简易流动镶嵌模型新学具的制作和使用*

徐 彤 （江苏省无锡市辅仁高级中学 江苏无锡 214123）

生物膜的流动镶嵌模型是高中生物学概念体系中“阐明质膜具有选择透过性”的重要组成部分。为了增强学生对质膜微观分子水平的认知，教师在教学中通常借助模型教具或学具辅助。以往使用的学具大都是用卡纸剪成的具一定形状的磷脂和蛋白质分子，在课堂中让学生自由拼接组合。这些学具的最大缺陷是无法体现仿真磷脂分子“相似相融”的特性，学生会因为不熟悉分子间联系的这种特点，而将磷脂双分子层拼得杂乱无序，给教师后续的教学带来不必要的麻烦。经过实践，笔者尝试了一种新的磷脂双分子层模型学具的设计。

1 材料

圆柱形小磁铁（直径6 mm、高6 mm 和直径6 mm、高3 mm 2 种，分别简称为“大磁铁”和“小磁铁”）、彩色硅胶管（4 mm×6 mm 内径4 mm 外径6 mm）、长尾夹（19 mm）、硬纸板、美工刀、双面胶、磁条、磁性白板。

2 制作步骤

2.1 磷脂分子模型的制作 取长尾夹（图1），沿背部并排塞入2 片6 mm×3 mm 规格的小磁铁（图2）。

图1 空长尾夹

图2 嵌磁铁的长尾夹

将硅胶管剪成8～9 cm 长，向两端管口各塞入一个6 mm×6 mm 规格的大磁铁（图3）。同一硅胶管两端的磁铁的磁极需要设置为同极，借助磁极的“同性相斥”保证制成磷脂分子模型的“双尾”不相互粘连（图4）。

图3 向管子两端塞入磁铁

图4 两端磁铁同极相斥

将塞有磁铁的硅胶管对折，夹入长尾夹。去除2 个金属夹臂后，就制成了“磷脂分子”模型。该分子的头尾形态结构与磷脂分子十分相似（图5）。为保证2 排磷脂分子彼此相连的时候能体现 “相似相融”，需要等比例制作2 种磷脂分子模型（可用硅胶管的不同颜色区分）。这2 种颜色分子尾端的磁极应是异型能相互吸附的，以便体现“疏水端间的相似相融”；向代表头部的长尾夹内放置小磁铁时，同样要注意将磁极设为异型，保证这2 种分子头部能相互吸附，以体现 “亲水端间的相似相融”（图6）。

图5 2 种分子模型比较

图6 模拟分子“相似相融”

2.2 蛋白质分子模型的制作 用美工刀将硬纸板裁划出适当大小的不同形状，用双面胶和磁条小段在一面进行黏附，保证能在磁性白板上顺利吸附和移动。

2.3 将制成的磷脂分子与蛋白质分子拼接组合成流动镶嵌模型

本模型的使用方法：由于磷脂分子模型和蛋白质分子模型都有“磁性”，所以，可借助磁性白板进行多种拼接。

拼接一对“磷脂分子”。由于磷脂分子代表亲水端的“头”和代表疏水端的“尾”都具有磁性，依据“相似相融”的原理尝试能顺利实现2 个分子的3 种连接（图7）。由于磁极极性设置为相同，一种磷脂分子模型的尾与另一种分子的头部是相互排斥的，不能体现“相似相融”，便于学生理解这种组合是不能用于构建生物膜的（图8）。

图7 模拟分子基团的相似相融

图8 模拟亲水端与疏水端的不融性

拼接“磷脂双分子层”。模型中不同磁极的存在使得学生自主拼接分子的体验性和准确性得到明显提升，学生自主拼出多种磷脂双分子层类型，例如，亲水端向内、疏水端向外（图9），疏水端向内、亲水端向外（图10、图11）等。

图9 模拟亲水端在内的双分子层

图10 模拟疏水端在内的双分子层（1）

图11 模拟疏水端在内的双分子层（2）

拼接“流动镶嵌模型”。借助磁性白板将正确拼接的磷脂双分子层固定后，将之前准备好的蛋白质分子模型按照自主设想的方式进行“覆盖”或“镶嵌”（图12、图13）处理，并在展示交流中互相比较和修正。

