5E教学模式下发展学科核心素养的“生物膜的流动镶嵌模型”教学

广西 康 浩

5E教学模式是一种基于建构主义的探究式教学模式，包括吸引、探究、解释、迁移和评价等5个环节。5E教学模式强调学生主动获取知识的探究性学习过程，较传统教学模式更能激发学生的兴趣，符合人的认知规律。“以教师为主导，学生为主体”的课堂模式已经成为了主流教学模式，课堂不只是单纯地为了让学生做主而设置的，更需要教师在课堂学习和活动中作为主导去培养学生更多方面的能力。合理运用5E教学模式，可以更好地凸显学生学习的主体地位，激发学生合作探究的兴趣和潜能，在教师的引导下，学生可以在解决问题、内化知识以及知识迁移的过程中形成科学思维和科学探究素养。本文以“生物膜的流动镶嵌模型”教学为例，论述了运用该模式逐步培养和发展学生学科核心素养的策略。

一、教材分析

该节内容位于人教版必修2第4章第2节，在内容设置上既解释了跨膜运输的物质和结构基础，又为后面学习物质跨膜运输的方式奠定了基础。通过本节课的学习，学生能深刻地理解细胞膜作为细胞边界的意义，分析和得出细胞膜的结构特点及功能特点，并利用膜的结构和功能特点解释现实情境和实际生活中的问题。

二、教学目标

生命观念：通过对图片和模型的分析，说出膜的流动镶嵌模型的结构特点，初步形成结构与功能观。

科学思维：通过小组交流和展示，阐释膜的结构，认同科学是在不断地探索和争论中前进的。

科学探究：通过制作模型，呈现膜的组成和结构，加深理解；通过校园常见材料的处理实验，验证有活性的细胞膜具有选择透过性，培养学生的科学探究能力。

社会责任：能够对现实问题和社会议题进行探讨，并做出理性解释。

三、教学策略

教师在深入研读教师用书、教材和其他资料的基础上，确定本节课要处理好的主题和主线。主题是生物膜的流动镶嵌模型，主线是引导学生进行资料分析和科学探究。本节课利用5E教学模式进行设计，将教学重点的突破放在学生身上，遵循“激发兴趣、问题导向、探辩结合”的原则，通过呈现实验探究或模型构建的过程，利用问题导向，层次探究，培养学生观察、分析、思维加工和辨析评价的能力，提升团队合作及表达能力，对学生进行科学探究和科学思维素养的培养。

四、5E环节相互融合下的教学过程

(一)“吸引”——呈现实验现象，提出问题

教师首先展示浸在台盼蓝溶液中的A、B两组酵母菌细胞的放大照片，让学生注意观察酵母菌细胞的颜色和周围染液的颜色。A中的酵母菌细胞不做处理(CK组)，而B中的酵母菌细胞在放进染液之前经煮沸处理。学生通过观察，发现两组酵母菌细胞和周围染液的颜色有区别，CK组中酵母菌细胞未被染色，存在明显的斑点区域，而B组中酵母菌细胞和周围染料颜色几乎融为一体，难以区分。

观察实验现象后，教师引导学生分析得出细胞膜作为细胞边界有控制物质进出的作用。从结构与功能相适应的角度切入，引导学生分析出细胞膜的结构出了问题，导致其不能阻碍染液的进入。由此引入对细胞膜的组成和结构的学习。

(二)“探究”“解释”“评价”——重走生物膜结构的探索历史

高一学生没有有机化学相关的背景知识，教师介绍有机化学中“相似相溶”原理，然后播放欧文顿研究化学物质对植物细胞的通过性模拟动画。在此基础上，学生认同欧文顿所提出的膜是由脂质组成的相关结论。同时，欧文顿利用五百多种化学物质经过上万次的实验经历，也向学生展示了科学实验的重复性和严谨性，学生也清楚了科学实验的结论应具有普遍性。

教师接着向学生展示德国的高特和戈来德尔用丙酮抽取红细胞膜中磷脂的实验过程，他们将磷脂在水面和空气的交界面铺成单分子层，发现这个单分子层的面积正好是原来红细胞表面积的2倍。本材料是学生基于实际情境分析，最终得到膜是由两层磷脂分子构成的结论的关键，因此教师必须追问单层磷脂分子面积是原本红细胞膜面积2倍的可能原因，以及为什么两者不相等。教师可以利用学生常见的塑料制品——气泡膜进行类比模拟，一个凸起的小泡代表一个磷脂分子，众多排列在一起的小泡代表铺在水与空气界面之间的磷脂分子层。此时展开的气泡膜面积是原来的2倍，那么原来最可能是怎么排列的？气泡膜柔软易折叠，学生可以自己动手操作，只需将气泡膜对折，即可很好地解释面积差2倍的原因。从数据和模拟物上的互相印证，学生明白了生物膜由两层磷脂分子排列的结论。

