基于“问题串”的高中生物科学史教学分析

陈亚荣 康公平 罗充

【摘要】《普通高中生物学课程标准》2017年版中提到，目前教学的首要任务是对学生必备的品格和关键的能力培养。而基于“问题串”的科学史教学，是对学生渗透品德教育的较好方式，实现生物核心素养的最佳素材。因此，以人教版中“生物膜的流动镶嵌模型”一节为例，阐述基于“问题串”的科学史在高中生物教学中的作用。为国内实现核心素养的教学提供新素材以及为一线教师科学史教学提供一些参考意见。

【关键词】问题串；科学史；膜的流动镶嵌模型；教学分析

生物学科是自然科学中一门基础学科。生物学与其他自然科学相比，有自己的特点，它不仅含有丰富的基础知识，也包括前人认识自然和发现规律的一些思维方式和探索过程。把科学史引入到生物学教学中，将科学家探索自然的思维、方法及精神融入到情节跌宕起伏的实例及感动人心的生物科学史资料中。能够让学生真正地领悟科学家活跃的思维及严谨的科学态度，灵活的科学方法。同时，也能用科学家的精神，影响学生的品德，锻炼他们的能力。把问题串引入到科学史教学中，通过层层设疑。能够让学生对每節的内容能有清晰的认识，更深刻地理解其正在探究的问题，透彻每个问题的内在含义，构建一个完整的知识体系。《普通高中生物学课程标准》2017年版提到，教师教学的核心不仅仅是传授基本的知识，更重要的是对学生必备的品格和关键的能力的培养。而且《普通高中生物课程标准（实验）》也提到：“生物课程标准实施中的核心任务是提高每个高中学生的生物科学素养。生物科学素养指公民参加社会生活、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物科学知识、探究能力及相关的情感态度与价值观。因此，为了响应课标的要求，培养社会需要的人才，进行“问题串”的科学史教学很有必要，也是对学生进行品德和能力培养的有效途径。

一、教学背景

（一）教材分析

《生物膜的流动镶嵌模型》选自人教版高中生物必修1第四章细胞的物质输入和输出第二节的内容。在章节设置上，承接第一节的内容，也是物质跨膜运输方式的基础。在内容设置上，学生已经学习了细胞膜的成分及功能，对细胞的各个结构也有大致的了解，对细胞膜的功能也比较感兴趣。在物质跨膜运输的实例学习中，知道细胞膜具有选择透过性；在这此基础上继续进行生物膜结构的探索，为后面“物质跨膜运输的方式”的学习做铺垫，起着承上启下的作用。

（二）学情分析

《生物膜的流动镶嵌模型》授课对象为高中一年级学生。正处在初中和高中的过渡期及高中生活的适应期，思想活跃，对新鲜的事物比较感兴趣。而且，经过半学期的学习，学生已经有了一定的知识累积，对细胞基本结构有一定的认识。同时已学习了细胞中的生物大分子，具有一定的前科学概念。有一定的逻辑思维能力和语言表达能力。但是，掌握的很多知识斗是片面的，零散的。而且，生物膜的结构是一种微观形态，学生不易理解。需要教师在教学中进行引导，以构建一个完整的知识体系。

二、教学目标

1.生命观念———阐明生物膜流动镶嵌模型的基本内容。

2.科学探究———分析科学家建立生物膜型的过程，尝试构建生物膜流动镶嵌模型。

3.理性思维———描述生物膜探究的过程，掌握科学探究方法和建立科学探究思维。

4.社会责任———体验生物膜的探究历程，形成科学求真意识和批判性精神。

三、教学重难点

1.重点：流动镶嵌模型的基本内容

2.难点：构建生物膜流动镶嵌模型

四、教学过程

（一）创设问题情境，激发学习兴趣

首先，展示动画。细胞膜能选择性通过物质。从物质跨膜运输的实例可以看出，生物膜对物质进出细胞是由选择性的。让学生思考以下的问题：（1）为什么生物膜能够控制物质的进出？（2）这与生物膜的结构有什么关系？讲解：当年科学家正是怀着对物质跨膜运输现象产生的疑问，开始探索生物膜的结构。其次，设计意图。创设问题情境，调动学生探索生物膜结构的兴趣；然后，通过细胞膜的结构与功能相适应特点，导入新课。

（二）讲授新课，穿越历史，层层设问

1.细胞膜成分的探索

首先，提出问题，要知道细胞膜的结构呢，首先要知道细胞膜的组成成分。

展示资料1：19世纪末，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：发现凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

问题设置：如果你是欧文顿，你能推测出什么样的结论？你做出这样推测的依据是什么？

学生由此资料得出并推测的结论：膜是由脂质组成的。推测的依据，根据学过的化学知识，相似相溶原理，溶于脂质的物质易于通过细胞膜进入细胞，所以细胞膜是由脂质构成的。

其次，细胞膜的成分到底是不是脂质呢？

展示资料2：到了20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的成熟红细胞中分离出来。通过化学分析表明，膜的主要成分是脂质和蛋白质。脂质中国主要的成分是磷脂，展示磷脂分子的结构图（图1）介绍磷脂是一种由甘油，脂肪酸构成的分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。

