有效构建模型 发展科学思维

张芸

[摘 要]在设计《生物膜的流动镶嵌模型》的教学时，以“生物膜的成分→生物膜的结构→生物膜的结构特点”为主线，以科学史为素材，引导学生分析、推理，并以小组为单位开展模型构建活动。这样设计教学，可引导学生积极主动地参与探究过程，发展学生的科学思维。

[关键词]模型构建；科学思维；科学史；生物膜的流动镶嵌模型

[中图分类号] G633.91 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）32-0080-02

一、教材分析及设计思路

《生物膜的流动镶嵌模型》是人教版高中生物必修1第四章第三节的内容，主要包括科学家对生物膜结构的探索历程及生物膜的流动镶嵌模型两部分内容。流动镶嵌模型的基本内容是教学重点，而如何在探讨建立生物膜模型的过程中体现结构与功能相适应的观点是教学难点。在重难点的突破方面，教材虽然提供了丰富的科学史素材，但大多是描述性实验，如果直接呈现给学生，势必抽象、枯燥，难以激發学生的学习兴趣。因此，笔者在设计本课教学时以“生物膜的成分→结构→结构特点”为主线，以科学史为素材，引导学生分析、推理，并在此基础上让学生以小组为单位开展模型构建活动。这样处理，不仅能将抽象的知识具体化，加深学生对本节内容的理解与掌握，还能使学生积极主动地参与探究过程，有助于发展学生的科学思维。

二、教学目标

1. 知识目标：通过分析科学家建立生物膜模型的过程，阐述科学发现的一般规律；简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。

2.能力目标：通过分析科学家建立生物膜模型的过程，尝试做出假设；发挥空间想象力，通过制作模型，构建生物膜的立体结构。

3.情感目标：认同实验技术的进步在建立生物膜模型的过程中所起的作用；树立“结构与功能相适应”的生物学观点。

三、教学过程

（一）创设情境，导入新课

首先请语文课代表朗诵一首赞美细胞膜的小诗：“在广阔的原始海洋中，我聚天地之精华、日月之灵气，成为地球上最基本的生命系统。面对生命的诞生，我孤独、恐惧，感恩有你，为我隔开了原始海洋、为我日夜守边防、为我传信报安康。”然后引导学生复习前一节的内容——细胞膜的功能，而功能由结构决定，自然进入对生物膜结构的学习。

（二）分析资料，构建模型

利用PPT课件展示一系列科学史素材，引导学生讨论分析，并通过初步构建模型、修正并完善模型到最终确定生物膜的结构模型，有效突破教学难点。

1.对生物膜成分的探索

资料1： 1895年，欧文顿（E.Overton）用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验，发现溶于脂质的物质比不溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。（提示：相似相溶原理，即分子结构越相似的物质越是能够相互溶解）

思考与讨论：①分析欧文顿的实验结果，对于膜的组成成分，你能做出怎样的推测？（膜由脂质组成）②在分析、推理得出结论后，还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗？（需要实验验证）

资料2：20世纪初，科学家第一次将细胞膜从哺乳动物成熟的红细胞中分离出来。研究发现，细胞膜会被脂质的溶剂溶解，也会被蛋白酶水解。

思考与讨论：据此，对于细胞膜的成分，你又能做出怎样的推测？（细胞膜由脂质和蛋白质组成）

教师指出：随着科学技术的发展，科学家在后续的研究中发现细胞膜中除了含有脂质和蛋白质外，还有少量的糖类，在组成细胞膜的脂质中磷脂最丰富。这些磷脂、蛋白质和糖类是如何排布构成细胞膜的呢？

2. 对生物膜结构的探索

（1） 磷脂分子的排布

资料3：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸组成的分子，其“头”部（磷酸）是亲水的，“尾”部（脂肪酸）是疏水的。（PPT投影磷脂分子的结构图）

模型构建1：根据磷脂分子的结构特点，尝试构建磷脂分子在空气—水界面上的排布模型。（学生在了解磷脂分子的结构特点后，通过小组讨论，基本都能构建出正确的模型，如图1）

资料4：1925年，两位荷兰科学家戈特（E.Gorter）和格伦德尔（F.Grendel）用丙酮从人体的红细胞中提取脂质，在空气—水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。

