具

在科学探究活动中，正确分析实验结果并归纳得出结论是重要的环节。在高中生物探究性学习中，学生分析结果、得出结论的能力相对薄弱，而应用直观学具能有效地帮助学生分析结果、得出结论。

例如，1959年罗伯特森电子显微镜下观察细胞膜呈现暗-明-暗的三层结构（图7），提出了“三明治”结构模型：所有生物膜都是由“蛋白质-脂质-蛋白质”三层结构构成的静态统一结构。教师指导学生阅读教材有关内容，让学生借助学具在磁性白板上模拟出“三明治”结构模型（图8）。学生再依据教师提供的关于细胞膜厚度的研究资料，进一步讨论、分析归纳出“三明治”结构模型存在的局限性：①按照“三明治”模型结构，科学家经过计算认为生物膜至少厚约15～20 nm，但电镜照片中，实际测得细胞膜的厚度为7～10 nm，大于细胞膜的设计厚度；②把膜看成是静止的刚性结构，细胞膜的复杂功能难以实现，甚至无法解释细胞生长、变形虫的变形运动等生命现象，所以，“三明治”模型存在局限性。

图7 细胞膜电镜照片

图8 “三明治”结构模型

再如，通过对20世纪60年代科学家用冰冻蚀刻技术和扫描电镜技术揭示了细胞膜结构中的蛋白颗粒位置图片（图9）分析，得出蛋白质分子以镶、嵌、贯穿的方式分布在磷脂双分子层中，蛋白质分子并非是对称排列在磷脂双分子层两侧。最后通过对科学家关于生物膜研究结果的归纳，1972年，桑格和尼克森提出的生物膜流动镶嵌模型，让学生应用学具在磁性白板上排出生物膜流动镶嵌模型（图10）。

图9 细胞膜冰冻蚀刻示意

4 教师主导在对话交流中应用学具

图10 生物膜流动镶嵌模型

学具的使用离不开教师准确、清晰、生动的语言引导。如在新课导入中，教师满怀激情地说：先给大家看一段微视频，名为“显微镜下的惨案”，大家注意观察在显微镜下究竟发生了什么惨案（设置悬念，激发疑问）？看完微视频，学生了解了变形虫吞噬草履虫的“案情”。接着教师提出问题：变形虫的细胞膜向外凸出，形成伪足，可以运动和吞噬食物，想一想，与细胞膜功能相适应，细胞膜等生物膜在结构上有何特点？目前被广泛承认的是“生物膜流动镶嵌模型”学说，该学说是如何提出的，让我们充当一名“小小科学家”，利用大家制作的学具，沿着当年科学家的足迹，来共同探索生物膜结构的奥秘吧！通过教师生动的引言激发了学生探究生物膜的兴趣，顺利进入新课学习。

又如，教师通过问题串设置和适时的点拨，启发学生阅读教材，应用学具动手动脑，开展合作探究。在“生物膜流动镶嵌模型”一节课教学中，教师设置了一系列问题串。如磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，磷酸头部是亲水的，脂肪酸的尾部是疏水的，那么磷脂如何构成生物膜的呢？引入“学具活动1”“学具活动2”和“学具活动3”，通过3个学具活动推测出生物膜中磷脂双分子层作为基本支架。并以问题“同学们的推测是否正确呢”，过渡到“学具活动4”。以学具为探究教学载体，促进了教师与学生、学生与书本、学生与学具、学生与学生的对话；以学具为探究教学手段，学生在自主、合作、探究中，掌握生物知识、激发学习兴趣、活跃科学思维、锻炼表达能力、培养动手能力和创新能力，体验生物科学探究的快乐。

［1］肖新峰,刘晓东,唐尧基．直观性原则在仪器分析教学中的应用［J］.大学化学,2011（5）:26.

［2］朱正威,赵占良．普通高中课程标准实验教科书生物必修2·遗传与变异［M］．北京：人民教育出版社，2003：65－69.

［3］董风华,兰小筠．基于文献的科学假说［J］.医学与哲学, 2004（6）:57.

［4］李凤,舒静庐．科学思维［M］．北京：国家行政学院出版社，2011：6－7.

G633．91

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本文为江苏省中小学教学研究室基础教育课程教学改革重大项目“生物学习室·学具开发及其教学研究”（课题编号为2015 jssjys－15）的研究成果之一。