基于HPS理念培育科學(xué)思維核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“生物膜的流動鑲嵌模型”為例

魏鳳國 謝 妤

（1 遼寧省實(shí)驗(yàn)中學(xué)東戴河分校 遼寧葫蘆島 125208 2 重慶市涪陵實(shí)驗(yàn)中學(xué)校 重慶 408000）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，應(yīng)當(dāng)以生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，在教學(xué)中圍繞學(xué)科大概念的形成， 注重對學(xué)生的思維引導(dǎo)與能力培養(yǎng)。 生物學(xué)作為一門科學(xué)學(xué)科，對學(xué)生假說-演繹、模型構(gòu)建與批判創(chuàng)造等多種思維的培養(yǎng)發(fā)揮著獨(dú)特的課程價(jià)值， 而這也正是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中所需要培育的科學(xué)思維核心素養(yǎng)［1］。近年來，國際科學(xué)教育界中熱門的HPS［科學(xué)史（history of science）、 科 學(xué) 哲 學(xué) （philosophy of science）與科 學(xué)社會 學(xué)（sociology of science）的統(tǒng)稱］的教育理念則與科學(xué)思維的培育不謀而合，強(qiáng)調(diào)以科學(xué)理論由來、探究與應(yīng)用等方面的教學(xué)，加深學(xué)生對科學(xué)知識理解的深度與廣度， 從而改善學(xué)生的科學(xué)思維及其科學(xué)素養(yǎng)［2］。

基于以上對HPS 教育理念與科學(xué)思維核心素養(yǎng)培育的整體認(rèn)知，本文選擇“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。 通過生物膜結(jié)構(gòu)研究科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的演繹與推理思維；以“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的科學(xué)哲學(xué)觀，通過與學(xué)生的共同探討論證，培養(yǎng)其批判與建模思維；以生物膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生體會科學(xué)探索中充滿的創(chuàng)造思維； 由學(xué)生自主構(gòu)建流動鑲嵌模型的過程，提升其歸納與概括思維，從而最終培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及科學(xué)探究的精神。 教學(xué)過程如圖1 所示。

1 直觀情境引入，培養(yǎng)推理思維

教學(xué)過程： 教師播放獵豹捕食斑馬的視頻短片，將學(xué)生引入宏觀世界驚心動魄的捕食場面，并提出：在微觀世界中是否也存在捕食現(xiàn)象？再繼續(xù)播放變形蟲捕食2 只草履蟲的視頻，提出：變形蟲和草履蟲都是單細(xì)胞動物， 變形蟲依靠細(xì)胞膜的什么特性完成捕食行為？

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)情境，用直觀展示的動態(tài)小視頻吸引學(xué)生的興趣，使其在觀看視頻的同時，積極思考問題。通過觀看視頻，學(xué)生可較直觀地觀察到變形蟲在吞食2 只草履蟲過程中的形狀改變，進(jìn)而推斷其依靠細(xì)胞膜的流動性完成捕食行為。 通過該實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理思維， 同時引出本節(jié)課的主題——生物膜的流動鑲嵌模型。

2 科學(xué)進(jìn)程與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用交互

2.1 歐文頓實(shí)驗(yàn)——培養(yǎng)推理思維

教學(xué)過程： 教師利用課件展示資料1：“歐文頓用500 多種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行上萬次的實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對不同物質(zhì)的通透性不同： 凡是可溶于脂質(zhì)的物質(zhì)， 比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞”。 結(jié)合化學(xué)中的相似相溶原理，請學(xué)生猜測：細(xì)胞膜由什么組成？ 教師追問：大家知道，組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)中磷脂含量最豐富，磷脂是如何構(gòu)建細(xì)胞膜的？ 教師展示資料2：①磷脂分子結(jié)構(gòu)示意圖；②哺乳動物成熟的紅細(xì)胞內(nèi)、外均是水環(huán)境。教師提出：若用磷脂分子構(gòu)建紅細(xì)胞的細(xì)胞膜，該如何構(gòu)建？

設(shè)計(jì)意圖： 學(xué)生根據(jù)有機(jī)化學(xué)的相關(guān)知識進(jìn)行推理，很快就能回答出膜是由脂質(zhì)組成的。生物膜是由磷脂分子組成的概念回顧， 則為接下來教師的追問搭梯子， 在加深學(xué)生對磷脂雙分子層組建生物膜理解的同時，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、利用信息進(jìn)行推理演繹的思維能力。 學(xué)生了解了細(xì)胞的水環(huán)境，在“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的科學(xué)哲學(xué)觀點(diǎn)中，自主進(jìn)行模型構(gòu)建。 該過程中，不論初步構(gòu)建的模型正確與否，均培養(yǎng)了學(xué)生的推理能力，指向了科學(xué)思維核心素養(yǎng)的有效培育。

