基于生物科学史的探究式教学

叶凯

［摘 要］在“细胞膜的结构和功能”教学中，以科学史为素材，创设探究情境，精心设计问题串和学习任务，引导学生运用“提出假说”和“模型与建模”的科学研究方法探究细胞膜的成分和结构，促进学生科学思维和科学探究素养的发展，落实新课程的育人理念。

［关键词］科学史；探究式教学；细胞膜；结构；功能

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）29-0091-03

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020年修订）》（以下简称《课标》）在“实施建议”部分中明确指出，高中生物学教学目标是培养学生的生物学学科核心素养，而落实该教学目标的关键是开展探究式教学。高中生物学教材中介绍了许多经典的生物科学史，这些科学史凝聚了科学家的心血和智慧，是探究式教学最好的素材。《课标》倡导教师重视生物科学史的教学。生物科学史能使学生重温科学家探索生物世界的历程，有利于学生理解学科知识的本质和掌握科学研究的思路和方法，有利于学生感悟科学家永不言弃、不断进取的科学态度和科学精神，这对于提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的。本文以“细胞膜的结构和功能”一课为例，阐述如何以生物科学史为素材开展探究式教学，以期为广大生物学教师提供教学参考。

一、教材分析和设计思路

“细胞膜的结构和功能”是人教版（2019）高中生物学必修1第3章第1节的内容，主要包括细胞膜的功能、对细胞膜结构的探索、流动镶嵌模型的基本内容”等。为了避免按照时间轴简单地罗列生物科学史，笔者采用了基于生物科学史的探究式教学模式，并将本节课分为细胞膜成分的探究和细胞膜结构的探究两大板块。为了培养学生的科学思维和科学探究素养，笔者创设相关情境，精准设置问题串，引导学生根据磷脂分子的特点和蛋白质的功能，完成对细胞膜中磷脂分子和蛋白质的分布的探究和模型的建构。在此基础上，引导学生提出假设、建构模型、实验验证、修正模型，培养学生的自主、合作、探究能力，发展学生的生物学学科核心素养。

