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      有效構(gòu)建模型 發(fā)展科學(xué)思維

      2018-01-18 10:08:40張蕓
      關(guān)鍵詞:模型構(gòu)建科學(xué)史科學(xué)思維

      張蕓

      [摘 要]在設(shè)計(jì)《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》的教學(xué)時(shí),以“生物膜的成分→生物膜的結(jié)構(gòu)→生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”為主線,以科學(xué)史為素材,引導(dǎo)學(xué)生分析、推理,并以小組為單位開展模型構(gòu)建活動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)教學(xué),可引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與探究過程,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

      [關(guān)鍵詞]模型構(gòu)建;科學(xué)思維;科學(xué)史;生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型

      [中圖分類號(hào)] G633.91 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058(2018)32-0080-02

      一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

      《生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型》是人教版高中生物必修1第四章第三節(jié)的內(nèi)容,主要包括科學(xué)家對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程及生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型兩部分內(nèi)容。流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容是教學(xué)重點(diǎn),而如何在探討建立生物膜模型的過程中體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)是教學(xué)難點(diǎn)。在重難點(diǎn)的突破方面,教材雖然提供了豐富的科學(xué)史素材,但大多是描述性實(shí)驗(yàn),如果直接呈現(xiàn)給學(xué)生,勢必抽象、枯燥,難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此,筆者在設(shè)計(jì)本課教學(xué)時(shí)以“生物膜的成分→結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”為主線,以科學(xué)史為素材,引導(dǎo)學(xué)生分析、推理,并在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生以小組為單位開展模型構(gòu)建活動(dòng)。這樣處理,不僅能將抽象的知識(shí)具體化,加深學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的理解與掌握,還能使學(xué)生積極主動(dòng)地參與探究過程,有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

      二、教學(xué)目標(biāo)

      1. 知識(shí)目標(biāo):通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程,闡述科學(xué)發(fā)現(xiàn)的一般規(guī)律;簡述生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

      2.能力目標(biāo):通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程,嘗試做出假設(shè);發(fā)揮空間想象力,通過制作模型,構(gòu)建生物膜的立體結(jié)構(gòu)。

      3.情感目標(biāo):認(rèn)同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步在建立生物膜模型的過程中所起的作用;樹立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)觀點(diǎn)。

      三、教學(xué)過程

      (一)創(chuàng)設(shè)情境,導(dǎo)入新課

      首先請(qǐng)語文課代表朗誦一首贊美細(xì)胞膜的小詩:“在廣闊的原始海洋中,我聚天地之精華、日月之靈氣,成為地球上最基本的生命系統(tǒng)。面對(duì)生命的誕生,我孤獨(dú)、恐懼,感恩有你,為我隔開了原始海洋、為我日夜守邊防、為我傳信報(bào)安康。”然后引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前一節(jié)的內(nèi)容——細(xì)胞膜的功能,而功能由結(jié)構(gòu)決定,自然進(jìn)入對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。

      (二)分析資料,構(gòu)建模型

      利用PPT課件展示一系列科學(xué)史素材,引導(dǎo)學(xué)生討論分析,并通過初步構(gòu)建模型、修正并完善模型到最終確定生物膜的結(jié)構(gòu)模型,有效突破教學(xué)難點(diǎn)。

      1.對(duì)生物膜成分的探索

      資料1: 1895年,歐文頓(E.Overton)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)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)比不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。(提示:相似相溶原理,即分子結(jié)構(gòu)越相似的物質(zhì)越是能夠相互溶解)

      思考與討論:①分析歐文頓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于膜的組成成分,你能做出怎樣的推測?(膜由脂質(zhì)組成)②在分析、推理得出結(jié)論后,還有必要對(duì)膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定嗎?(需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)

      資料2:20世紀(jì)初,科學(xué)家第一次將細(xì)胞膜從哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞中分離出來。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞膜會(huì)被脂質(zhì)的溶劑溶解,也會(huì)被蛋白酶水解。

      思考與討論:據(jù)此,對(duì)于細(xì)胞膜的成分,你又能做出怎樣的推測?(細(xì)胞膜由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成)

      教師指出:隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜中除了含有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)外,還有少量的糖類,在組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)中磷脂最豐富。這些磷脂、蛋白質(zhì)和糖類是如何排布構(gòu)成細(xì)胞膜的呢?

      2. 對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索

      (1) 磷脂分子的排布

      資料3:磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸組成的分子,其“頭”部(磷酸)是親水的,“尾”部(脂肪酸)是疏水的。(PPT投影磷脂分子的結(jié)構(gòu)圖)

      模型構(gòu)建1:根據(jù)磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),嘗試構(gòu)建磷脂分子在空氣—水界面上的排布模型。(學(xué)生在了解磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后,通過小組討論,基本都能構(gòu)建出正確的模型,如圖1)

      資料4:1925年,兩位荷蘭科學(xué)家戈特(E.Gorter)和格倫德爾(F.Grendel)用丙酮從人體的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì),在空氣—水界面上鋪展成單分子層,測得單分子層的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍。

      思考與討論:根據(jù)資料4,你能做出怎樣的推測?(膜中的磷脂分子排列為兩層)

      模型構(gòu)建2:結(jié)合細(xì)胞內(nèi)外的環(huán)境特點(diǎn)以及磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),嘗試構(gòu)建膜中兩層磷脂分子分布的平面模型。(提示:細(xì)胞外如紅細(xì)胞外是血漿,血漿中有水,細(xì)胞內(nèi)即細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中也有水)

      教師引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位合作構(gòu)建模型,展示結(jié)果并給予點(diǎn)評(píng),師生共同構(gòu)建磷脂分子在膜中的排布模型(如圖2)。教師繼續(xù)提問:“細(xì)胞膜中還有蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)如何排布呢?”