图12 生物模流动镶嵌模型（1）

图13 生物膜流动镶嵌模型（2）

拼接“成型的细胞轮廓”。使用20～30 个磷脂分子对（或由4～5 组学生进行合作），以及一块稍大的磁性白板。先在白板上画出细胞轮廓，再沿着轮廓连接上磷脂双分子层，嵌入相应蛋白质即可。

3 学具的优点

心理学研究表明，人的思维认识规律是“具体一形象一抽象”。学具就是一种在课堂中获得所学习概念、事物具体直观信息的工具。通过使用学具进行研究和学习，实现了认知活动中学生多种感官的参与，不仅能满足学生的好奇心和探究欲望，还能让学生从获得的体验中产生思考，加深对事物的理解，有助于提炼形成正确的概念。教学中所需要的很多观察信息皆来自于此。本学具设计、制作和使用中具有以下几个优点：

1）学具仿真度高，具有科学性。本学具中的磷脂分子模型不仅有着与真实分子结构相似的“头部”“（双）尾部”，还能体现磷脂分子“相似相融”结合的特征。在学生自主尝试拼接磷脂双分子层时，只可能出现“相融、相斥”的2 种情形。然而受到圆磁铁只有2 个磁极的限制，无法做到“任意2 个”磷脂分子模型拼接时都能如此。于是笔者特意安排将每套学具中一半的“磷脂分子”硅胶管设置为一种颜色（基本色），另一半则使用其他多种颜色（非基本色），这样就能实现将一个“基本色分子”与另一个“非基本色”磷脂分子进行“任意拼接”了。

2）学具耗材简单，便宜易得。学具制作的材料和成本直接影响教师使用学具辅助教学的积极性，因此，制作学具所用的材料应能从身边的环境中轻易得到，而且价格不贵，例如，一副扑克牌能让学生很好地体验“染色体组”“同源染色体”和“非同源染色体”。本学具主要材料有长尾夹、硅胶管、小圆柱形磁铁、磁性白板，都可从网络购得，每套学具的材料购置成本约为20 元。

3）学具零件牢固，拆卸容易。学具与教具的区别之一，在于学具是供给学生使用的，不同学生在不同的想法之下很可能会对学具进行难以预测的摆弄。除了一次性使用的学具（例如，基因工程中用于模拟转基因操作的印有DNA 碱基序列的纸条）外，学具的组成零件都需要较牢固，经得起学生反复拆装。本学具拆装容易。使用过程中如果出现长尾夹损坏，可随时用同型号的长尾夹进行替换；一旦出现磁铁从硅胶管中脱离掉落，也很容易重新塞入并恢复原状。

4）成品结构稳定，便于分享交流。在使用学具的过程中，不同的学生会有各自不同的学习方式，促进他们分享交流各自的思考和发现是学具辅助学习作用的重要一环。本学具由于制作的磷脂分子模型和蛋白质分子模型都具有磁性，容易在一个磁性白板上进行摆放和固定，方便了学生间的相互观摩、交流和修正，优化了学生的学习进程。

4 教学后记

本学具是本校开展学具制作研究众多成果之一，因其创意独特、制作工艺简单、取材容易等特点，在市级公开课上使用并受到参观和听课教师的一致好评。该学具利用磁铁的磁性模拟磷脂分子的“相似相融”原理，吸引了学生的注意力。一边聆听科学史中关于对生物膜结构认识的故事，一边拼装手里的“磷脂分子”，感受着亲水端和疏水端“相似相融”的奇妙。他们不仅拼出了“两两配对型”的双分子层（图5甲、乙），还自主拼出了“交叉型”（图5丙）、“立体型”（一个磷脂分子与不止2 个磷脂分子相连）等模拟结构。由于使用彩色的硅胶管，在分享展示阶段，一幅幅能“流动”的五彩缤纷的“生物膜结构”使课堂气氛活跃而热烈。教学班对照显示，使用该学具辅助学习班级的学生，不仅在回答“磷脂双分子层”“亲水端向外、疏水端向内”“蛋白质不同程度镶嵌在双分子层”等特点相关的判断、描述类问题时优势明显，而且在“膜分子大都具有流动性“生物膜具有选择透过性”等现象原理的阐述方面，也表达得更加清晰、准确。