基于生物科學(xué)史的探究式教學(xué)

葉凱

［摘 要］在“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”教學(xué)中，以科學(xué)史為素材，創(chuàng)設(shè)探究情境，精心設(shè)計(jì)問題串和學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“提出假說”和“模型與建?！钡目茖W(xué)研究方法探究細(xì)胞膜的成分和結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的發(fā)展，落實(shí)新課程的育人理念。

［關(guān)鍵詞］科學(xué)史；探究式教學(xué)；細(xì)胞膜；結(jié)構(gòu)；功能

［中圖分類號(hào)］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）29-0091-03

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）在“實(shí)施建議”部分中明確指出，高中生物學(xué)教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而落實(shí)該教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵是開展探究式教學(xué)。高中生物學(xué)教材中介紹了許多經(jīng)典的生物科學(xué)史，這些科學(xué)史凝聚了科學(xué)家的心血和智慧，是探究式教學(xué)最好的素材?！墩n標(biāo)》倡導(dǎo)教師重視生物科學(xué)史的教學(xué)。生物科學(xué)史能使學(xué)生重溫科學(xué)家探索生物世界的歷程，有利于學(xué)生理解學(xué)科知識(shí)的本質(zhì)和掌握科學(xué)研究的思路和方法，有利于學(xué)生感悟科學(xué)家永不言棄、不斷進(jìn)取的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，這對(duì)于提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是很有意義的。本文以“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”一課為例，闡述如何以生物科學(xué)史為素材開展探究式教學(xué)，以期為廣大生物學(xué)教師提供教學(xué)參考。

一、教材分析和設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”是人教版（2019）高中生物學(xué)必修1第3章第1節(jié)的內(nèi)容，主要包括細(xì)胞膜的功能、對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索、流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容”等。為了避免按照時(shí)間軸簡(jiǎn)單地羅列生物科學(xué)史，筆者采用了基于生物科學(xué)史的探究式教學(xué)模式，并將本節(jié)課分為細(xì)胞膜成分的探究和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探究?jī)纱蟀鍓K。為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)，筆者創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境，精準(zhǔn)設(shè)置問題串，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)磷脂分子的特點(diǎn)和蛋白質(zhì)的功能，完成對(duì)細(xì)胞膜中磷脂分子和蛋白質(zhì)的分布的探究和模型的建構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)、建構(gòu)模型、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、修正模型，培養(yǎng)學(xué)生的自主、合作、探究能力，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)《課標(biāo)》的要求，結(jié)合發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的理念，制訂以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過對(duì)生物學(xué)事實(shí)的分析，運(yùn)用演繹與推理、歸納與概括等科學(xué)思維方法概括細(xì)胞膜的功能，培養(yǎng)科學(xué)思維。

（2）通過對(duì)科學(xué)史的分析，運(yùn)用“提出假說”和“模型與建?！钡目茖W(xué)研究方法探究細(xì)胞膜的成分和結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。

（3）通過建構(gòu)模型的方法，加深對(duì)流動(dòng)鑲嵌模型內(nèi)容的理解，發(fā)展生命觀念。

（4）通過對(duì)細(xì)胞膜相關(guān)科學(xué)史的回顧，激發(fā)繼承和發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神的使命感，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

三、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師：同學(xué)們，老師手里有一個(gè)未受精的雞蛋。去掉蛋殼和蛋清后，剩下的結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)巨大的卵細(xì)胞。接下來就是見證奇跡的時(shí)刻！

教師用兩根手指將蛋黃拈起來，引導(dǎo)學(xué)生思考蛋黃為什么沒有流出來。

設(shè)計(jì)意圖：通過手拈蛋黃的活動(dòng)，引起視覺刺激和引發(fā)認(rèn)知沖突，讓學(xué)生直觀感受細(xì)胞膜的存在，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)導(dǎo)入新課。

（二）分析資料，推測(cè)細(xì)胞膜的功能

教師：細(xì)胞膜作為細(xì)胞的邊界，它有什么作用呢？請(qǐng)同學(xué)們分析資料，推測(cè)細(xì)胞膜的功能。

資料1：將伊紅染料注入變形蟲體內(nèi)，伊紅很快擴(kuò)散到整個(gè)細(xì)胞，卻不能逸出細(xì)胞。

資料2：常用臺(tái)盼藍(lán)染劑鑒別動(dòng)物細(xì)胞是否死亡。死細(xì)胞會(huì)被染成藍(lán)色，而活細(xì)胞不被染色。

資料3：胰島B細(xì)胞分泌的胰島素，隨血液循環(huán)到達(dá)全身各處，與靶細(xì)胞膜上的受體識(shí)別、結(jié)合，將信息傳遞給靶細(xì)胞，靶細(xì)胞的生命活動(dòng)發(fā)生一系列的變化。

學(xué)生分析資料，推理細(xì)胞膜的功能。教師點(diǎn)評(píng)并總結(jié)細(xì)胞膜的功能，然后介紹細(xì)胞間信息交流的三種方式。