2.2 荷蘭科學(xué)家實(shí)驗(yàn)——延展創(chuàng)造思維

教學(xué)過程： 教師通過展示資料3：“1925年，2位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，在空氣-水的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”，證明學(xué)生的假設(shè)。之后教師提出：如果用磷脂雙分子層同時包裹水溶性藥物和脂溶性藥物， 則這2 種藥物分布在磷脂雙分子層的什么位置？ 學(xué)生在黑板和草紙上作簡圖進(jìn)行展示。 簡圖如圖2 所示：

緊接著教師追問1： 某藥物若能用磷脂單分子層包裹，則該藥物是水溶性的還是脂溶性的？如果利用圖2 所示的圖形， 你截取一部分經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砑纯色@得答案，你會截取哪個部分？學(xué)生觀看圖2 中的藥物分布情況不難得出： 截取圖2 中藥物與磷脂雙分子層的一小部分， 兩端封合則可得出圖形， 并在黑板上進(jìn)行展示如圖3、 圖4 所示。 教師追問2：如果按圖4 所示，磷脂分子外面是什么環(huán)境該結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在？ 學(xué)生思考討論后認(rèn)為磷脂分子外面的環(huán)境是油脂類， 該結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在。 在水環(huán)境下，該結(jié)構(gòu)不會穩(wěn)定存在，圖4 所示結(jié)構(gòu)進(jìn)入人體血液中會迅速被打亂。 最終得出結(jié)論：如果用單層磷脂分子能包裹某藥物，則該藥物是脂溶性的。

設(shè)計(jì)意圖： 利用科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果證實(shí)學(xué)生提出的“磷脂雙分子層”的假設(shè)，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究中邏輯推理成功的快感， 也更讓其了解科學(xué)假設(shè)必須要有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證方能證實(shí)。 通過問題串，將學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造的應(yīng)用進(jìn)行遷移，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生對“用磷脂單分子層包裹某藥物，則該藥物是脂溶性的”這一問題的理解。而正是磷脂小球的科學(xué)社會學(xué)應(yīng)用， 才讓當(dāng)今醫(yī)學(xué)中的靶向給藥與人體運(yùn)輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)， 從而在潛移默化中延展了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

2.3 提取與分析實(shí)驗(yàn)——孕育建模思維

教學(xué)過程：教師展示資料4：“20 世紀(jì)初，科學(xué)家第1 次將膜從哺乳動物的紅細(xì)胞中分離出來?；瘜W(xué)分析表明， 膜的主要成分是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)”。教師提問：脂質(zhì)和蛋白質(zhì)是如何構(gòu)建細(xì)胞膜的？學(xué)生積極思考， 但此時學(xué)生并不知道脂質(zhì)和蛋白質(zhì)是如何構(gòu)建細(xì)胞膜的。 此時，教師展示資料5：“人們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的表面張力比油-水界面的表面張力低得多， 已知脂滴表面若吸附有蛋白成分則表面張力降低”［3］。 教師提出：根據(jù)資料5，你能猜測脂質(zhì)和蛋白質(zhì)應(yīng)該是怎樣構(gòu)建成細(xì)胞膜的嗎？

設(shè)計(jì)意圖：以資料4 的展示引起學(xué)生的思考，激發(fā)學(xué)生的求知欲。 讓學(xué)生首先明白模型構(gòu)建初步的物質(zhì)基礎(chǔ)，并為教師展示資料5 作鋪墊。學(xué)生能依據(jù)資料5 作出假設(shè)： 蛋白質(zhì)均勻分布在脂質(zhì)兩側(cè)。這樣就在無形之中構(gòu)建了“三明治結(jié)構(gòu)模型的大致結(jié)構(gòu)模式，并培育了學(xué)生的模型構(gòu)建思維。

2.4 羅伯特森實(shí)驗(yàn)——初涉批判思維

教學(xué)過程： 教師展示資料6：“電子顯微鏡是用高能電子束作為光源的， 高能電子穿過樣品最后成像。電子容易穿過脂質(zhì)分子，不容易穿過蛋白質(zhì)分子”［3］。 1951年，羅伯特森在電子顯微鏡下觀察到細(xì)胞膜清晰的暗-亮-暗的3 層結(jié)構(gòu)。 教師提出：細(xì)胞膜的暗層是什么分子？ 亮層是什么分子？學(xué)生根據(jù)資料，可作出判斷，細(xì)胞膜的暗層是蛋白質(zhì)分子，亮層是脂質(zhì)分子。羅伯特森用電鏡觀察的結(jié)果恰好證明了學(xué)生的假設(shè)。教師追問：這種三明治結(jié)構(gòu)模型能解釋短片中變形蟲的捕食行為嗎？還不能解釋細(xì)胞的哪些生命現(xiàn)象？ 引入變形蟲的變形運(yùn)動、細(xì)胞的生長、細(xì)胞的分裂、細(xì)胞的分泌活動、質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象等。