二、教学目标

依据《课标》的要求，结合发展学生生物学学科核心素养的理念，制订以下教学目标：

（1）通过对生物学事实的分析，运用演绎与推理、归纳与概括等科学思维方法概括细胞膜的功能，培养科学思维。

（2）通过对科学史的分析，运用“提出假说”和“模型与建模”的科学研究方法探究细胞膜的成分和结构，培养科学思维和科学探究素养。

（3）通过建构模型的方法，加深对流动镶嵌模型内容的理解，发展生命观念。

（4）通过对细胞膜相关科学史的回顾，激发继承和发扬科学精神的使命感，培养社会责任素养。

三、教学过程

（一）创设情境，导入新课

教师：同学们，老师手里有一个未受精的鸡蛋。去掉蛋壳和蛋清后，剩下的结构可以看成一个巨大的卵细胞。接下来就是见证奇迹的时刻！

教师用两根手指将蛋黄拈起来，引导学生思考蛋黄为什么没有流出来。

设计意图：通过手拈蛋黄的活动，引起视觉刺激和引发认知冲突，让学生直观感受细胞膜的存在，在激发学生学习兴趣的同时导入新课。

（二）分析资料，推测细胞膜的功能

教师：细胞膜作为细胞的边界，它有什么作用呢？请同学们分析资料，推测细胞膜的功能。

资料1：将伊红染料注入变形虫体内，伊红很快扩散到整个细胞，却不能逸出细胞。

资料2：常用台盼蓝染剂鉴别动物细胞是否死亡。死细胞会被染成蓝色，而活细胞不被染色。

资料3：胰岛B细胞分泌的胰岛素，随血液循环到达全身各处，与靶细胞膜上的受体识别、结合，将信息传递给靶细胞，靶细胞的生命活动发生一系列的变化。

学生分析资料，推理细胞膜的功能。教师点评并总结细胞膜的功能，然后介绍细胞间信息交流的三种方式。

设计意图：利用教材案例和补充的资料，引导学生对生物学事实进行分析，推理并概括细胞膜的功能，培养学生分析与推理、归纳与概括的能力。

（三）重温科学史，探究细胞膜的成分

教师依次呈现“细胞膜成分”的科学史（如图1），创设情境，引导学生探究细胞膜的成分。

教师展示欧文顿的实验（图1中的科学史1），提出问题串：细胞膜含有何种成分？欧文顿实验的结论是对实验现象的推理，还是对细胞膜成分的提取与鉴定？

学生提出细胞膜可能存在脂质的假说，并表示通过提取、鉴定细胞膜的成分来验证假说。教师展示科学史2（见图1）中的实验结果验证学生提出的假说。

教师展示丹尼利和戴维森的实验结果（图1中的科学史3），提出问题串：细胞膜还具有什么成分？怎么验证？

小组讨论后，学生提出细胞膜中可能还存在蛋白质的假说及其验证方案（用哺乳动物的成熟红细胞为材料，制备纯净的细胞膜，提取细胞膜的成分后用双缩脲试剂检测）。教师展示科学史4和科学史5（见图1）中的实验结果验证学生提出的假说并总结细胞膜的成分和含量。

设计意图：指导学生运用“提出假说”的方法探究细胞膜的成分，體会“分析科学史—提出假说—验证假说—得出结论”的探究过程，从而提升学生的科学思维和科学探究素养。

（四）建构模型，探究细胞膜的结构

教师将细胞膜结构的探索分为磷脂分子的分布、蛋白质的分布和细胞膜的结构特点三个板块，逐步呈现科学史（见图2），创设相关情境，精准设置问题串，引导学生根据磷脂分子的特点和蛋白质的功能，采用“提出假说”和“模型与建模”的科学研究方法探究细胞膜的结构，从而形成“结构和功能相适应”的生命观念。

1.磷脂分子在细胞膜上的分布

教师展示磷脂分子的结构示意图。甘油、磷酸和胆碱构成了头部，磷酸带负电，胆碱带正电，这些带电基团容易与水这种极性分子相结合，因此头部和水会相互吸引，头部表现为亲水。而磷脂分子尾部两条长的脂肪酸链表现为非极性，和水这种极性分子相互排斥，即尾部表现为疏水。待介绍磷脂分子头部和尾部的化学组成和理化性质后提出问题串：磷脂分子在空气—水界面上如何排布？沉入水中的磷脂分子会形成一个球体，这时它如何排布？

学生小组讨论后，根据磷脂分子的理化性质，提出假说1和假说2，并借助学具建构平面模型。

假说1：磷脂分子在空气—水界面上呈单行排布，头部靠近水面，尾部远离水面（如图3中a）。

假说2：水中磷脂分子自发形成磷脂双分子层，头部朝向两侧，尾部相互靠近（如图3中b）。

教师展示科学家戈特、格伦德尔的实验（如图2中的科学史6），学生分析资料后结合细胞生活的环境验证其假说，得出结论：细胞膜上的磷脂分子为连续的两层。

设计意图：引导学生运用“提出假说”和“模型与建模”的科学研究方法探究磷脂分子的分布，再次体会“提出假说—验证假说—得出结论”的探究过程，提升学生的科学思维能力和科学探究能力。此外，通过模型建构和展示活动培养学生的语言表达能力和团队合作能力。

2.蛋白质分子在细胞膜上的分布

教师引导学生回忆蛋白质的功能，并布置探究任务：根据结构与功能相适应的观点，推测蛋白质在磷脂双分子层是如何分布的；用黏土模拟蛋白质，建构蛋白质在磷脂双分子层上分布的物理模型。

学生小组讨论后提出假说3，并建构蛋白质在磷脂双分子层上分布的物理模型。

假说3：有的蛋白质具有运输功能，故这类蛋白质会贯穿磷脂双分子层；有的蛋白质有识别功能，故这类蛋白质会分布在磷脂双分子层表面（如图4）。

教师展示罗伯特森的发现（如图2中的科学史7），并补充相关实验原理：罗伯特森用锇酸处理细胞膜，经锇酸处理后的蛋白质会形成高电子密度的锇黑，在电子显微镜下呈黑色，然后提出问题串：“暗”“亮”对应了细胞膜的何种成分？根据罗伯特森的实验，推测蛋白质在磷脂双分子层上如何分布。