設(shè)計(jì)意圖：利用教材案例和補(bǔ)充的資料，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生物學(xué)事實(shí)進(jìn)行分析，推理并概括細(xì)胞膜的功能，培養(yǎng)學(xué)生分析與推理、歸納與概括的能力。

（三）重溫科學(xué)史，探究細(xì)胞膜的成分

教師依次呈現(xiàn)“細(xì)胞膜成分”的科學(xué)史（如圖1），創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生探究細(xì)胞膜的成分。

教師展示歐文頓的實(shí)驗(yàn)（圖1中的科學(xué)史1），提出問題串：細(xì)胞膜含有何種成分？歐文頓實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的推理，還是對(duì)細(xì)胞膜成分的提取與鑒定？

學(xué)生提出細(xì)胞膜可能存在脂質(zhì)的假說，并表示通過提取、鑒定細(xì)胞膜的成分來驗(yàn)證假說。教師展示科學(xué)史2（見圖1）中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證學(xué)生提出的假說。

教師展示丹尼利和戴維森的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1中的科學(xué)史3），提出問題串：細(xì)胞膜還具有什么成分？怎么驗(yàn)證？

小組討論后，學(xué)生提出細(xì)胞膜中可能還存在蛋白質(zhì)的假說及其驗(yàn)證方案（用哺乳動(dòng)物的成熟紅細(xì)胞為材料，制備純凈的細(xì)胞膜，提取細(xì)胞膜的成分后用雙縮脲試劑檢測(cè)）。教師展示科學(xué)史4和科學(xué)史5（見圖1）中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證學(xué)生提出的假說并總結(jié)細(xì)胞膜的成分和含量。

設(shè)計(jì)意圖：指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“提出假說”的方法探究細(xì)胞膜的成分，體會(huì)“分析科學(xué)史—提出假說—驗(yàn)證假說—得出結(jié)論”的探究過程，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。

（四）建構(gòu)模型，探究細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)

教師將細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索分為磷脂分子的分布、蛋白質(zhì)的分布和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三個(gè)板塊，逐步呈現(xiàn)科學(xué)史（見圖2），創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境，精準(zhǔn)設(shè)置問題串，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)磷脂分子的特點(diǎn)和蛋白質(zhì)的功能，采用“提出假說”和“模型與建模”的科學(xué)研究方法探究細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，從而形成“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生命觀念。

1.磷脂分子在細(xì)胞膜上的分布

教師展示磷脂分子的結(jié)構(gòu)示意圖。甘油、磷酸和膽堿構(gòu)成了頭部，磷酸帶負(fù)電，膽堿帶正電，這些帶電基團(tuán)容易與水這種極性分子相結(jié)合，因此頭部和水會(huì)相互吸引，頭部表現(xiàn)為親水。而磷脂分子尾部?jī)蓷l長(zhǎng)的脂肪酸鏈表現(xiàn)為非極性，和水這種極性分子相互排斥，即尾部表現(xiàn)為疏水。待介紹磷脂分子頭部和尾部的化學(xué)組成和理化性質(zhì)后提出問題串：磷脂分子在空氣—水界面上如何排布？沉入水中的磷脂分子會(huì)形成一個(gè)球體，這時(shí)它如何排布？

學(xué)生小組討論后，根據(jù)磷脂分子的理化性質(zhì)，提出假說1和假說2，并借助學(xué)具建構(gòu)平面模型。

假說1：磷脂分子在空氣—水界面上呈單行排布，頭部靠近水面，尾部遠(yuǎn)離水面（如圖3中a）。

假說2：水中磷脂分子自發(fā)形成磷脂雙分子層，頭部朝向兩側(cè)，尾部相互靠近（如圖3中b）。

教師展示科學(xué)家戈特、格倫德爾的實(shí)驗(yàn)（如圖2中的科學(xué)史6），學(xué)生分析資料后結(jié)合細(xì)胞生活的環(huán)境驗(yàn)證其假說，得出結(jié)論：細(xì)胞膜上的磷脂分子為連續(xù)的兩層。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“提出假說”和“模型與建?！钡目茖W(xué)研究方法探究磷脂分子的分布，再次體會(huì)“提出假說—驗(yàn)證假說—得出結(jié)論”的探究過程，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。此外，通過模型建構(gòu)和展示活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

2.蛋白質(zhì)分子在細(xì)胞膜上的分布

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶蛋白質(zhì)的功能，并布置探究任務(wù)：根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，推測(cè)蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層是如何分布的；用黏土模擬蛋白質(zhì)，建構(gòu)蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層上分布的物理模型。

學(xué)生小組討論后提出假說3，并建構(gòu)蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層上分布的物理模型。

假說3：有的蛋白質(zhì)具有運(yùn)輸功能，故這類蛋白質(zhì)會(huì)貫穿磷脂雙分子層；有的蛋白質(zhì)有識(shí)別功能，故這類蛋白質(zhì)會(huì)分布在磷脂雙分子層表面（如圖4）。

