基于情境创设策略的“生物膜的流动镶嵌模型”教学设计*

汪兴泽（泰兴市教师发展中心 江苏泰兴 225400）

生物学学科核心素养是学生在生物学课程学习过程中逐步发展来的，在解决真实情境中的实际问题时所表现的价值观念、必备品格与关键能力，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现［1］。在“生物膜的流动镶嵌模型”教学设计中基于情境创设策略，通过做实验、观看视频等真实情境，促进学生在学习过程中提升生物学学科核心素养。

1 教学分析

本节课为人教版高中《生物》必修1 第4 章第2 节的内容，主要介绍科学家建立生物膜模型的过程。学生已学习了细胞的基本结构及水分的跨膜运输，对细胞膜有初步了解，是学习此内容的基础。本节内容的学习，又为下一节“物质的跨膜运输方式”的学习奠定基础。因此，本节课具有承上启下的重要意义。本节教学设计力图激发学生的好奇心，引导学生基于事实和证据进行归纳与概括、演绎与推理、模型与建模，让学生体验对问题解释的过程，提升学生的生物学学科核心素养。

2 教学目标

1）观看卵黄膜具弹性的视频，动手做“油水不相容”的实验，在真实的情境中培养学生的观察、分析能力。

2）对欧文顿等科学家设计的经典实验进行再探究，训练基于事实和证据进行归纳与概括、演绎与推理等能力。

3）学习生物膜流动镶嵌模型构建的科学史，体验流动镶嵌模型建立的过程和方法。

4）尝试构建生物膜的流动镶嵌模型，理解该模型的基本内容，认同科学的本质是科学探究。

3 教学方法

我国古代思想家荀子曾言“闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之。”埃德加·戴尔的“学习金字塔理论”指出：“我听过的我会忘记，我看过的我会记得，我做过的才会理解”；杜威指出：真的科学之所以重要，不在它的结果，而在它的方法——就是重要在这些积聚的知识是怎样来的［2］。布鲁纳主张学生在学习过程中要像科学家一样做科学。

亲身实践能激起学生的感性认知，获得生动的表象，促进学生相对全面而深刻地理解。唯有创设真实的情境，才能让学生感同身受。因此，笔者设计让学生动手做实验、观看视频，为学生观察提供真实的学习情境，激发学生的兴趣；提供欧文顿等科学家的研究资料，通过自主合作探究式学习，让学生沿着科学家探究的足迹，思考设计好的问题串（难度层层递进），体验对问题解释的过程，从而深入理解流动镶嵌模型的基本内容。此外，适当结合讲授法、谈话法等教学方法，解答学生所遇困惑；参照PISA 考试理念精选试题，适当练习，巩固学生所学。

4 教学过程

4.1 导入新课 播放视频：打碎鸡蛋，可见完整的卵黄（图1-a）；用筷子轻轻戳一戳卵黄，可感知其具有一定的弹性（图1-b）；稍用力，可见卵黄流出（图1-c）。未受精的鸡蛋，其卵黄可看作一个巨大的卵细胞，卵黄膜就是它的细胞膜。从学生熟悉的生活经验导入，能迅速激发学生的学习兴趣。

图1 搅动卵黄视频的截图

4.2 探究磷脂双分子层在水溶液中的排列方式 设计一个小实验：学生2 人一组，每组有1 瓶水油混合物，用力摇动后静止片刻。让学生观察“水和油不能相溶”的现象。滴加适量的苏丹III 染液后再用力摇动，静止片刻。可让学生亲身体验“相似才能相溶”，为理解欧文顿的推测奠定基础。

用PPT 展示科学家对生物膜结构探究历程的相关资料。通过资料分析，让学生沿着科学家探究的足迹，体验对问题解释的过程。首先，欧文顿曾用500 多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验，结果表明脂溶性物质优先通过细胞膜进入细胞。据此，他猜测细胞膜是由脂质组成的。20世纪初，科学家第1 次从哺乳动物的红细胞中分离出膜，化学分析表明其主要成分是脂质和蛋白质。

组成细胞膜的成分是如何构建细胞膜的？ 用PPT展示：初识生物膜中最普遍存在的卵磷脂。以卵磷脂为代表的磷脂分子具有“两亲性”，头部一端亲水，尾部一端疏水。生活中，人们也会用到某些具有“两亲性”的物质。例如，双手沾满了油脂，用自来水无法冲洗干净，怎么办？根据生活经验，学生会回答“用肥皂、洗手液等”。肥皂、洗手液的有效成分主要是一些“两亲性”物质。洗手时，亲脂基团结合油脂，在流水下被亲水基团带走，手就洗干净了。

如果将磷脂置于空气-水界面，磷脂分子将会如何排列？ 将其压入水溶液中时，又将会如何排列？ 提出这些问题，激发学生想象，启发学生积极思考。2 位荷兰科学家戈特（Groter）和格伦德尔（Grendel）用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在水面上铺展成单分子层（用PPT 展示磷脂在空气－水界面的排列示意图），最终测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2 倍。于是他们得出：细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的2 层。