      (2) 蛋白質(zhì)分子的排布

      資料5:1959年,羅伯特森在電鏡下看到細(xì)胞膜清晰的“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu),并提出生物膜是由“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的靜態(tài)、統(tǒng)一結(jié)構(gòu),即單位膜模型。

      模型構(gòu)建3:根據(jù)資料5,嘗試排出膜上蛋白質(zhì)的位置。(學(xué)生小組合作,很快排出細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的分布,如圖3)

      資料6:電鏡檢測發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)層厚2.5~3.0 nm,磷脂分子層厚3.5~4.0 nm。

      那么模擬細(xì)胞膜的厚度應(yīng)為12~14 nm,而實(shí)際測得細(xì)胞膜的厚度通常為7~8 nm。實(shí)際細(xì)胞膜的厚度小于模型細(xì)胞膜的厚度。

      思考與討論:根據(jù)資料6,你能做出怎樣的推測?(細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)可能不是均勻分布在上下兩層)

      資料7:20世紀(jì)60年代,科學(xué)家利用冰凍蝕刻電鏡技術(shù)觀察到小鼠肝細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的分布模型。(展示冰凍蝕刻電鏡技術(shù)觀察到的小鼠肝細(xì)胞膜圖片,如圖4)

      思考與討論:觀察圖片,你能得出什么結(jié)論?(細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)鑲在、嵌入或貫穿磷脂雙分子層中,分布是不均勻的)

      模型構(gòu)建4:修正模型,重新排布蛋白質(zhì)(如圖5)。

      教師繼續(xù)提問:“細(xì)胞膜中除了主要含磷脂和蛋白質(zhì)外,還有少量糖類,它又是如何排布的呢?”

      (3) 糖類分子的排布

      資料8:糖類可以與蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白,也叫糖被,分布在細(xì)胞膜的外側(cè),具有保護(hù)、潤滑、識(shí)別的作用。有些糖類還可以與磷脂分子結(jié)合形成糖脂。

      模型構(gòu)建5:根據(jù)資料8,在細(xì)胞膜上排布糖類以完善模型(如圖6)。

      教師繼續(xù)提問:“在同學(xué)們的通力合作下,三種物質(zhì)在細(xì)胞膜上的排布已經(jīng)很清楚,可是老師依然困惑,根據(jù)羅伯特森的單位膜模型可知生物膜是靜態(tài)的,真是這樣嗎?那么變形蟲的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)物細(xì)胞吸水膨脹和失水皺縮、植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原等現(xiàn)象又如何解釋呢?”

      3.對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的探索

      資料9:1970年,科學(xué)家弗雷(L.D.Frye)和埃迪登(H.Edidin)分別用紅色、綠色熒光來標(biāo)記人、鼠細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì),并進(jìn)行人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)。(PPT展示教材中人、鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)的示意圖)

      思考與討論:分析該實(shí)驗(yàn),你能得出什么結(jié)論?(小組討論后得出細(xì)胞膜具有流動(dòng)性)

      教師指出:本實(shí)驗(yàn)最直接得出的結(jié)論應(yīng)該是“膜細(xì)胞上的蛋白質(zhì)是可以運(yùn)動(dòng)的”,進(jìn)而說明生物膜具有流動(dòng)性。那么磷脂分子也能動(dòng)嗎?

      資料10:科學(xué)家在研究動(dòng)物細(xì)胞吸水膨脹時(shí),發(fā)現(xiàn)磷脂雙分子層的厚度變小。

      思考與討論:據(jù)此,你能得出什么結(jié)論?(磷脂分子也可以運(yùn)動(dòng))

      教師PPT展示磷脂分子的幾種運(yùn)動(dòng)方式圖并指出:迄今為止,已提出的關(guān)于生物膜結(jié)構(gòu)的模型已有幾十種,目前普遍認(rèn)可的是由桑格和尼克森提出的生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。

      資料11:1972年,桑格和尼克森提出了生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型。(PPT展示教材中生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的示意圖)

      教師提問:“該模型的基本內(nèi)容是什么?生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么?”通過這兩個(gè)問題最終對(duì)本節(jié)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化的總結(jié)。

      四、 教學(xué)反思

      “科學(xué)探究”和“科學(xué)思維”是高中生物核心素養(yǎng)的重要部分。在高中生物課堂教學(xué)中,開展模型構(gòu)建等探究性活動(dòng)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效方法。在本課中,筆者以科學(xué)史為素材,引導(dǎo)學(xué)生基于事實(shí)和證據(jù)進(jìn)行分析、推理,并在此基礎(chǔ)上小組合作進(jìn)行模型構(gòu)建活動(dòng),經(jīng)歷從初步建立模型、修正模型到最終確立模型等過程,在一定程度上發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

      (責(zé)任編輯 黃春香)

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