基于生物科学史的模型建构教学探究

周慧

［摘 要］在生物学教学中，教师引导学生分析生物科学史中的经典实验，建构模型，合作探究，可提升学生的科学思维能力和科学探究能力。文章以“细胞膜的结构和功能”为例具体阐述如何基于生物科学史有效开展模型建构教学。

［关键词］生物科学史；模型建构；科学思维

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章編号］    1674-6058（2023）08-0086-04

生物学教育家朱正威认为，生物科学史所蕴含的营养极其丰富，而且了解它远比了解科学的结论及技术的成果更为有趣。因此，在生物学教学中引导学生学习生物科学史尤为重要。通过学习生物科学史，学生既可以得到科学思想、科学精神、科学态度等方面的熏陶和培养，又能发展与提升直觉思维、想象能力、理性思维、质疑能力，以及观察、实验、调查、收集和处理资料等方面的能力。

生物学教学中的模型建构是指用一定的物质形式或思维形式建构生物模型，使得生物学事实直观化、简单化。在生物学教学中，教师可基于生物科学史，引导学生分析其中的经典实验，建构模型，合作探究，从而提升学生的科学思维能力和科学探究能力。

本文以人教版生物学必修1第3章第1节“细胞膜的结构和功能”为例，以科学家对细胞膜结构的探索历程为主线，通过“提出问题—提供资料—建构模型—修正模型”的教学模式，让学生逐步建构出细胞膜的流动镶嵌模型，从而提升学生的科学思维能力和科学探究能力。

一、教学目标

想要发展学生的学科核心素养，教师要以核心素养为导向设计教学目标。具体如下：

（1）通过设计实验和分析科学史材料，促使学生学会严谨推理和大胆想象，训练学生分析与综合、模型与建模、归纳与概括、批判性思维等科学思维。

（2）通过建构模型，让学生深入理解细胞膜流动镶嵌模型，树立结构与功能观、进化与适应观。

（3）使学生认识到科技技术对推动科学研究发展的重要作用，从而学会尊重科学，用发展的观点看待科学，树立辩证的观点。

二、学生分组与教具准备

分组情况：将学生分成6个小组，每个小组约8人。

教具准备：

（1）用橙色软磁贴剪出长约[5 cm]、宽约2 cm的磷脂分子模型；用绿色软磁贴剪出长约4～7 cm、宽约3～4 cm的大小和形状不同的蛋白质分子模型（如图1）。为每个小组提供36个磷脂分子模型和6个蛋白质分子模型。

（2）为每个小组提供一块磁力白板（各组成员可将磷脂分子模型和蛋白质分子模型贴于白板进行展示）。

三、教学过程

任务一：探究细胞膜的成分

教师播放阿米巴摄食的录像，引导学生通过录像对细胞膜的流动性进行直观观察，从而激发学生的学习兴趣。教师提出问题：阿米巴的细胞膜为什么能变形？这一特性与细胞膜的结构有没有关系？科学家是怎样探究细胞膜的成分和结构的？通过这些问题激发学生的探究欲望，自然过渡到探究细胞膜结构的环节。

活动1：分析科学史，探究细胞膜的组成成分

显示资料1：1895年，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：脂溶性物质比非脂溶性物质更易通过细胞膜。

待学生阅读资料后，教师引导学生思考：细胞膜中含有什么成分才能允许脂溶性物质通过？依据是什么？学生根据已有知识，经过讨论，认为细胞膜中可能含有脂质。教师继续提出问题：欧文顿也做出了相同的判断，那么这一判断是推理还是结论呢？如何获得结论？

活动2：实验验证细胞膜中含有脂质

显示资料2：一些科学家利用哺乳动物的红细胞制备出纯净的细胞膜，并进行化学分析，得知组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。其他细胞中也发现类似情况。1935年，英国学者丹尼利和戴维森对细胞膜的张力进行了研究。通过研究，他们发现，在油—水界面细胞表面张力明显降低。若油脂滴表面吸附有蛋白质成分则表面张力会降低。

学生阅读资料并交流讨论，最后得出结论：细胞膜的组成成分主要是脂质（主要为磷脂）和蛋白质。

活动3：认识磷脂分子

教师通过多媒体显示磷脂分子的化学组成，介绍它的化学特性，同时展示磷脂分子的模型，让学生直观地感受“头亲水，尾疏水”的磷脂分子。

评析：结合生物科学史，重现科学家的实验探究，引导学生分析问题、做出假设，让学生明白要有确凿证据才能得到可靠结论，同时培养学生提取资料关键信息的能力，提高学生的科学思维能力。

