“生物膜的流动镶嵌模型”基于科学史的教学设计

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ“生物膜的流动镶嵌模型”基于科学史的教学设计刘本举（濮阳市第一高级中学河南濮阳457000）摘要：利用生物膜研究的科学史资料，引导学生进行基于资料的课堂探究性学习，注重学生自主、合作、探究的学习方式，达成知识、能力、情感态度与价值观的三维目标。关键词：流动镶嵌模型科学史教学中图分类号：G633.91文献标识码：C1.教材与学情分析1.1教材分析“生物膜的流动镶嵌模型”一节是人教版《必修1—分子与细胞》第四章“细胞的物质输入和输出”的第二节，是前面第3章“细胞的基本结构”第1节“细胞膜—系统的边界”的一个延伸与拓展，并且和本章第1节“物质跨膜运输的实例”有密切联系，为第三节“物质跨膜运输的方式”的学习做了知识准备，这三节内容的联系主线是：功能（实例）——结构——功能（原理）。所以，本节在第四章中起着承上启下的作用。本节课的主要内容有：①科学家探索细胞膜化学成分与结构的科学史；②生物膜的流动镶嵌模型。前者是适合学生探究性学习的较好素材。把科学家探索细胞膜的有关实验整理并转化为适合学生课堂探究的小课题，让学生亲历探究过程，体验科学探究的魅力，同时加强了科学方法教育，并且初步学习科学实验的设计。在评价模型时培养了学生的批判性思维能力，并体验了科学结论的可修正性与发展性。经历了主体性探究活动后，对流动镶嵌模型的接受是水到渠成的，这样既避免了传统教学方法导致的死记硬背现象，又能使学生在思维与推理能力上得到发展。并且学生能够在大量的感知、表象、与再造想象的基础上借助自己的分析与探究实现对流动镶嵌模型的间接理解。1.2学情分析高中学生具备了一定的观察和认知能力，但是对问题探索的动力主要来自对相关问题的好奇与有趣水平，目的性不十分明确，所以教师的思维导向就显得十分重要。本节课利用科学史实验资料，设计学生要探究的问题，让学生在问题引导下进行基于资料和问题的课堂探究活动，问题的设计层层深入，按照学生的思维水平和能力达到一定深度，使学生顺利由感性认识向理性认识过度。2．设计思路与探究性学习的程序本节课蕴含有丰富的科学史教育素材。《普通高中生物课程标准》明确指出作者简介：刘本举，男，1971年12月出生，研究生毕业,理学硕士。中学高级教师。河南省基础教研室高中教研中心核心成员；河南省教育厅高中新课程专家指导组成员；濮阳市教育局生物学科兼职教研员；濮阳市教育学会生物教学专业委员会理事。濮阳市第一高级中学生物教研组长。近年发表教育教学论文40余篇，其中核心期刊发表25篇。联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]要注重生物科学史的学习，所以，本教学设计充分利用科学家的实验以及所提出的假说，有效引导学生对其进行分析与评价，在这个过程中转变学生的接受学习方式，让他们充分进行自主、合作、探究性学习，在问题引导下积极思维，在合作讨论中有效学习，在评价中感受探索的乐趣，在整个探究性学习中升华知识。制作多媒体课件，以便于展示相关资料和图片，提高课堂教学效率，使直观性增强，学生更易于接受。探究学习流程如下：3.教学过程3.1引出课题我们已经学习了生命系统的有关知识，同学们想一想：①最小的生命系统是什么？②最小生命系统的边界是什么？③细胞膜有哪些功能？④如果让你制作一个真核细胞模型，制作细胞膜的材料有：塑料袋、普通布和弹力布，根据结构与功能相适应的观点分析，用哪种材料做细胞膜，更适于体现细胞膜的特点？为什么？以上问题依次提出，把学生的思维引向思考细胞膜的结构特点如何。在学生回答的基础上继续提问：弹力布有弹性，那它能完全具备生物膜的特点吗？问题讨论：从结构与功能相适应的观点出发，制做细胞膜用什么材料更好？（塑料袋、普通布和弹力布）通过问题引入新课，激疑引趣。现象—推理分析—结论。实验结果—想象与推理分析—结论。利用已有知识进行分析推理—知识的升华。实验的推理与模型的评价，彰显批判性思维能力的培养。体验成功的乐趣，使兴趣升华，向乐趣和志趣转化。介绍1970年LarryFrye等人的经典实验创新思维能力的培养—高层次学习。总结流动镶嵌模型使学生建构的知识整体化、系统化。