思考与讨论：根据资料4，你能做出怎样的推测？（膜中的磷脂分子排列为两层）

模型构建2：结合细胞内外的环境特点以及磷脂分子的结构特点，尝试构建膜中两层磷脂分子分布的平面模型。（提示：细胞外如红细胞外是血浆，血浆中有水，细胞内即细胞质基质中也有水）

教师引导学生以小组为单位合作构建模型，展示结果并给予点评，师生共同构建磷脂分子在膜中的排布模型（如图2）。教师继续提问：“细胞膜中还有蛋白质，蛋白质如何排布呢？”

（2） 蛋白质分子的排布

资料5：1959年，罗伯特森在电镜下看到细胞膜清晰的“暗—亮—暗”三层结构，并提出生物膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构构成的静态、统一结构，即单位膜模型。

模型构建3：根据资料5，尝试排出膜上蛋白质的位置。（学生小组合作，很快排出细胞膜上蛋白质的分布，如图3）

资料6：电镜检测发现细胞膜中蛋白质层厚2.5～3.0 nm，磷脂分子层厚3.5～4.0 nm。

那么模拟细胞膜的厚度应为12～14 nm，而实际测得细胞膜的厚度通常为7～8 nm。实际细胞膜的厚度小于模型细胞膜的厚度。

思考与讨论：根据资料6，你能做出怎样的推测？（细胞膜中的蛋白质可能不是均匀分布在上下两层）

资料7：20世纪60年代，科学家利用冰冻蚀刻电镜技术观察到小鼠肝细胞膜上蛋白质的分布模型。（展示冰冻蚀刻电镜技术观察到的小鼠肝细胞膜图片，如图4）

思考与讨论：观察图片，你能得出什么结论？（细胞膜中的蛋白质镶在、嵌入或贯穿磷脂双分子层中，分布是不均匀的）

模型构建4：修正模型，重新排布蛋白质（如图5）。

教师继续提问：“细胞膜中除了主要含磷脂和蛋白质外，还有少量糖类，它又是如何排布的呢？”

（3） 糖类分子的排布

资料8：糖类可以与蛋白质结合形成糖蛋白，也叫糖被，分布在细胞膜的外侧，具有保护、润滑、识别的作用。有些糖类还可以与磷脂分子结合形成糖脂。

模型构建5：根据资料8，在细胞膜上排布糖类以完善模型（如图6）。

教师继续提问：“在同学们的通力合作下，三种物质在细胞膜上的排布已经很清楚，可是老师依然困惑，根据罗伯特森的单位膜模型可知生物膜是静态的，真是这样吗？那么变形虫的运动、动物细胞吸水膨胀和失水皱缩、植物细胞的质壁分离与复原等现象又如何解释呢？”

3.对生物膜结构特点的探索

资料9：1970年，科学家弗雷（L.D.Frye）和埃迪登（H.Edidin）分别用红色、绿色荧光来标记人、鼠细胞膜上的蛋白质，并进行人鼠细胞融合实验。（PPT展示教材中人、鼠细胞融合实验的示意图）

思考与讨论：分析该实验，你能得出什么结论？（小组讨论后得出细胞膜具有流动性）

教师指出：本实验最直接得出的结论应该是“膜细胞上的蛋白质是可以运动的”，进而说明生物膜具有流动性。那么磷脂分子也能动吗？

资料10：科学家在研究动物细胞吸水膨胀时，发现磷脂双分子层的厚度变小。

思考与讨论：据此，你能得出什么结论？（磷脂分子也可以运动）

教师PPT展示磷脂分子的几种运动方式图并指出：迄今为止，已提出的关于生物膜结构的模型已有几十种，目前普遍认可的是由桑格和尼克森提出的生物膜的流动镶嵌模型。

资料11：1972年，桑格和尼克森提出了生物膜的流动镶嵌模型。（PPT展示教材中生物膜的流动镶嵌模型的示意图）

教师提问：“该模型的基本内容是什么？生物膜的结构特点是什么？”通过这两个问题最终对本节知识进行系统化的总結。

四、 教学反思

“科学探究”和“科学思维”是高中生物核心素养的重要部分。在高中生物课堂教学中，开展模型构建等探究性活动是发展学生科学思维的有效方法。在本课中，笔者以科学史为素材，引导学生基于事实和证据进行分析、推理，并在此基础上小组合作进行模型构建活动，经历从初步建立模型、修正模型到最终确立模型等过程，在一定程度上发展了学生的科学思维和科学探究能力。

（责任编辑 黄春香）