水溶液中2 层磷脂是如何排列的？ 学生观看教师自拍的小视频：塑料薄膜漂浮在水面上，用玻璃棒从中间压入水中，在水中轻轻一卷。据此画面猜测水溶液中2 层磷脂的排列方式，并要求学生在草稿纸上画出自己所猜测的。从生活经验出发，培养学生的演绎推理能力。教师提供资料：电子显微镜下观察到的纯磷脂在水溶液内形成脂质体图片（图2）。图片显示的脂质体直径大小在25 nm～1 mm,封闭的双层结构中磷脂分子疏水基团两两相对在内，亲水基团分别朝向两侧排列［3-4］。展示具有代表性的学生所画示意图，重视评价的诊断作用、鼓励作用和促进作用。

图2 纯磷脂在水溶液内形成脂质体的电镜照片［4］

4.3 流动镶嵌模型的建立过程 了解了细胞膜上磷脂分子的排列方式，蛋白质分子在细胞膜中又是如何分布的？ 提供资料：1959年，罗伯特森在电镜下观察到细胞膜清晰的暗-亮-暗的3 层结构照片。电镜下观察到的中间亮层是脂质分子，两侧暗层是蛋白质分子。因此，他提出蛋白质-脂质-蛋白质的“三明治”型静态生物膜模型（注意：这里的生物膜包括细胞膜、细胞器膜和核膜）。

罗伯特森的观点是否完美？ 培养学生基于质疑、探究的批判性思维能力。展示人鼠细胞融合实验示意图：1970年，科学家用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，通过技术手段促进二者融合。实验表明细胞膜具有流动性。用多媒体展示变形虫摄取食物的片段，可直接观察到变形虫的细胞膜具有流动性。

可见，“静态生物膜模型”并不完美。用多媒体展示：利用电镜加上冰冻蚀刻技术观察到的细胞膜冰冻蚀刻模式图。学生可观察到细胞膜内、外的蛋白质颗粒分布不均匀、不对称，也并不是全部铺在脂质表面，而是部分呈镶嵌分布。在新的实验和观察的基础上，桑格和尼克森提出了为大多数人所接受的生物膜流动镶嵌模型。其基本内容是：磷脂双分子层构成生物膜的基本支架，具有流动性。蛋白质分子或镶在磷脂双分子层的表面，或部分或全部嵌入磷脂双分子层，或贯穿于整个磷脂双分子层。蛋白质分子大多数也是可运动的。

回顾科学家建立生物膜模型的过程，促动学生感悟科学的本质。一个理论从提出到完善，往往需要几代人、许多科学家的共同努力；科学技术的发展促进了科学理论的进步，科学理论不是简单地否定与肯定，而是基于事实、证据，在质疑中不断发展，在继承中不断前进。流动镶嵌模型只是一个与已有证据较为吻合的理想化模型，人们对生物膜的认知仍在不断向前发展。此时教师简单介绍糖被。糖被位于细胞膜外表，具有保护、识别、润滑的作用。

4.4 作业

1）当堂训练，完成教材第69 页的基础题。

2）下图（图3）示意由磷脂分子构成的脂质体，它可作为运载体，将外源DNA 等导入动物细胞。请思考：①脂质体能与动物细胞膜融合的结构基础是什么？②为什么外源DNA 能被包在双分子层的水溶液中？ 如果用脂质体作为脂溶性药物的运载体，脂溶性药物将被包在脂质体的何处？

图3 包含外源DNA 的脂质体示意图

3）参照教材第69 页的课外制作资料，各小组分工尝试构建“流动镶嵌模型”。让学生真正“从做中学”，培养其合作交流能力。下节课比一比哪个小组做得好，通过评价促发展。

5 板书设计

以概念图的形式设计板书（图4），促进学生将所学知识结构化［5］。

图4 生物膜的组成等相关概念图

6 教学反思

从敲碎鸡蛋感知细胞膜存在的视频导入新课，用洗手液能洗净双手的解释理解双亲分子，用塑料薄膜压入水中的存在状态猜测磷脂在水中的排列方式，是关注学生已有的生活经验，充分调动学生的学习兴趣。设计“水油不相溶、相似才相溶”等低成本、低消耗的实验，创设真实的情境，能增强学生对自然现象的好奇心和求知欲，培养学生的观察能力，促进学生掌握科学探究的基本方法。

维萨里批评那些只研究盖伦著作的教授，因为他们给学生讲授的内容自己并没有亲自观察过。维萨里甚至告诉自己的学生，在杀猪店里学到的东西也比从自以为了不起的教授那里学到的多［6］。实验教学和探究活动所创设的真实情境，对学生实验技能的训练、科学思维的培养，科学探究能力的提升等具有不可替代的作用。但调查发现重讲授轻实验、轻探究的现象在中学生物学教学中普遍存在，分析其原因主要有：实验教学和探究活动准备耗力、过程耗时，造成很多要求动手的实验课被简略成说实验，应组织学生进行科学探究的学习活动被简略成读、背概念。如何改变不够重视实验教学和探究活动的状况，切实提高学生的生物学学科核心素养，仍是任重而道远。