欧文顿物质通透性实验荷兰科学家Gorter和Grendel的红细胞膜实验讨论：细胞膜的双层磷脂分子怎样排列？“罗伯特森电镜实验”、单位膜模型，讨论、推理与评价尝试设计实验，验证细胞膜的流动性流动镶嵌模型的评价感悟科学结论的发展性、可修正性。ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ显然弹力布不具有生物膜的选择透过功能，那么生物膜含有哪些物质？究竟具有怎样的结构？科学家也是带着这些问题，对生物膜进行了100多年的探索。今天就让我们沿着科学家的足迹，体验整个探索历程。此时给学生明确学习目标：①学会如何分析实验，体验科学分析与推理；②初步学习实验设计；③学习如何客观评价科学学说，体验科学研究与发现的特征。3.2基于科学史资料的学生课堂探究活动下述资料全部用多媒体课件呈现。资料一：欧文顿（E.Overton）的物质通透性实验（1895年）用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现脂质更容易通过细胞膜。提出问题：①根据你所学习的有关知识，你能得出什么结论？②生物膜是由脂质组成的，这个结论的依据是对现象的推理分析还是对膜成分的提取和鉴定？③在推理分析得到结论之后还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗？④为什么一开始不对生物膜直接进行提取、分离和鉴定呢？学生按照学习小组进行交流、讨论，小组代表回答，其他小组进行补充、评价与修正，教师总结。在这个过程中，学生根据实验结果进行科学推理，得出结论。不仅如此，从科学方法入手，还使学生学习了科学假设的提出，并认同假设必须有实验支持，假设经过实验的进一步验证才能成为科学理论。最后告诉学生，后来的科学研究表明，细胞膜的确含有大量脂质，其中主要是磷脂分子。资料二：荷兰科学家Gorter和Grendel的红细胞膜实验（1925年）两位科学分离纯化了红细胞膜，从一定数量的红细胞膜中抽提脂类，在水面上进行展层，并比较展层后的脂单层面积和根据体积所推算红细胞的总面积，发现提取的脂分子铺展后所测面积同实际测量的红细胞的总表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。提出问题：假如让你帮助当时的科学家分析，大胆地展开你的想象力，你能提出什么假说？这个问题能有效训练科学推理能力和创新思维能力。可以让学生讨论2分钟，通过讨论与交流，可以想到细胞膜中可能是双层脂质分子，顺利提出假说。资料三：朗姆瓦（Langmuir）的磷脂分子实验（1917年，在Gorter和Grendel之前）将磷脂溶于苯和水中，当苯挥发完以后，磷脂分子分布散乱，经过推挤，磷脂分子排列成了单层，而且磷脂分子的一端都浸入水中，另一端浮于水面。为什么会出现这种实验现象呢？由于学生对磷脂分子一无所知，这个问题应该用讲授法进行教学。通过多媒体课件展示磷脂分子的结构图，讲解磷脂分子的结构与特性：一个磷脂分子由头ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ部和尾部组成，头部由一分子胆碱、一分子磷酸和一分子甘油组成，尾部由两个脂肪酸分子构成。头部由极性分子组成，所以是亲水的，尾部是非极性分子，所以是疏水的。所以磷脂分子在水的表面排布时，亲水端浸入水中，疏水端浮于水面（学生对分子的极性及相似相容原理不理解，教师可以举例略作解释）。该问题的解决主要是为学生探究细胞膜内磷脂分子的排布方式做好准备。学生了解磷脂分子的结构与特性后，教师可以提出新问题，引导学生继续探究。我们已经知道了细胞中有2层磷脂分子，也知道了磷脂分子的结构与特性，这两层磷脂分子在细胞膜中是怎样排布的呢？有多少种可能的排布方式？请在纸上画出你认为所有可能的排布方式。建议教师让三位学生到黑板上去画，其余学生在纸上画，以便于检查和评价学生的结果。一般情况下，学生可以画出下列四种可能的排布方式：提出问题：同学们，根据你们已有的知识推理，磷脂双分子层最可能是其中的哪种排布方式呢？说说你的理由。给学生留出充分的讨论探究的时间，然后小组代表回答，其余小组补充、评价、修正，最后教师总结并对学生的探究结果给予肯定。