基于HPS理念培育科学思维核心素养的教学设计——以“生物膜的流动镶嵌模型”为例

魏凤国 谢 妤

（1 辽宁省实验中学东戴河分校 辽宁葫芦岛 125208 2 重庆市涪陵实验中学校 重庆 408000）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出，应当以生物学学科核心素养为宗旨，在教学中围绕学科大概念的形成， 注重对学生的思维引导与能力培养。 生物学作为一门科学学科，对学生假说-演绎、模型构建与批判创造等多种思维的培养发挥着独特的课程价值， 而这也正是生物学学科核心素养中所需要培育的科学思维核心素养［1］。近年来，国际科学教育界中热门的HPS［科学史（history of science）、 科 学 哲 学 （philosophy of science）与科 学社会 学（sociology of science）的统称］的教育理念则与科学思维的培育不谋而合，强调以科学理论由来、探究与应用等方面的教学，加深学生对科学知识理解的深度与广度， 从而改善学生的科学思维及其科学素养［2］。

基于以上对HPS 教育理念与科学思维核心素养培育的整体认知，本文选择“生物膜的流动镶嵌模型”一节内容进行实践教学。 通过生物膜结构研究科学史，培养学生的演绎与推理思维；以“结构与功能相适应”的科学哲学观，通过与学生的共同探讨论证，培养其批判与建模思维；以生物膜结构在现实生活中的应用，让学生体会科学探索中充满的创造思维； 由学生自主构建流动镶嵌模型的过程，提升其归纳与概括思维，从而最终培养学生的科学思维及科学探究的精神。 教学过程如图1 所示。

1 直观情境引入，培养推理思维

教学过程： 教师播放猎豹捕食斑马的视频短片，将学生引入宏观世界惊心动魄的捕食场面，并提出：在微观世界中是否也存在捕食现象？再继续播放变形虫捕食2 只草履虫的视频，提出：变形虫和草履虫都是单细胞动物， 变形虫依靠细胞膜的什么特性完成捕食行为？

设计意图：创设情境，用直观展示的动态小视频吸引学生的兴趣，使其在观看视频的同时，积极思考问题。通过观看视频，学生可较直观地观察到变形虫在吞食2 只草履虫过程中的形状改变，进而推断其依靠细胞膜的流动性完成捕食行为。 通过该实例培养学生的逻辑推理思维， 同时引出本节课的主题——生物膜的流动镶嵌模型。

2 科学进程与现实应用交互

2.1 欧文顿实验——培养推理思维

教学过程： 教师利用课件展示资料1：“欧文顿用500 多种化学物质进行上万次的实验， 发现细胞膜对不同物质的通透性不同： 凡是可溶于脂质的物质， 比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞”。 结合化学中的相似相溶原理，请学生猜测：细胞膜由什么组成？ 教师追问：大家知道，组成细胞膜的脂质中磷脂含量最丰富，磷脂是如何构建细胞膜的？ 教师展示资料2：①磷脂分子结构示意图；②哺乳动物成熟的红细胞内、外均是水环境。教师提出：若用磷脂分子构建红细胞的细胞膜，该如何构建？

设计意图： 学生根据有机化学的相关知识进行推理，很快就能回答出膜是由脂质组成的。生物膜是由磷脂分子组成的概念回顾， 则为接下来教师的追问搭梯子， 在加深学生对磷脂双分子层组建生物膜理解的同时，培养学生获取信息、利用信息进行推理演绎的思维能力。 学生了解了细胞的水环境，在“结构与功能相适应”的科学哲学观点中，自主进行模型构建。 该过程中，不论初步构建的模型正确与否，均培养了学生的推理能力，指向了科学思维核心素养的有效培育。

2.2 荷兰科学家实验——延展创造思维

教学过程： 教师通过展示资料3：“1925年，2位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气-水的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”，证明学生的假设。之后教师提出：如果用磷脂双分子层同时包裹水溶性药物和脂溶性药物， 则这2 种药物分布在磷脂双分子层的什么位置？ 学生在黑板和草纸上作简图进行展示。 简图如图2 所示：

紧接着教师追问1： 某药物若能用磷脂单分子层包裹，则该药物是水溶性的还是脂溶性的？如果利用图2 所示的图形， 你截取一部分经过适当的处理即可获得答案，你会截取哪个部分？学生观看图2 中的药物分布情况不难得出： 截取图2 中药物与磷脂双分子层的一小部分， 两端封合则可得出图形， 并在黑板上进行展示如图3、 图4 所示。 教师追问2：如果按图4 所示，磷脂分子外面是什么环境该结构才能稳定存在？ 学生思考讨论后认为磷脂分子外面的环境是油脂类， 该结构才能稳定存在。 在水环境下，该结构不会稳定存在，图4 所示结构进入人体血液中会迅速被打乱。 最终得出结论：如果用单层磷脂分子能包裹某药物，则该药物是脂溶性的。

设计意图： 利用科学家的实验过程及结果证实学生提出的“磷脂双分子层”的假设，让学生体验科学探究中逻辑推理成功的快感， 也更让其了解科学假设必须要有实验进行验证方能证实。 通过问题串，将学生科学创造的应用进行迁移，引发学生的认知冲突，促进学生对“用磷脂单分子层包裹某药物，则该药物是脂溶性的”这一问题的理解。而正是磷脂小球的科学社会学应用， 才让当今医学中的靶向给药与人体运输得以实现， 从而在潜移默化中延展了学生的创造性思维。