任务二： 探究磷脂在细胞膜上的分布特点

教师：磷脂分子有亲水性的头部和疏水性的尾部。现有一个烧杯，里面盛着水，磷脂分子在空气—水界面上是怎样排布的呢？为什么？

活动4：磷脂分子在空气—水界面上的排布特点

模型建构1：学生小组活动，在小黑板上画出空气—水界面，并根据磷脂分子的特性，用磷脂分子模型进行排布（如图2）。小组展示并说明原因：由于磷脂分子的头部是亲水性的，尾部是疏水性的，因此头部朝向水一侧，尾部朝向空气一侧。磷脂分子在空气—水界面上形成单分子层。

教师：如果将磷脂分子全部浸在水中，并用玻璃棒搅拌，磷脂分子将如何排布？

活动5： 磷脂分子在水中的分布特点

模型建构2：学生小组活动，用磷脂分子模型在小黑板上进行排布，并展示模型建构作品，然后解释原因：（1）根据磷脂分子的特性，亲水性的头部朝向水一侧，疏水性的尾部聚集在一起，形成一种单层磷脂分子构成的稳定状态（如图3）；（2）两层磷脂分子的亲水性头部分别朝向水一侧，疏水性的尾部紧紧地聚集在中间，形成一种双层磷脂分子构成的稳定状态（如图4）（3）双层磷脂分子的局部模型（如图5）。

教师显示组织细胞生活图，引导学生观察，从中发现细胞膜所处的环境都是有水溶液的，一侧是组织液，另一侧是细胞内液。在这基础上，教师引导学生思考：构成细胞膜的磷脂分子对应上述模型中的哪一种？学生不难推测出细胞膜的磷脂分子对应的是如图4所示的模型。教师进一步提出问题：那么是否可以说细胞膜中的磷脂是双层的？需要实验验证吗？

显示资料3：1925年，两位科学家戈特和格伦德尔做了一个简单而又巧妙的实验。首先，通过光学显微镜测量出红细胞的大小；然后，通过计算推算出样本中所有红细胞的表面积；最后，利用丙酮和其他溶剂从红细胞中萃取脂类。他们分别采用人类、家兔、天竺鼠、狗、绵羊、山羊的红细胞做这个实验，结果发现从红细胞中萃取的单层分子的面积大约是红细胞表面积的2倍。

待学生阅读资料后，启发学生得出结论：细胞膜中的磷脂是双层的。

教师：单层磷脂结构在生物体中是否存在？

与社会的联系：单层磷脂结构就是脂蛋白的重要存在形式。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（通常伴随脂质组分和蛋白质组分的变化）与动脉硬化症、糖尿病、肥胖症以及肿瘤的发生密切相关。

评析：本环节设计了两个学生活动，活动4是活动5的升华，颇具挑战性，体现了由浅入深的设计意图。学生通过用软磁贴制作磷脂分子模型，在学中做、做中学，构建出了细胞膜的基本支架。在推理、得出结论的过程中实现了科学思维的训练。此外，通过与社会的联系，传达健康生活的理念，培养学生的社会责任意识。

任务三：探索细胞膜中蛋白质分子的位置

教师：磷脂分子在细胞膜中的排列方式我们已经知道了，那么细胞膜中蛋白质的位置是怎样的呢？

活动6：通过资料分析，推测细胞膜中蛋白质的分布特点

显示资料4：1959年，罗伯特森利用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，在电子显微镜下看到了细胞膜的“暗—亮—暗”三层结构。

教师启发学生思考：其中亮的什么，暗的又是什么？学生根据“电子束照射大分子物质，散射度高；电子束照射小分子物质，散射度低”的信息，推测暗的是蛋白质分子，亮的磷脂分子 。

模型建构3：学生小组活动，讨论蛋白质的分布特点，并将代表蛋白质分子和磷脂分子的软磁贴贴在小黑板上，展示模型建构成果（如图6）。

随着科技的发展，冰冻蚀刻技术揭开了蛋白质在细胞膜中的分布“面纱”。

活动7：通过实验结果分析，明确细胞膜中蛋白质的分布特点

显示资料5：将细胞膜置于-100 ℃的干冰或 -196 ℃的液氮中进行冰冻，用冷刀将标本骤然切开，升温后，干冰在真空状态下迅速升华，使断裂结构暴露无遗，这种过程叫作蚀刻。

教师展示细胞膜冰冻蚀刻模型图（图略）。

模型建构4：学生小组活动，根据冰冻蚀刻结果，修改之前建构的“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构模型（如图7），并尝试描述蛋白质的分布。

教师引导学生说出蛋白质镶嵌、嵌入、横跨磷脂双分子层的分布规律。

评析：本环节设计了两个学生活动，活动6是基于资料的推测，活动7是通过观察科学技术研究结果对活动6的推测结果进行修改。通过此环节，让学生在尊重科学、用发展的观点看待科学的同时，认识到科技发展对科学研究的助推作用。