設(shè)計(jì)意圖：資料6 的展示同樣讓學(xué)生體驗(yàn)自己的邏輯推理被科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)證明的成就感與滿足感。而緊接著教師進(jìn)行追問，學(xué)生通過思考和討論， 了解到三明治結(jié)構(gòu)模型不能解釋生物膜依賴流動性行使功能的現(xiàn)象， 引起三明治結(jié)構(gòu)模型與細(xì)胞功能行使的矛盾， 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同矛盾驅(qū)動著科學(xué)家繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索生物膜結(jié)構(gòu)模型的真相，從而逐步形成“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的科學(xué)哲學(xué)觀點(diǎn)，同時培養(yǎng)批判性思維與質(zhì)疑精神，落實(shí)科學(xué)思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.5 人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)——深化推理思維

教學(xué)過程：教師展示資料7：“1970年，科學(xué)家做了人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)”。 教師提出：該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么？ 學(xué)生很容易回答： 細(xì)胞膜具有流動性。 教師追問：如果適當(dāng)提高溫度，細(xì)胞膜表面紅綠熒光均勻分布所需要的時間會怎樣變化？

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)分子熱運(yùn)動理論，所需要的時間應(yīng)縮短。 引導(dǎo)學(xué)生利用初中所學(xué)的分子熱運(yùn)動理論思考問題，培養(yǎng)學(xué)生思維遷移的能力，并深化其推理思維。

3 描述流動鑲嵌模型，提升歸納概括思維

教學(xué)過程： 根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，1972年桑格和尼克森提出了生物膜的流動鑲嵌模型。 教師引導(dǎo)學(xué)生先看圖再閱讀生物膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。 教師提出：圖片中還有糖鏈，可與蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白，糖蛋白具有什么作用？學(xué)生通過閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，回答糖蛋白具有保護(hù)、潤滑和識別的作用。 追問1：如何判斷細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)？ 學(xué)生根據(jù)糖蛋白具有細(xì)胞識別的作用和對細(xì)胞進(jìn)行保護(hù)的作用， 可判斷出有糖鏈的部分為細(xì)胞膜的外側(cè)。 追問2：糖鏈還可與磷脂分子結(jié)合，形成糖脂，糖脂具有什么作用？膽固醇具有什么作用？ 讓學(xué)生利用課后時間查閱資料。 最后讓學(xué)生回答3 個問題為該部分內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和歸納：①生物膜是由什么組成的？ ②這些分子是如何相互作用的？ ③這些分子有何特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象，結(jié)合“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的觀點(diǎn)進(jìn)行推理的能力。學(xué)生按照教師的要求，利用課后時間，借助網(wǎng)絡(luò)和文獻(xiàn)等進(jìn)行查閱，培養(yǎng)了查閱資料、探尋知識的習(xí)慣。 而對生物膜的流動鑲嵌模型進(jìn)行總結(jié)和歸納， 讓學(xué)生在之前知識理解的基礎(chǔ)上歸納與概括“生物膜是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)組成的， 蛋白質(zhì)分子與磷脂雙分子層非對稱性結(jié)合，磷脂分子是流動的，蛋白質(zhì)分子大多也是流動的”。通過該過程提升學(xué)生的歸納與概括思維，實(shí)現(xiàn)記憶的升華，做到對整體模型的把握與理解。

4 教學(xué)反思

以HPS 理念進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)，是在以科學(xué)史進(jìn)程為主要教學(xué)線索的基礎(chǔ)上，用科學(xué)哲學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行邏輯推理與思維深化，以科學(xué)社會學(xué)應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)造性延展，有助于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。 然而，科學(xué)思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要教師對教材中內(nèi)容精雕細(xì)琢，解構(gòu)與重構(gòu)相關(guān)背景資料，甚至利用網(wǎng)絡(luò)、大學(xué)教材等抽提出有用的、相關(guān)的信息經(jīng)過加工，轉(zhuǎn)變成相關(guān)的背景資料，以供學(xué)生獲取信息資源。 通過設(shè)置相應(yīng)的問題串，引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)家的角色提出合理的假設(shè)，并用科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證學(xué)生的假設(shè)， 最終讓學(xué)生體驗(yàn)邏輯推理的成就感，培養(yǎng)科學(xué)思維和堅(jiān)持不懈、勤于思考的科學(xué)精神。