（根据学生的讨论或回答情况，可以适当提示：细胞膜的内、外两侧是怎样的环境？磷脂分子在两侧都是水溶液的环境中应该以怎样的状态存在呢？）在这个探究活动中，学生利用已有的知识进行科学推理与分析，细胞内外都是水溶液，磷脂分子头部亲水而尾部疏水，所以双层磷脂分子的头部朝向细胞膜的两侧，尾部均朝向膜中间，即尾对尾。这种理解属于深层次理解，达到了知其然更知其所以然。资料四：2O世纪初，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞膜不但会被溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶分解。提出问题：从该实验你能得出什么结论?学生对蛋白酶的专一性还不是很了解，可以通过下列问题提示：①初中生物课上我们学习了食物的消化，食物中的蛋白质是在哪里开始化学性消化的？为什么？②胃蛋白酶可以消化淀粉和脂肪吗？为什么？通过上述问题，学生会很顺利地推理出“细胞膜中含有蛋白质”这一结论。此时新问题顺势而出：我们已经知道了细胞膜中的磷脂双分子层的排布方式，蛋白质在细胞膜中是如何分布的？和磷脂双分子层位置关系如何？资料五：罗伯特森（J.D.Robertsen）的电镜实验（1959年）用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构。厚约7.5nm，由厚约3.5nm的较亮层，以及内外表面各为厚约2nm的较暗层构成。ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ提出问题：你认为该实验结果说明了什么问题？（可以提示学生，当时罗伯特森用锇酸处理了实验材料，蛋白质经锇酸作用后形成高电子密度的锇黑，在电镜下可见。）这个问题学生很容易能回答出来。然后告诉学生，罗伯特森于1959年提出了单位膜模型：连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。介绍单位膜模型后，告诉学生单位膜模型有其不足之处。1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）利用免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果证明，膜蛋白主要为球形结构。冰冻蚀刻电镜技术又证明，蛋白质分子不仅在膜的两侧，中间也有。这就推翻了罗伯特森认为的蛋白质只在膜的两侧的观点。提出问题：根据以前所学知识，你能找出单位膜模型还有什么不足之处吗？说一说你的理由。让学生利用已有的知识评价单位膜模型，有利于学生批判性思维能力的提高，并且能很好地让学生认同科学理论的可修正性，对于情感态度与价值观目标的达成起到很好的作用。但是这个问题有一定难度，教师可以提示学生：关于第二点不足，我们再看一看单位膜模型的基本内容，其中提到“蛋白质以单层肽链的厚度，通过静电作用与磷脂极性端相结合”，这样罗伯特森就把蛋白质和磷脂看作了静止的结构，同学们想一想，你们认为这个观点正确吗？能不能根据我们所学的知识找到反驳的证据？学生可以找到有关证据，如变形虫的运动，白细胞的吞噬作用等，此时，教师可以通过多媒体展示变形虫的运动和细胞融合实验，告诉学生两个物种的细胞可以在促融剂的作用下融合为一个，这就充分说明了细胞膜不是静止的。关于细胞融合实验，既让学生对细胞膜的流动性有了感性认识，又为后面引导学生进行实验设计埋下了伏笔。提出问题：20世纪60年代，就有人对单位膜的静态观点提出异议。后来，科学家的继续研究发现，细胞膜不是静止的，而是具有一定的流动性，如果让你们设计一种实验方法，去研究这个问题，你认为实验该如何进行？由于学生对实验设计比较陌生，所以采用问题引导式进行教学，让学生一步步走向成功，体验成功的乐趣。①膜的流动性，从微观上是如何体现的？②观察到什么现象才能说明细胞膜上的蛋白质分子是运动的？③不做任何处理的细胞，其膜蛋白分子的运动直接在显微镜下观察可以吗？④染色时要注意什么问题？染料应该有什么特点？⑤应该怎样对细胞进行染色？⑥细胞那么小？可能一半染一种颜色，另一半染其他颜色吗？怎样能得到两个半球不一样颜