2.3 提取与分析实验——孕育建模思维

教学过程：教师展示资料4：“20 世纪初，科学家第1 次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来。化学分析表明， 膜的主要成分是脂质和蛋白质”。教师提问：脂质和蛋白质是如何构建细胞膜的？学生积极思考， 但此时学生并不知道脂质和蛋白质是如何构建细胞膜的。 此时，教师展示资料5：“人们发现细胞膜的表面张力比油-水界面的表面张力低得多， 已知脂滴表面若吸附有蛋白成分则表面张力降低”［3］。 教师提出：根据资料5，你能猜测脂质和蛋白质应该是怎样构建成细胞膜的吗？

设计意图：以资料4 的展示引起学生的思考，激发学生的求知欲。 让学生首先明白模型构建初步的物质基础，并为教师展示资料5 作铺垫。学生能依据资料5 作出假设： 蛋白质均匀分布在脂质两侧。这样就在无形之中构建了“三明治结构模型的大致结构模式，并培育了学生的模型构建思维。

2.4 罗伯特森实验——初涉批判思维

教学过程： 教师展示资料6：“电子显微镜是用高能电子束作为光源的， 高能电子穿过样品最后成像。电子容易穿过脂质分子，不容易穿过蛋白质分子”［3］。 1951年，罗伯特森在电子显微镜下观察到细胞膜清晰的暗-亮-暗的3 层结构。 教师提出：细胞膜的暗层是什么分子？ 亮层是什么分子？学生根据资料，可作出判断，细胞膜的暗层是蛋白质分子，亮层是脂质分子。罗伯特森用电镜观察的结果恰好证明了学生的假设。教师追问：这种三明治结构模型能解释短片中变形虫的捕食行为吗？还不能解释细胞的哪些生命现象？ 引入变形虫的变形运动、细胞的生长、细胞的分裂、细胞的分泌活动、质壁分离与复原现象等。

设计意图：资料6 的展示同样让学生体验自己的逻辑推理被科学家的实验证明的成就感与满足感。而紧接着教师进行追问，学生通过思考和讨论， 了解到三明治结构模型不能解释生物膜依赖流动性行使功能的现象， 引起三明治结构模型与细胞功能行使的矛盾， 引导学生认同矛盾驱动着科学家继续设计实验探索生物膜结构模型的真相，从而逐步形成“结构与功能相适应”的科学哲学观点，同时培养批判性思维与质疑精神，落实科学思维核心素养的培养。

2.5 人鼠细胞融合实验——深化推理思维

教学过程：教师展示资料7：“1970年，科学家做了人鼠细胞融合实验”。 教师提出：该实验现象说明了什么？ 学生很容易回答： 细胞膜具有流动性。 教师追问：如果适当提高温度，细胞膜表面红绿荧光均匀分布所需要的时间会怎样变化？

设计意图：根据分子热运动理论，所需要的时间应缩短。 引导学生利用初中所学的分子热运动理论思考问题，培养学生思维迁移的能力，并深化其推理思维。

3 描述流动镶嵌模型，提升归纳概括思维

教学过程： 根据以上的实验证据，1972年桑格和尼克森提出了生物膜的流动镶嵌模型。 教师引导学生先看图再阅读生物膜流动镶嵌模型的基本内容。 教师提出：图片中还有糖链，可与蛋白质结合形成糖蛋白，糖蛋白具有什么作用？学生通过阅读教材相关内容，回答糖蛋白具有保护、润滑和识别的作用。 追问1：如何判断细胞膜的内侧和外侧？ 学生根据糖蛋白具有细胞识别的作用和对细胞进行保护的作用， 可判断出有糖链的部分为细胞膜的外侧。 追问2：糖链还可与磷脂分子结合，形成糖脂，糖脂具有什么作用？胆固醇具有什么作用？ 让学生利用课后时间查阅资料。 最后让学生回答3 个问题为该部分内容进行总结和归纳：①生物膜是由什么组成的？ ②这些分子是如何相互作用的？ ③这些分子有何特点？

设计意图：培养学生观察现象，结合“结构与功能相适应”的观点进行推理的能力。学生按照教师的要求，利用课后时间，借助网络和文献等进行查阅，培养了查阅资料、探寻知识的习惯。 而对生物膜的流动镶嵌模型进行总结和归纳， 让学生在之前知识理解的基础上归纳与概括“生物膜是由磷脂双分子层和蛋白质组成的， 蛋白质分子与磷脂双分子层非对称性结合，磷脂分子是流动的，蛋白质分子大多也是流动的”。通过该过程提升学生的归纳与概括思维，实现记忆的升华，做到对整体模型的把握与理解。

4 教学反思

以HPS 理念进行的教学设计，是在以科学史进程为主要教学线索的基础上，用科学哲学观点进行逻辑推理与思维深化，以科学社会学应用进行创造性延展，有助于培养学生的生物学核心素养。 然而，科学思维核心素养的培养需要教师对教材中内容精雕细琢，解构与重构相关背景资料，甚至利用网络、大学教材等抽提出有用的、相关的信息经过加工，转变成相关的背景资料，以供学生获取信息资源。 通过设置相应的问题串，引导学生以科学家的角色提出合理的假设，并用科学家的实验结果验证学生的假设， 最终让学生体验逻辑推理的成就感，培养科学思维和坚持不懈、勤于思考的科学精神。