基于科学史和模型建构的“生物膜的流动镶嵌模型”教学设计

邹 艳

(广东省广州市第五中学 广州 510220)

1 教材分析

本节内容安排在学习了细胞的基本结构和物质跨膜运输的实例之后，目的是先明确生物膜的选择透过性功能之后再揭示生物膜的结构，通过对次位概念[1]“质膜能控制物质进出”本质的理解逐步帮助学生在大脑中形成“生物体结构与功能相适应”的生命观念。本节教材包含两大部分： 一是科学家对生物膜结构的探索，二是建构生物膜的结构模型，两者经纬交错。因此本节课主要是让学生亲身经历科学家的一个个探究过程，通过逐步建构、修正模型来厘清思路，领会科学探究方法[2]，培养科学思维方式“假说—演绎法”，也为必修2《遗传与进化》中假说—演绎法的应用打下坚实的基础。

通过初中的学习，高一的学生对细胞的结构有一定的认知，对事物的分析判断能力正在逐步形成。但是学生的科学思维方式还没有得到系统地培养，对知识只是机械理解和重复记忆。因此需要教师有意识地引导,让学生能通过自身对生物膜的一步步探索来主动学习，掌握运用“理性思维”——演绎与推理、模型与建模等探讨生命现象。

本节的教学重点是结合科学发展史的层层探索过程，阐述生物膜流动镶嵌模型基本内容；本节的教学难点是对生物膜流动镶嵌的理解及结构和功能观的体现。

2 教学目标

依据课程标准的内容要求、学业要求及学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过层层探索，认同生物膜由物质构成，具有精密的结构，具备相应的功能；能简述生物膜流动镶嵌模型的基本内容，建立结构与功能观。

(2) 通过观察教师给出的情境设问、做出假设、设计方案并通过建构模型来交流讨论，系统掌握科学探究的基本方法，增强求知欲；尝试制作生物膜模型，锻炼学生的空间想象能力和动手操作能力。

(3) 通过科学史的层层探索，逐步发展科学思维——假说演绎法。

(4) 利用本地各种水果来搭建生物膜模型，让学生真正接触到生命物体，感受到自身研究的问题其实就是生命的本真。

3 教学过程

3.1 小实验创设情境，导入新课 学生活动： 给每个小组一小瓶水油混合物，用力摇动后还是不相融合，滴加苏丹Ⅲ染液后只有上层的油被染上颜色，水还是无色，教师设问：“水油为什么不相融，而油与染色剂相融？”让学生明确化合物具有“相似相溶”的特性。教师导入： 大家课桌上的水果有什么办法可推测其细胞膜的成分吗？

设计意图： 由于化学知识还没到位，高一学生的元认知中对化合物的“相似相溶”原理并不清楚，通过此直观演示，学生瞬间明了相似相溶的现象，达到了有效学习的目的。该情境设置也为欧文顿的实验探究做好铺垫。

3.2 通过对科学史的探索[3]，建构模型 具体教学设计过程如下：

3.2.1 对生物膜成分的探索 资料1： 19世纪末的欧文顿也有相似的想法，曾用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次的研究,在自己坚持不懈的努力下发现： 脂溶性分子易通过，而非脂溶性分子则难以通过。

学生在前知识的铺垫下说出：“细胞膜的成分里有脂质”，教师引导这是结论还是假说，还有必要通过对膜的成分进行提取和鉴定来验证吗？师生共同总结出科学思维方式“假说—演绎法”，即通过观察到的事实，先提出问题，再通过严谨的推理和大胆的想象做出合理的假设，最后还需其他实验的验证和完善。

教师设问： 如何分离出较纯净的细胞膜，用水果细胞可以吗？如何鉴定细胞膜中含有脂质呢？联系前知学生思维之火迸发，考虑使用苏丹Ⅲ染液，教师及时修正后指出生物学研究也离不开化学等学科的支撑。

资料2： (验证)20世纪初，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，通过化学分析得出结论“膜的主要成分是磷脂和蛋白质”。

设计意图： 首先是从细胞膜的组成成分开始研究，层层上升，联系旧知深化新知，建立知识掌握的连贯性；同时意识到没有跨学科知识的储备也很难在某一个学科取得成就。其次是通过科学家的探索历程逐步领悟科学的思维方式。

教师顺势导入：“明确了组成细胞膜的成分，那么这些成分是如何构成生物膜的？”

3.2.2 对生物膜结构的探索 教师介绍磷脂分子的特性后设定情境： 假设在空气—水界面，磷脂分子如何排布？

学生第一次建模活动： 教师提供的硬质泡沫板可当作水面，葡萄加牙签可模拟磷脂分子，各小组联系化学知识推理并大胆推测，在泡沫板上建构多个磷脂分子排布模型。模型完成后教师可用手机拍摄后在投影屏上同屏，各小组讨论后修正完善模型。