该活动必然导致一个课堂生成性问题的出现，为接下来的科学探究做了很好的铺垫。一个个凸起的气泡代表一个个磷脂分子，对折气泡膜时，是气泡与气泡对折相接触，还是气泡的背面对折相接触？教师由此引出对磷脂分子的介绍。因学生还没有对应化学知识的支撑，所以教师可以直接向学生展示磷脂分子的结构模式图，教师首先介绍磷脂分子的结构，磷脂是由甘油、脂肪酸和磷酸等组成的分子，磷酸“头”部是亲水的，“尾”部是疏水的，并提前准备磷脂分子模型，如图1所示。通过上述气泡膜对折的类比，学生已经知道膜是由两层磷脂分子构成的，教师接着安排学生利用模型自主探究磷脂分子如何排列形成细胞膜。在探究如何排列的过程中，教师注意启发学生分析细胞生活的环境，细胞膜内外主要接触的物质。基于以上两点，学生完成自主建模，如图2所示。

图1 教师自制磷脂分子模型

图2 学生构建的膜双分子层模型

建构该模型的探究活动能很好地激发学生的学习兴趣，使学生在构建环节强化对磷脂分子的排列特点以及作为膜骨架的作用的相关知识。组内探讨和实施构建过程落实了自评，小组之间的对比解疑落实了互评，整个过程很好的完成了“探究”和“解释”。最终经过教师科学、中肯地点评，可以很好地体现“评价”环节。通过本活动，学生基本都能够深刻理解膜是由两层磷脂分子构成的这一知识要点。最终教师展示一副模拟度更好的图片，学生将自我构建的模型和模拟图进行比对，强化自身记忆。

(三)“吸引”“探究”“解释”“评价”——构建生物膜的完整结构

学习蛋白质的相关知识后，学生知道蛋白质是一种大分子有机物，是生命活动的主要承担者。生命的物质观中指出，结构都是由物质组成的，相同的结构具有基本相同的物质组成。该板块知识的掌握，使学生对各种细胞器膜以及膜系统的组成和功能关系会有更深层次的理解。在学生构建好膜的磷脂双分子层后，教师向学生展示20世纪初科学家分析生物膜成分的相关材料，科学家分离得到哺乳动物红细胞的细胞膜后，分析发现他可被蛋白酶(能专一地分解蛋白质)水解。分析本材料，引导学生得出细胞膜除了含有磷脂分子外，还含有蛋白质分子。为帮助学生建立起知识前后的关系，教师进一步引导：①蛋白质有哪些功能？②如何鉴定蛋白质？学生思考后进行回答。本环节的设置可使学生回顾蛋白质的功能，为学习细胞膜上蛋白质可能有的功能做好铺垫。

通过以上材料分析可知，细胞膜主要由磷脂和蛋白质构成。教师组织学生思考蛋白质分子与磷脂分子是如何分布的，同时展示罗伯特森的电镜观察细胞实验结果。引导学生观察细胞膜结构的电镜照片，结合上文排列的磷脂双分子层，让学生思考和尝试解释出现“暗—亮—暗”三层结构的可能原因，最后教师把学生的解释与罗伯特森的解释进行对比评价。

教师播放变形虫运动的视频材料和白细胞吞噬细菌的视频材料，再次将学生的关注点吸引到细胞膜上。变形虫运动摄食和白细胞吞噬细菌时，细胞膜都存在明显的收缩和变形行为。教师引导学生思考：如果按照罗伯特森的“蛋白质—脂质—蛋白质”静态三明治模型进行解释，变形虫和白细胞的上述现象能否正常进行？学生容易发现该模型的不科学之处，从而很难解释很多现实现象。由此可推翻蛋白质分子和磷脂分子按照上述静态方式分布的结论。教师此时再向学生展示细胞膜冰冻蚀刻后的电镜观察图，引导学生观察蛋白质分子的分布以及蛋白质分子与磷脂分子的位置关系，一方面使学生明白蛋白质分布的不对称性，蛋白质分子以镶嵌或者贯穿的方式与磷脂双分子层进行排列；另一方面使学生知道学科的进步及研究工具的迭代更新，也会促使学科研究的深入和进步。

