基于问题探究和模型构建模式的教学设计

马宁　彭莹

摘 要 以建构主义理论为指导，通过“创设科学史情境、构建问题探究环境、手工模型构建展示，小组讨论归纳”等环节，引导学生自主探索知识，培养学生发现问题、参与探究、反思质疑、动手构建模型的能力。从生命活动的结构基础——细胞水平了解生物体，建立起“結构与功能相适应”的生物学基本观点，并初步学会运用这一观点进行科学推理。

关键词 细胞膜 流动镶嵌模型 结构和功能

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 教材分析及设计思路

“细胞膜的结构和功能”是苏教版高中生物《必修1·分子与细胞》第三章“细胞的结构和功能”的第二节内容，包括细胞膜的成分、结构和功能三部分。教材之前介绍了构成生物体的化学元素和化合物以及细胞学说的构建过程，为本节学习奠定了理论基础，但未涉及细胞膜成分及结构探究的科学史内容，需要在本节课中补充。通过本节课的学习，要求学生从生命活动的结构基础——细胞水平了解生物体，为之后学习细胞代谢等内容奠定基础。

本节课围绕问题探究和模型构建两点思路，重点利用问题串的设计，启发学生探究细胞膜成分和结构模型，并通过模型制作，加强对细胞膜平面和空间结构的构建。具体教学思路见图1。

2 教学目标

2.1 知识与技能目标

简述细胞膜的流动镶嵌模型的基本内容；举例说明细胞膜具有的流动性的特点；通过分析科学家建立生物膜模型的过程，阐述科学发展的一般规律。

2.2 过程与方法目标

分析科学家建立细胞膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆作出假设；利用教学模具，发挥空间想象能力，构建细胞膜的平面和空间立体结构。

2.3 情感、态度和价值观目标

树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点；培养严谨的推理和大胆想象能力；认识到技术的发展在科学研究中的作用，尊重科学且用发展的观点看待科学、树立辨证的科学观。

3 教学重点、难点

教学重点：（1）细胞膜的流动镶嵌模型结构及结构特点；（2） 细胞膜的三大功能及功能特点。

教学难点：探究细胞膜结构和功能的科学史实验分析。

4 教学过程

4.1 导入新课：类比校园结构和真核细胞结构，寻找系统边界

教师创设情景，抛出问题：“如果把细胞比作我们的校园，校园的围墙、行政楼、教学楼、食堂、公寓楼、学生活动中心分别能代表细胞的哪个结构？”学生激烈讨论，教师通过挂图帮助学生回顾上节课真核细胞模式图，并说明围墙充当了校园的边界、细胞膜充当了细胞的边界。

设计意图：采用类比法，将微观抽象的细胞结构转化为熟悉的校园结构，能有效调动学生学习的积极性，同时构建情景顺利导入新课。

4.2 新课环节1：教师设计问题串，引导学生分析经典实验，为构建模型打好基础

在教学中采用互动式教学模式，以细胞膜的成分和结构发现史为主线，教师提供资料并设置问题，通过严密的逻辑推理，层层深入，帮助学生探究问题，引导学生严谨思考实验设计，自主分析实验，尝试归纳实验结论。

教学过程：教师依次给出以下资料，并设计如下问题：

资料1：1895年，欧文顿用植物细胞研究细胞膜的通透性。他选用500多种化学物质对植物细胞的透性进行上万次的研究，发现凡是溶于脂肪的物质，也很容易穿过膜；反之，不容易溶于脂肪的物质，也不容易穿过膜。

资料2：1897年，Crijns和Hedin用红细胞做实验，同样也证明分子的通透性与其在脂类中的溶解度有关。

资料3：科学家对细胞膜化学成分深层分析发现，细胞膜会被蛋白酶分解（提示：蛋白酶是生物体内普遍存在的对蛋白质分解起催化作用的物质）。

资料4：1917年，朗姆瓦将磷脂溶于苯和水中，磷脂分子分布散乱，当苯挥发完以后，经过推挤，磷脂分子排列成单层，而且其磷酸基团的极性头部都浸入水中。

资料5：1925年，高梦和格伦德把红细胞放在蒸馏水中使其吸水涨破，反复冲洗后只留细胞膜（血影），把这些破碎的膜铺在水面上，测定出红细胞的表面积为a。再将细胞膜中的脂类物质抽提出来，在水面铺成单分子层，聚拢后测得总面积为b。两者之间的数量关系为：b=2a。

资料6：20世纪40年代，曾有学者推测在细胞膜脂质两边各覆盖一层蛋白质。直到50年代，电子显微镜诞生，1959年罗伯特森在电镜下观察到了细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构。亮层是脂质分子，两边的暗层是蛋白质分子。

资料7：随着技术手段不断用于膜的研究。科学家发现：膜蛋白不是全铺在脂质的表面，有的是镶嵌或贯穿在脂质双分子层中的。

资料8：1970年，有两位科学家用红色荧光染料标记人细胞膜上的蛋白质，用蓝色荧光染料标记鼠细胞膜上的蛋白质。把人的细胞和鼠的细胞融合，融合后一半细胞（人的细胞）发红色荧光，另一半细胞（鼠的细胞）发绿色荧光。细胞在37℃下培养40 min后，两种颜色均匀分布在融合细胞的表面。