教师抛出问题： 细胞膜上的磷脂分子又是怎么分布的？各小组讨论后建模，说出相应的依据。此次建模可以帮助教师掌握学生的原有认知，做到有的放矢。教师在充分肯定学生的思维能力后提出：“各小组提出的看法是假说还是结论，要怎样论证？”教师展示科学家的论证实验，引导学生主动思考学习。

资料3： (验证)1925年，两位荷兰科学家用丙酮从红细胞中抽提出脂质，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两倍。证实： 细胞膜由两层磷脂分子构成。

学生第二次建模活动： 用两块硬质泡沫板模拟细胞膜内外的液体环境，利用葡萄和牙签完善膜的磷脂双分子层模型。

设计意图： 通过情境设定，培养学生的分析推理能力，并通过建模直观展示自己的观点，将假说—演绎法的思维方式进一步强化。使用泡沫板和葡萄作为建模材料，方便用牙签固定，并可以随时修改完善模型。考虑到学生模型不方便直接呈现，笔者找到两个较好的展示方法： 其一是下载一款手机同屏的应用程序，在手机与电脑同一无线网络情况下可以将手机与电脑同屏，实现手机拍照后实时上传；其二是若无无线网络覆盖，也可以手机拍照后直接在投影仪投影或手机接U盘后连接电脑展示，都可以大大提高课堂教学效率。

教师再次抛出问题： 蛋白质在哪里？学生兴趣高昂，纷纷表述自己的看法。教师适时提出科学技术的进步有助于解开这个谜题，使学生意识到实验技术进步的重要性。

3.2.3 技术的进步推动生物膜结构的发展 资料4： 1959年，罗伯特森在电镜下看到了细胞膜的清晰的暗—亮—暗三层结构，蛋白质密度高表现暗色，于是他大胆提出生物膜都是由蛋白质—脂质—蛋白质构成的“三明治”静态模型。

这一次眼见真的为实吗？教师引导学生利用观察实验材料葡萄，结合所学知识，对静态模型提出自己的见解；随后播放变形虫吞噬食物的视频加以证明。至此对细胞膜的研究似乎进入瓶颈，随后新技术的出现带来新的模型。

资料5： (动画展示)1970年科学家用荧光标记人、鼠细胞膜上的蛋白质进行细胞的融合实验，发现蛋白质是可以运动的，表明细胞膜是流动的而不是静止的。资料6： 冰冻蚀刻电子显微技术显示细胞膜上蛋白质并不全铺在脂质表面，有的呈镶嵌分布。至此生物膜模型呼之欲出。

学生第三次建模活动： 利用苹果切片代表不同的蛋白质，在原有模型的基础上各小组继续进一步建构生物膜的模型，分组展示成果，并尝试用自己的语言表述，学生感受到合作探究带来的成就感。

设计意图： 使学生认识到在人类的科学探索过程中，技术的进步起到了关键的推动作用，跨学科知识的理解是形成创新型人才必备的能力；使用泡沫、水果、牙签等建模材料，方便学生随时修改完善自己的作品，也深深领悟到科学成果的获得并不是一蹴而就的，需要坚持不懈的努力和孜孜不倦的探索。

3.3 探讨归纳，建构概念模型形成“科学概念” 资料7： (动画展示)1972年桑格和尼克桑共同合作提出生物膜的流动镶嵌模型。教师设问： 镶嵌的含义是什么？流动性是通过什么体现的？该设问有助于学生深层认知膜的结构特点，形成正确的“科学概念”。利用导学案，师生再携手建构生物膜的概念模型，帮助学生全面理解生物膜流动镶嵌模型所代表的含义，教师补充糖被的成分与作用，学生利用玉米粒完善模型。

教师再引导学生根据细胞膜的结构推测其功能： 细胞膜中的磷脂分子有什么作用？镶嵌或横跨分布的蛋白质所发挥的作用会是什么呢？让学生充分表达自己的想法，学生大脑中自然形成了生命观念“结构功能观”。结束语： 生物膜的流动镶嵌模型是否已经完美无缺呢？使学生意识到科学探索的脚步是永不停息的。

设计意图： 建构概念模型，从直观认知上升到科学概念的形成，培养科学思维，有利于学生学科核心素养的发展，帮助形成生命观念。

4 教学反思

本节课充分利用了生物膜探索的科学史，学会科学探究方法，领悟科学思维的方式；再利用水果为材料建构模型，感受生命的本真，锻炼动手能力，改变单纯机械记忆知识的习惯，发展学科核心素养。