任务四： 探究细胞膜的结构特点

教师联系变形虫的变形运动、细胞的分裂和细胞的长大等现象，引导学生思考：细胞膜是静止的吗？

活动8：根据资料分析，讨论细胞膜是否是静止的

显示资料6：1970年，弗雷和埃登用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，用灭活仙台病毒促使两种细胞融合。刚融合的细胞，一半发红色荧光，一半发绿色荧光。将此细胞放在37 ℃条件下培养40 min，在细胞表面可观察到呈现均匀混合的红色荧光和绿色荧光。

学生根据实验现象，小组讨论细胞膜的结构特点，不难得出“细胞膜上的蛋白质分子可以运动”这一结论。

显示资料7：20世纪60年代，麦克康奈尔和格里菲斯用电子自旋共振谱技术证实构成细胞膜的磷脂分子可以运动。

教师结合上述两则资料，引导学生得出结论：细胞膜上的蛋白质分子和磷脂分子都可以运动，细胞膜具有一定的流动性，从而推翻了罗伯特森关于细胞膜是静态的统一结构的说法。

评析：本环节通过展示资料，让学生阅读分析实验过程与方法，体会科学发展的过程离不开技术的支持。

任务五：概述细胞膜的流动镶嵌模型

显示资料8：1972年，桑格和尼克森基于前人的研究，提出了细胞膜的流动镶嵌模型。

活动9：学生分组讨论，概述细胞膜的流动镶嵌模型。

学生可以从组成成分、分布情况和细胞膜的特点三个方面进行概述。教师补充介绍糖蛋白、糖脂的内容，完善细胞膜的结构。

评析：本环节摆脱以往灌输式教学模式，让学生在自己建构的模型的基础上概述细胞膜的流动镶嵌模型，使学生深入理解其本质，有效达成教学目标。

任务六：建构药物运载体

情境：脂质体由磷脂分子构成，它能作为药物的运载体，将药物运送到特定的部位发挥作用。被运送的药物有水溶性的和脂溶性的。

模型建构5：学生小组讨论，建构分别能运送水溶性药物和脂溶性药物的脂质体，将水溶性药物和脂溶性药物摆放在相应的位置，并说出摆放的依据（如图8）。

教师进一步设问：脂质体到达细胞后如何成功地将药物送入细胞？结合前面所学细胞膜的结构特点，学生容易知道是由于细胞膜的流动性，使脂质体的膜与细胞膜相融合，从而将药物送入细胞。

评析：本环节是对本节课内容的延伸和应用，通过磷脂分子的特性和细胞膜的结构特点破解问题，在一定程度上达到学以致用的目的，使學生获得成功的喜悦，树立将来为社会为国家做贡献的志向。

四、教学反思

（一）引入科学史，造就积极的科学态度

学生通过分析众多生物科学史料，不仅能提高分析资料、处理问题的能力，而且能感受到科学家严谨的科学态度。例如，为了得到“脂质是细胞膜的主要成分之一”这一结论，欧文顿用500多种物质做了近万次的实验。一切从实验出发的实证思想、在前人的基础上做出合理的假设、对生物膜刚性结构的批判等，都将对学生产生重要的影响。

（二）应用科学，提升创新实践能力

通过基于生物学事实的多层次模型建构活动，引导学生尝试像科学家一样去探究，提升了学生的动手实践能力；而电子显微技术、冰冻蚀刻技术、荧光标记技术等的出现，能够帮助人们更好地认识和了解细胞膜的结构，也完善了细胞膜的流动镶嵌模型，有助于学生认识和理解科技创新对人类文明进步的巨大影响和作用，发展和提升学生的创新实践能力。

（三）建构模型，发展核心素养

在本节课中，教师在学生对磷脂分子的结构特点、化学特性有一定理解的基础上，合理设置模拟探究的情境，并依据学生的认知规律，巧妙设计一系列问题，组织学生讨论交流，利用已有知识自主建构、修正完善细胞膜中磷脂分子排布的物理模型。学生在建构模型的过程中，一方面能深刻理解细胞膜中磷脂分子排布的科学原理，另一方面体验了模型建构方法，提升了从实践层面去探讨解决实际问题的能力。

［   参   考   文   献   ］

［1］  孙瑗苑. 高中生物学教学中利用科学史进行模型建构的实践研究［D］.济南：山东师范大学，2022.

［2］  李菊芳，朱俊.例谈基于生物科学史与模型 建构培养学生科学探究素养［J］.中学生物学，2019（7）：32-34.

［3］  刘鑫. 高中生物概念教学中物理模型建构的应用研究［D］.南京：南京师范大学，2018.

（责任编辑 黄春香）