问题：（1） 资料1中，物质是否容易穿过细胞膜与什么有关？这体现了化学学科中的什么原理？

（2） 结合材料1、2，你推测细胞膜的成分包含哪种成分？

（3） 资料3说明细胞膜上存在哪种成分？

（4） 资料4说明磷脂分子具有什么特性？

（5） 资料5说明磷脂分子在构成细胞膜时，呈几层排列？如何排列？

（6） 资料6和7说明蛋白质在细胞膜上的分布方式有几种？

（7） 请结合以上问题的答案，参阅教材内容，绘制细胞膜的平面结构示意图。

（8） 分析资料8，想一想两种颜色均匀分布的原因是什么？这一实验证明细胞膜具有什么结构特性？

通过层层深入的问题，教师引导学生分析细胞膜成分和功能的科学史实验，并通过小组合作探究，学生不仅能掌握细胞膜的成分和流动镶嵌模型的基本要点，还能掌握知识的来龙去脉和研究问题的科学方法，对于思维发散和分析实验能力的提高有很好的帮助。

4.3 新课环节2：学生动手搭建模型，在动手操作中突破本节重难点知识

教师要求学生利用废弃纸箱、剪刀、彩笔及双面胶制作细胞膜的结构模型，同时指出每一部分的结构特点，以此增强学生的学习乐趣，强化学生的动手能力，帮助学生树立系统的生物学知识框架。

学生活动：用纸箱剪出磷脂分子的形状，并在圆形的头部写上“亲水基团”，在长长的尾部写上“疏水基团”；再用白色的卡纸剪出大大小小不规则形的蛋白质分子，在最大的蛋白质上寫上“贯穿”，在最小的蛋白质上写“排布”，在大小适中的蛋白质上写“嵌入”；最后剪出六边形的“单糖分子”，用细线穿起来，并缝在部分蛋白质上。通过双面胶的粘贴，学生在黑板上贴出细胞膜流动镶嵌模型，同时叙述模型特点。

4.4 新课环节3：利用举例类比法，教师引导学生归纳细胞膜的功能

教师提出问题：学校围墙都有什么功能？细胞膜相当于校园的围墙，那么细胞膜具有什么功能？这样来帮助学生类比分析校园围墙的功能，推出细胞膜的功能。围墙让校园与校外环境分割开，使得学校成为独立的单位，那么细胞膜就具有使细胞与外界环境分开并成为独立结构的功能。围墙能使学生、老师及与学校相关的人员出入，但不允许闲杂人等出入校园，这说明细胞膜具有控制物质进出细胞的功能，即选择透过性。围墙上有门卫接待室，可以和外来人员进行信息交流，故细胞膜上的糖蛋白结构具有识别和信息交流的功能。

教学意图：针对本部分内容，传统教学时，教师直接告诉学生细胞膜的3个功能，学生无法真正理解，且对于知识容易遗忘。本节课上，教师通过类比校园围墙的功能，在轻松的氛围中，帮助学生体会细胞膜的功能，达到理解记忆的目的。

4.5 课堂小结（图2）

5 教学反思

这一节课并没有直接给结论，而是重视学生的学习过程。学生在教师的指导下，依据资料和图片，结合已经学过的知识，思考教师设置的问题，逐步达到学习新知识的目的。教学中，学生通过构建模型，发挥主体作用，在探究过程中不仅获得了新知，还获得了探索科学的方法，“像当年科学家发现科学事实和客观规律那样经历发现过程”，体验了过程的艰辛与快乐，感受到了成功的体验。

（1） 科学是一个发展的过程，在教学中，教师巧妙地将科学家探索细胞膜结构历程的有关资料进行组织，让学生从细胞膜的化学成分着手到细胞膜分子结构模型的建立。通过对史料一步步的分析、讨论和思考，学生既培养了能力，主动构建了自己的知识体系，同时又享受到一种成功的喜悦，打开了知识的“窗口”，使课堂充满时代气息。

（2） 探究式教学要充分体现学生的主体作用，任何一个教学目标的学习和掌握，不是教师硬性灌输给学生的，而是由学生亲身观察、分析、讨论和探索、总结得出的。在创设问题情境时，教师应充分发挥自己的主观能动性，力求设计的问题准确、精练；在讨论时，教师自己只是一个普通的参与者，不包办代替，但当学生遇到困难时，教师要充当点拨者的角色，对有关问题加以适当的说明；在形成结论时，教师更应放手让学生进行，必要时予以补充纠正，以达到正确结论。

（3） 在本节课的设计中，学生要进行模型构建过程，即细胞膜的流动镶嵌模型。这对于学生来说是有挑战性的，因此需要师生耐心分析经典实验，以事实为依据，大胆假设，小心求证，最终成功搭建细胞膜的结构模型。这样既达到了锻炼学生思维的目的，又让学生体会科学发展的过程就是不断建立、修正的过程，以及建立“结构与功能相适应”的生物学基本观点。