教師展示羅伯特森的發(fā)現(xiàn)（如圖2中的科學(xué)史7），并補(bǔ)充相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理：羅伯特森用鋨酸處理細(xì)胞膜，經(jīng)鋨酸處理后的蛋白質(zhì)會(huì)形成高電子密度的鋨黑，在電子顯微鏡下呈黑色，然后提出問題串：“暗”“亮”對(duì)應(yīng)了細(xì)胞膜的何種成分？根據(jù)羅伯特森的實(shí)驗(yàn)，推測(cè)蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層上如何分布。

教師點(diǎn)評(píng)學(xué)生的回答后，介紹羅伯特森的單位膜模型，引導(dǎo)學(xué)生思考：關(guān)于蛋白質(zhì)的分布，羅伯特森和同學(xué)們提出了不同的假說，誰更接近真相呢？

教師展示科學(xué)史8（見圖2）：將細(xì)胞置于液氮中進(jìn)行冰凍，用冷刀切開，升溫后在真空中迅速升華，磷脂雙分子層的疏水端裂開，用電子顯微鏡觀察斷裂面上的蛋白質(zhì)的分布（如圖5）。

學(xué)生獲得新知：蛋白質(zhì)可以鑲、嵌、貫穿磷脂雙分子層。教師引導(dǎo)學(xué)生修正蛋白質(zhì)分布的模型。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生運(yùn)用“提出假說”和“模型與建模”的科學(xué)研究方法探究蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜上的分布，建構(gòu)細(xì)胞膜的物理模型，培養(yǎng)學(xué)生分析與推理的能力及科學(xué)探究能力。在驗(yàn)證假說環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生比較自己建構(gòu)的物理模型和羅伯特森在電子顯微鏡下觀察到的細(xì)胞膜“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu)的區(qū)別。通過補(bǔ)充冰凍蝕刻技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)研究的成果，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和證據(jù)意識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)技術(shù)的革新對(duì)科學(xué)研究有極大的推動(dòng)作用。

3.探究細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

羅伯特森把細(xì)胞膜描述為靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，教師引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)此觀點(diǎn)提出疑問。學(xué)生根據(jù)變形蟲運(yùn)動(dòng)及細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂等實(shí)例提出假說：細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

教師展示人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)（見圖2中的科學(xué)史9），提出問題：該實(shí)驗(yàn)可以得出什么結(jié)論？

學(xué)生分析后得出結(jié)論：細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子大多是可以運(yùn)動(dòng)的，細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

設(shè)計(jì)意圖：借助視頻、圖片、科學(xué)史等生物學(xué)事實(shí)，讓學(xué)生認(rèn)同細(xì)胞膜是可以流動(dòng)的，為流動(dòng)鑲嵌模型的建構(gòu)做好鋪墊。

（五）精讀教材，自主學(xué)習(xí)流動(dòng)鑲嵌模型

教師展示科學(xué)史10（見圖2）：1972年，桑格和尼克森總結(jié)了有關(guān)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的成就，提出了流動(dòng)鑲嵌模型。然后讓學(xué)生閱讀課本第44頁和45頁，并回答下列問題：細(xì)胞膜的基本支架是什么？細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)如何分布？細(xì)胞膜上的糖類如何分布？其功能是什么？細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？

學(xué)生回答問題，掌握流動(dòng)鑲嵌模型內(nèi)容。教師引導(dǎo)學(xué)生用糖鏈完善小組的模型，再匯集全班的模型，拼成一個(gè)更大的模型（如圖6）。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)問題串，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，獲取知識(shí)；引導(dǎo)學(xué)生用糖鏈完善模型，讓學(xué)生經(jīng)歷“建立模型—修正模型—完善模型”的過程，感悟科學(xué)是不斷完善的過程。更大模型的建構(gòu)讓學(xué)生對(duì)細(xì)胞膜的分子組成和空間結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生掌握必備知識(shí)。

（六）課堂總結(jié)，啟迪學(xué)生

教師播放視頻，回顧細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的科學(xué)史，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷發(fā)展的過程。教師：科學(xué)家對(duì)真理不懈追求的科學(xué)態(tài)度和大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神令人敬佩。到目前為止，細(xì)胞膜研究領(lǐng)域已獲得4項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，為人類健康生活做出了重大貢獻(xiàn)。細(xì)胞膜的研究仍在繼續(xù)，老師期待有同學(xué)能繼續(xù)投身于科學(xué)研究，傳承和發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神，為人類謀福祉。

設(shè)計(jì)意圖：通過視頻回顧細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)研究的科學(xué)史，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。通過介紹細(xì)胞膜研究成果與人類健康的關(guān)系，讓學(xué)生感受科學(xué)發(fā)展的意義，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)使命感和社會(huì)責(zé)任感。

四、教學(xué)反思

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生重溫了科學(xué)家對(duì)細(xì)胞膜的探究歷程，深入理解了學(xué)科知識(shí)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)符合新課標(biāo)倡導(dǎo)的發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)理念。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版［M］.北京：人民教育出社，2018.

［2］? 劉恩山.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［3］? 李小玲.“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)生物學(xué)，2022（1）：35-38.