问题设置：根据磷脂分子的特性，如果在空气———水界面上铺展排列。磷脂会排列成什么样子的呢？

最后，学生依据资料思考、总结出，磷酸“头”部因为有磷酸基团，是亲水，尾部是疏水的脂肪酸。因此，磷脂在空气———水界面排列的方式为磷脂的头部在空气———水界面的下端，尾部在上端。

接着提出问题，磷脂分子在细胞膜上是怎么排列的呢？

设计意图：通过资料和问题串的设置，培养学生资料分析总结能力，锻炼学生的科学思维能力，响应课标的要求。

2.细胞膜结构的探索

展示资料3：1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取出脂质，在空气———水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。

进行问题设置：既然脂质单分子层的面积是红细胞表面积的2倍，那说明脂质在细胞膜中有几层？在细胞膜上又是怎样排列的呢？

学生由此资料得出，细胞膜中的脂质排列为连续的两层。排列方式为尾部相对，头部亲水。

让学生自主构建磷脂双分子层的模型。讲解模型建构的原理。

提出设问：除了脂质外，蛋白质也是细胞膜的成分，那么，蛋白质位于细胞膜的什么位置呢？

展示资料4：构成蛋白质的氨基酸的侧链基团，有的疏水，有的亲水。若蛋白质外围都是亲水基团，疏水基团藏与内部，则该蛋白质亲水；若蛋白质外围都是疏水基团，亲水基团藏于内部，则该蛋白质疏水；有的蛋白质部分亲水，部分疏水。

提出问题设疑：请大家大胆猜测细胞膜中蛋白质分子在空间上可能如何分布？

根据资料学生讨论：若蛋白質外围都是亲水基团，疏水基团藏与内部，蛋白质分布在膜的表面；若蛋白质外围都是疏水基团，亲水基团藏与内部，蛋白质分布在膜的内部；若蛋白质部分亲水，部分疏水，此蛋白质镶嵌在细胞膜上。

再继续提出问题，这是根据蛋白质特性猜测的位置，事实是这样吗？

展示资料5：电子显微镜诞生后，1959年罗伯特森利用超薄切片技术在电镜下看到了细胞膜清晰的暗—明—暗的三层结构。他结合其他科学家的工作，大胆的提出了生物膜的模型：所有的生物膜都有蛋白质———脂质———蛋白质三层结构构成。在电镜下看到的中间亮层是脂质分子，两边的暗层是蛋白子分子。

进行问题设疑：我们猜测的结果与罗伯特森提出的有些不同，谁错了？

陈述：随着科学技术的不断发展，大量的实验结果证明我们猜测的位置结构是正确的。有的蛋白质分布在膜的表面，有的分布在膜的内部，甚至有些蛋白质镶嵌在细胞膜上。除此之外罗伯特森认为细胞膜是静态的统一结构。

进行问题设置：细胞膜是静态的统一结构，那细胞的生长，或者是变形虫的运动怎么解释呢？

基于以上的疑问，在1970年，有科学家做了这样的实验。

设计意图：通过几则资料，有层次呈现膜结构的特点，给学生一步步构建细胞膜的结构，在资料中联系化学知识，让学生体会各学科之间交叉，利用模型建构的方法，把微观世界宏观化，是一种科学研究方法的教育。

3.细胞膜性质的探索

展示资料6：1970年，科学家用绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红光色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子。将小鼠细胞和人细胞融合，这两种细胞刚融合时，融合细胞的一般发绿色荧光，一半发红色荧光。在37℃下经过40min，两种颜色的荧光均匀分布。

问题设置：从实验的现象中说明细胞膜的结构具有什么特征？

依据资料，学生总结出：细胞膜不是静止结构，具有流动性，因此两种细胞能够融合。变形虫的运动及细胞的生长，都是基于这个特性。

1972年桑格和尼克森提出流动镶嵌模型。

设计意图：通过资料的给出，学生认同细胞膜的结构与功能相适应的特点，加深对膜结构的的印象。

4.总结主干知识至此，学生通过问题串的科学史，探究出细胞膜的成分有蛋白质和脂质。脂质为连续的两层，蛋白质分布在膜的表面，膜的内部以及镶嵌在细胞膜上中，且细胞膜具有流动性。

五、教学反思

本节课的教学是基于“问题串”的科学史为主线，通过问题串，学生理清本节课的思路以及知晓每个资料间的关联，从而更好地构建生物膜的流动镶嵌模型。学生主动思考，讨论，并提出问题，转被动为主动学习方式，提高了学生的科学思维能力。通过每个问题的表达，锻炼学生的语言表达能力。同时把科学史串联，让学生深刻认识到科学发展是集很多科学家的专业知识及智慧实现的。通过科学史，也是对学生渗透品德教育的较好方式，实现生物核心素养的很好素材。课堂反馈显示，学生的参与活动的积极性很高，课堂气氛和谐而融洽，对每个材料反映的科学信息很明确，能够主动地构建生物膜的流动镶嵌模型。

参考文献

[1]刘奋宇，龚大洁.基于生物科学史的“遗传信息的携带者———核酸”教学设计[J].生物学通报，2013（01）.

[2]陈月艳.根据教学内容和任务设计问题串[J].生物学通报，2011（01）.

[3]中华人民共和国教育部制定.普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]中华人民共和国教育部制定.普通高中生物课程标准（实验）[M].北京：北京师范大学出版社，2003.

作者简介：陈亚荣（1991—），女，苗族，在读研究生，研究方向：学科教学（生物）。