(四)“解释”和“迁移”——基于事实的科学解释和运用

通过以上探究思考和模型构建，学生已经知道细胞膜不是静态的。如何用事实证明细胞膜不是静态的呢？教师向学生展示人的体细胞和鼠细胞融合的背景材料及动画演示过程，启发学生思考，人的体细胞和鼠细胞不但融合在了一起，且被不同荧光染料标记的膜蛋白最终均匀分布在了人鼠杂交细胞上。学生很容易分析得出细胞膜是可以“动”的，膜上的蛋白质分子也是可以“运动”的，否则两种细胞无法融合，被不同荧光染料标记的膜蛋白也不会均匀地分布。在此基础上，将知识迁移到上一章学习的“分泌蛋白的形成”和“生物膜系统”当中，引导学生思考为什么内质网形成的囊泡可以和高尔基体融合，高尔基体形成的小泡可以和细胞膜融合，最终完成胞吐的过程。学生可以从本质上进行回答，因为这些细胞器和细胞结构是由生物膜构成的，而生物膜的成分和结构几乎一样，因此它们从物质和结构上具有一致性，加之生物膜是流动的而非静态的，因此它们之间可以融合，生物膜系统才可以在结构和功能上紧密联系，保证细胞生命活动高效、有序地进行。囿于高中生的认知水平和探究水平，教师应明确告知学生构成生物膜的磷脂分子都可以运动，且运动的方式多种多样，而蛋白质分子大部分是可以运动的，少部分蛋白质分子的位置是固定不变的。最后教师向学生介绍人类运用膜的流动性开展的实际工作。例如研究者根据生物膜的特性，将磷脂制成很小的小球，让这些小球包裹着药物，运输到患病部位，通过小球膜和“病灶”细胞膜的融合，将药物送入细胞内，最终实现杀死病变细胞或病菌，达到治疗疾病的目的。日本学者就利用此法将相关酶包裹在人工膜里，用于克服血脑屏障，治疗神经节苷脂储积症。

教师最后总结本节内容的展示材料和学生的探究活动，梳理整个膜结构的探索历史，提出目前普遍认可的生物膜结构模型——流动镶嵌模型。给出流动镶嵌模型的示意图，引导学生再次回顾各部分的名称和分布特点，归纳形成流动镶嵌模型的特点：①磷脂双分子层构成膜的基本骨架，且具有流动性；②蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的嵌入磷脂双分子层中，有的则贯穿于整个磷脂双分子层，这些蛋白质分子大部分可以运动，有的则固定不动；③磷脂双分子层与上文中提到的模型的差别在于膜上还有少量的多糖成分，多糖往往与膜表面的蛋白质结合成为糖蛋白，其主要起到保护、润滑和识别的作用。膜上蛋白质种类和数量越多，膜的功能就越复杂。磷脂和蛋白质分子结合紧密，构成了细胞内部与外界的致密保护层，细胞的物质运输功能依赖于膜成分和结构的完整，如果破坏细胞膜结构的完整性，细胞则会失去选择透过性，细胞的生命也不再存在。

(五)“探究”与“解释”——检验学习成效

膜的成分和结构完整、有活性是细胞膜具备选择透过性的前提。结合学生对知识的积累，学生知道可以通过蛋白酶分解蛋白质，也知道高温可以使蛋白质变性。基于此，教师可以让学生利用校园中常见材料，用最简单的方法验证细胞膜的选择透过性。本环节基于生活实际和实验的可操作性，为学生提供身边易得的材料进行实验。学生通过讨论形成探究方案，利用常温水和沸水浸泡三角梅花瓣，如果色素外渗，则证明高温破坏了膜的结构，使膜失去选择透过性，此方案简单易操作，且现象明显，相关实验结果见图3。在此结果上，教师可以让学生解释水变红的原因，大部分学生都能从膜成分或结构发生改变导致膜失去选择透过性这一角度进行分析，同时这也证实了膜成分和结构完整是其具有选择性的前提。通过学生的分析和设计，可以初步形成结构与功能观以及生命的物质观。如此，许多类似的现实问题，学生都可以触类旁通。这种方式也为接下来学生学习“跨膜运输”和“内环境稳态的维持”做好铺垫，可以为学生建立起知识间的横向联系。

图3 学生设计的验证膜的选择透过性简易实验

五、结语

较之于传统的讲授式教学模式，5E教学模式是强调学生自主构建的探究式教学。该教学模式关注学生参与、探究、解释和知识的迁移，课程实施标准中强调培养学生的探究能力，注重过程的教学，本节课主要围绕以下几点进行设计：①探究教具取材于生活，操作简便，易激发学生的兴趣和动手操作实验的欲望；②分组探究，每位同学都有参与和表达的机会，课堂氛围良好；③重视学生对材料或实际情境的分析，以问题为导向，不断驱动学生思考，基于事实对知识进行深度理解，建立起知识间的横向连接；④对每个教学环节进行及时有效的评价，不仅有教师对学生的评价，也有组内和组间的评价，评价的过程是学生内化和整合已有知识并做出判断的过程，学生只有内化了知识才能真正实现知识的迁移和运用。