教师点评学生的回答后，介绍罗伯特森的单位膜模型，引导学生思考：关于蛋白质的分布，罗伯特森和同学们提出了不同的假说，谁更接近真相呢？

教师展示科学史8（见图2）：将细胞置于液氮中进行冰冻，用冷刀切开，升温后在真空中迅速升华，磷脂双分子层的疏水端裂开，用电子显微镜观察断裂面上的蛋白质的分布（如图5）。

学生获得新知：蛋白质可以镶、嵌、贯穿磷脂双分子层。教师引导学生修正蛋白质分布的模型。

设计意图：让学生运用“提出假说”和“模型与建模”的科学研究方法探究蛋白质在细胞膜上的分布，建构细胞膜的物理模型，培养学生分析与推理的能力及科学探究能力。在验证假说环节，引导学生比较自己建构的物理模型和罗伯特森在电子显微镜下观察到的细胞膜“暗—亮—暗”三层结构的区别。通过补充冰冻蚀刻技术应用于细胞膜结构研究的成果，培养学生的批判性思维和证据意识，让学生体会到科学技术的革新对科学研究有极大的推动作用。

3.探究细胞膜的结构特点

罗伯特森把细胞膜描述为静态的统一结构，教师引导学生针对此观点提出疑问。学生根据变形虫运动及细胞生长、分裂等实例提出假说：细胞膜具有流动性。

教师展示人鼠细胞融合实验（见图2中的科学史9），提出问题：该实验可以得出什么结论？

学生分析后得出结论：细胞膜上的蛋白质分子大多是可以运动的，细胞膜具有流动性。

设计意图：借助视频、图片、科学史等生物学事实，让学生认同细胞膜是可以流动的，为流动镶嵌模型的建构做好铺垫。

（五）精读教材，自主学习流动镶嵌模型

教师展示科学史10（见图2）：1972年，桑格和尼克森总结了有关细胞膜结构的成就，提出了流动镶嵌模型。然后让学生阅读课本第44页和45页，并回答下列问题：细胞膜的基本支架是什么？细胞膜上的蛋白质如何分布？细胞膜上的糖类如何分布？其功能是什么？细胞膜的结构特点是什么？

学生回答问题，掌握流动镶嵌模型内容。教师引导学生用糖链完善小组的模型，再汇集全班的模型，拼成一个更大的模型（如图6）。

设计意图：设计问题串，引导学生自主学习，获取知识；引导学生用糖链完善模型，让学生经历“建立模型—修正模型—完善模型”的过程，感悟科学是不断完善的过程。更大模型的建构让学生对细胞膜的分子组成和空间结构有了更深刻的认识，有助于学生掌握必备知识。

（六）課堂总结，启迪学生

教师播放视频，回顾细胞膜结构的科学史，让学生体会科学是一个动态的、不断发展的过程。教师：科学家对真理不懈追求的科学态度和大胆质疑、勇于创新的科学精神令人敬佩。到目前为止，细胞膜研究领域已获得4项诺贝尔奖，为人类健康生活做出了重大贡献。细胞膜的研究仍在继续，老师期待有同学能继续投身于科学研究，传承和发扬科学精神，为人类谋福祉。

设计意图：通过视频回顾细胞膜结构研究的科学史，让学生体会科学发展的一般规律，引导学生学习科学家的科学态度和科学精神。通过介绍细胞膜研究成果与人类健康的关系，让学生感受科学发展的意义，激发学生的学习使命感和社会责任感。

四、教学反思

通过本节课的学习，学生重温了科学家对细胞膜的探究历程，深入理解了学科知识的本质和科学研究的思路和方法。本节课的教学设计符合新课标倡导的发展学生核心素养的教学理念。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版［M］.北京：人民教育出社，2018.

［2］  刘恩山.普通高中生物学课程标准（2017年版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［3］  李小玲.“细胞膜的结构和功能”教学设计［J］.中学生物学，2022（1）：35-38.