基于教材但不拘泥于教材

白建秀

摘要 对“生物膜的流动镶嵌模型”教学案例进行评析，阐释生物学的课堂教学中应如何利用科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，以提高学生的生物学学科核心素养，进而理解科学是一个发展的过程。案例充分表明基于教材但不拘泥于教材、组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键。

关键词 教材 生物膜的流动镶嵌模型 案例评析

中图分类号G633. 91文献标志码B

“生物膜的流动镶嵌模型”是一节涉及科学史的课，既基于教材但又不拘泥于教材，沿科学史但又不完全按照时间顺序，用科学史素材但又不是资料的罗列，主讲人是北京市第八十中学姚亭秀老师，本教学案例具有如下的几个特点。

1 问题驱动，训练科学思维

陶行知说：“发明千千万，起点是一问”。当代心理学研究表明，问题是在一定的情境中通过主体的活动而产生的。本节课由一张光镜下的视野照片引发出判断完整的动物细胞开始，“细胞膜”的回答早已被教师料到，故而进一步追问、质疑：你看到过细胞膜吗，真的有膜吗？教师此时非常巧妙地举证“水滴”和“油滴”，提出问题：它们有膜吗？课堂上立刻沉寂下来。“水滴”和“油滴”与那个完整的动物细胞非常相似。细胞真的有膜吗？细胞膜是物质实体吗？如果是，如何证实？此时沉寂的课堂弥漫着一种理性、科学的味道。这样的问题导入一下子抓住了学生的心理，激发学生的求知欲。这是第一个大问题，本节课共有5个大问题：真的有细胞膜吗？真的有脂质成分吗？真的是脂双层吗？真的有蛋白质吗，它又如何排布的？膜流动的过程中是什么物质在动？这些问题构成了本节课的主线。这五个大问题也是5点质疑，每个问题提出后都会引起学生思维上的涟漪。教师通过科学史料、演示实验或建构模型的方式，使学生重温科学研究的历程，限于当时的技术水平，均停留在推理层面，帮助学生厘清推理与定论之间的关系，核心就是通过确凿可信的证据来建立两者之间的逻辑关系，体现着“怀疑是审视的出发点、实证是判别的尺度、逻辑是论辩的武器”的科学基本特征，训练着学生的分析综合、模型与建模、归纳与概括、批判性思维等的科学思维方法和习惯，能够让学生感受到科学是一个动态的过程，在不断地怀疑和求證、争论和修正中并随着技术的革新向前发展，最后通过科学家时至今日持续70多年的研究热情再次激发学生应用于医学、食品生产、化妆品等实践的思维习惯和能力。人的思维常因解决问题而被激活，问题推动人积极思维。教师利用本节课所学习的知识作为载体，以问题驱动，着重训练学生的科学思维，同时充分挖掘学科的育人价值。

2 重做经典，再现科技关系

本案例很有创意地将欧文顿的实验“搬上”了学生课堂，让学生看到紫色洋葱表皮细胞发生质壁分离及其复原的过程，使学生真正体会甘油分子能够进入细胞，为对后续更多种物质的脂溶性与穿膜的扩散速度成正比关系的理解奠定了很好的基础，从而使学生能够合理猜测细胞膜中可能存在脂质成分。

教学片段如下：

师：取紫色洋葱外表皮细胞制作临时装片并镜检，之后在盖破片一侧滴加甘油，另一侧用吸水纸吸引，观察到什么现象;等待，不做任何处理，继续观察到什么现象。你能对此现象做出解释吗？

生：先看到有的细胞出现质壁分离现象，等待一段时间后，观察这些细胞又质壁分离复原了。原因是滴加甘油后，细胞液浓度小于外界溶液浓度，液泡中的水通过原生质层流出，细胞失水而出现质壁分离，随后又复原了，可能是甘油分子进入细胞，使得细胞液浓度逐渐增大，水又重新进入细胞的液泡中，出现质壁分离复原。

师：解释得很好。那谁能说说这个实验说明了什么？为什么甘油分子能够进入细胞呢？

生：甘油分子小，容易进入细胞;细胞吸收甘油分子;细胞膜容许甘油分子通过。

师：（学生答不到点上，先不急于回答）接着讲，1895年，苏黎世大学的欧文顿（E. Overton）用500多种化学物质用这样的实验对植物细胞的通透性进行上万次的研究，结果如图1所示。

他发现除水外的化学物质穿膜的扩散速度与其脂溶性成正比，即溶于脂质的物质易于通过。再思考：为什么？你认为细胞膜中含有怎样的物质能够容许脂溶性物质通过？依据是什么？

生：（怯怯地说）有脂质？

再如，关于磷脂分子在空气一水界面的排布方式，教师也让学生亲自尝试分析，相当于再现了1917年朗缪尔（Langmuir）的脂类单分子膜技术。

在膜结构发现的过程中，教师向学生传递了应用多种技术的信号，如化学分析、提纯、鉴定技术，脂类单分子膜技术，表面张力的测定，冰冻蚀刻技术，荧光标记技术，动物细胞融合技术，电子共颤技术，电子显微镜的发现，让学生深深体会到没有技术的进步就不会有生物学科的发展，同样没有借助物理、化学学科的成果也不会有生物学科的研究成果。

3 还原真相，尊重科学本真

在这节课中所用到的素材，如图（光镜下动物细胞图、台盼蓝染色图、欧文顿实验结果图、最新的动物细胞融合的荧光标记图）、照片（红墨水滴和油滴、冰冻蚀刻技术劈开的电镜照片）、表（膜成分的质量百分比表、哺乳动物红细胞中磷脂在水面上铺成单分子层的数据表、化验单）、视频（触碰、质壁分离及其复原、白细胞吞噬细菌）皆为真实的实验结果。

相似相溶的原理对于刚升入高一的学生来说，是不清楚的，教师非常用心地为学生设计了三个离心管的小实验：1号离心管加入香油与水，2号离心管加入石蜡油与水，3号离心管加入香油和石蜡油。扣上盖子后，有力摇匀。学生通过观察实验现象，明白相似相溶的原理，从而理解脂溶性物质容易通过细胞膜的原因。

这些点滴的教学行为，体现教师对新课程理念有深入的理解，不仅尊重科学本真，也关注学生学习过程中的实践体验。

4 设计活动，让思维看得见

在课标的基本理念中有一条是“教学过程重实践”，强调学生学习的过程是主动参与的过程，讓学生积极参与动手和动脑的活动，通过探究性学习活动，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力。

教学片段如下：

活动一：你认为磷脂分子如何排布在空气一水界面？为什么？（教师提供胶棒和剪好的磷脂分子，要求学生在学案上摆出并黏贴）

生：尝试完成。

师：巡视、指导、评价。大家都摆得不错，看看前面两位同学的，正确吗？请其中一位同学解释一下。

生：因为磷脂分子的头部是亲水的，尾部是疏水的，所以头部都向下，尾部都向上。

师：说的特别好。的确，在1917年朗缪尔将膜中提取的磷脂分子铺展在水盘的上面，发现脂质在水面上形成了单层。如果把磷脂分子都推向了水中，并用玻璃棒搅拌，磷脂分子在水中能自发地形成怎样的结构以达到稳定状态？

活动二：磷脂分子如何以稳定状态排布在水中？为什么？请同学们画在学案上。

生：思考、尝试。

师：巡视、交流，有的同学很快摆出来了，请这位同学用教师提供的磷脂分子模具摆在黑板上。

生：尝试完成。

师：能解释吗？

生：根据磷脂分子的双亲特点，亲水的头部都向水的一面，疏水的尾部紧紧靠在一起，应该是一种稳定的状态。

师：大家认同吗？

生：嗯，并点头示意。

师：很好！还有没有其他形式呢，请举手示意一下，环视，等待……

生：思索，顿悟后继续完成双层结构。

师：请一位学生完成黑板上未完成的部分。可以解释吗？

生：依然根据磷脂分子的双亲特点，两层磷脂分子的头部都向水的一面，中间的尾部为疏水，紧紧靠近。

师：解释得非常好。这两种结构都是稳定状态，在生命体中都有存在。你认为构成膜的磷脂分子是哪一种？为什么？

生：第二种，因为膜内外都有水。

师（出示某人的化验单）：那么这种单层结构在生命体中哪里有呢？大家听说过“高密度脂蛋白”和“低密度脂蛋白”吗，这种单层脂质体其实就是脂蛋白的存在形式，用来运输胆固醇等脂质的。脂蛋白对于昆虫和哺乳动物细胞外脂质的包装、储存、运输和代谢起着重要作用，脂蛋白代谢异常与动脉硬化症、糖尿病、肥胖痘以及肿瘤发生密切相关。大家看，生命是多么的神奇，生命起源于原始海洋，生命又是如此的巧妙，在干百万年的演化过程中选择了双层磷脂分子作为细胞膜的结构，而单层结构也被留下来运输身体中的脂质类的物质。

教师在这一环节用心设计了学生的两个活动，第一个活动是为第二个具有挑战性的活动做铺垫，也体现从浅至深的设计思路，并为学生精心准备了学案、磷脂分子的贴纸、磷脂分子的磁性贴，既为学生提供学习条件并留下痕迹，又考虑便于课堂教学展示的效果。在学生几次的解释和最后的讲解中渗透着结构与功能观、适应与进化观的生命观念，在推理、猜测与结论之间再次体现科学思维的训练。为说明单层脂质体的存在，教师用体检报告给学生一种真实感。

总之，在本节课中体现了“教学过程重实践”这一理念并设计学生的活动形式多样，既有实验，又有模型建构，还有阅读资料和用语言概述细胞膜结构模型的活动，这些活动不是表面化的，不是停留在“是什么”而是“为什么”的层次水平，知其然一定知其所以然，是真正让学生的学习发生，调动学生的思维走向深入，并让学生的思维看得见，无论学生的行为或回答正确与否，都可以让教学更有针对性。5文图板书，勾勒教学全貌

板书很有设计感（图2】，主副板书已在预设中布好局。随着教学的进程逐渐完善板书，课结束留下了便于学生记忆的结构化的文图板书，并且勾勒出教学的全貌，磷脂双分子层也是完整的，设计有新意，真是神来之笔，这样可以让学生感受到细胞膜的全貌，从而对细胞膜的认识是全面的。

当然，这堂课还有一些教学环节的处理值得商榷，如冰冻蚀刻技术电镜照片的解读、如何更恰当地处理好丰富教学资源与有限教学时间的关系;还有值得深思的是课标中提到“生物学课程要求学生主动地参与学习，亲历提出问题……”课堂中的问题或问题串是谁提出来的，教师的主导作用是否过于强大，学生是否在教师设定的“圈子”里学习，怎样培养学生的问题意识，需要每一位教师重新审视课堂、审视教学，更巧妙地处理好主导与主体、菜单式问题与自发式问题的关系，让课堂教学更加面向未来。参考文献：中华人民共和国教育部，普通高中生物学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018.