基于科学史素材与核心素养深度融合的教学设计

摘要：在“细胞膜结构”教学中，笔者将科学史与核心素养融合，通过教材的科学史素材，构建细胞膜流动镶嵌模型，让学生理解结构与功能的适应关系。借助演示、教具和科学探究，引导学生构建磷脂双分子层与蛋白质模型，直观展现细胞膜结构，发展科学思维和探究能力。同时，培养学生科学精神，敢于质疑和追求真理，为科学发展贡献力量。

关键词：科学史；情境创设；模型构建；核心素养

文章编号：1003-7586（2024）05-0012-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1教材内容及学情分析

1.1教材分析

本节内容是人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称“教材”）第3章第1节“细胞膜的结构和功能”。“细胞膜结构”是本节内容的第二课时，教学重点是“细胞膜的成分和结构的探索”。在教材及其配套的资源中含有大量科学史素材，笔者在本节新课的设计中，基于教材中对细胞膜成分和结构探索的科学史素材创设大情境，贯穿于整节课的教学之中。

“细胞膜结构”的教学内容包括了细胞膜成分探索和细胞膜的流动镶嵌模型结构探索两大部分。本节中细胞膜流动镶嵌模型的探索和探讨和建立细胞膜模型的过程，以及如何体现结构与功能相适应的观点是本节课的重点和难点。

1.2学情分析

学生通过对前一章内容的学习，已经初步认识了细胞，能够很快进入到细胞膜结构和功能的学习中。然而，高一年级学生的逻辑思维与科学探究能力正处于发展阶段，对于生物学知识的理解和应用能力尚需进一步加强。尤其当面对细胞膜这一既微观又复杂的结构时，学生往往因其抽象性而感到困惑。因此，如何采用高效的教学策略，协助学生构建细胞膜成分与结构的直观模型是本教学内容的核心挑战。

2对照学科课程标准，分析课程内容

在“细胞膜结构”的教学内容中，教材配备资料补充了大量的科学史素材，教师可以根据教学需要进行使用。教师应清晰定位《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中水平三和水平四的差别，避免将高三层次级的要求下移到高一，追求“一步到位”。这就需要教师对照《课程标准》，分析课程内容（见表1）。

3教学目标

（1）借助图文结合的方式回顾探索细胞膜成分和结构的科学史过程，通过建立细胞膜流动镶嵌模型的一系列实验说出结构与功能之间的关系，并准确描述细胞膜流动镶嵌模型的基本内容，加强对结构与功能观的理解，发展生命观念。

（2）运用细胞膜成分结构探究的科学史情境，巧设问题，设计恰当可行的实验方案，探究细胞膜的基本骨架，构建磷脂双分子层的模型，培养科学探究能力。

（3）基于科学史素材给出的事实证据，归纳概括细胞膜流动镶嵌模型的内容并进行评价，训练科学思维。

（4）正确认识实验技术手段的进步能够促进科学的发展，认知到科学的发展离不开各行各业协同配合，更离不开每个时代学者的共同努力，从而落实社会责任。

4课堂实录，片段展示

4.1以科学实验导入教学，创设教学情景

科学家曾用显微注射器将伊红注入变形虫，发现红色扩散但未溢出，得出了细胞膜的完整性。教师模仿此实验，用鸡蛋的卵细胞（即蛋黄）代替变形虫。蛋黄表面有蛋黄膜，即细胞膜，虽不可见但真实存在。若用注射器将红墨水注入蛋黄，膜完整时红墨水不溢出；膜破裂后，红墨水则会溢出（见图1）。教师提问：细胞膜的结构是怎样的？

4.2依托科学史为情境，进行细胞膜成分的探究

教师利用多媒体展示四种细胞，分别是哺乳动物的成熟红细胞、口腔上皮细胞、植物细胞、细菌。教师问学生认为利用哪种细胞能制得较纯净的细胞膜。

学生通过阅读教材、猜想及讨论回答哺乳动物的成熟红细胞。教师说明植物细胞和细菌有细胞壁的保护，很难让其破裂；口腔上皮细胞有核膜和众多的细胞器膜，得不到纯净的细胞膜，哺乳动物成熟红细胞中没有细胞壁、细胞核和众多细胞器。教师讲述科学家让红细胞吸水涨破，利用离心的方法获得较为纯净的细胞膜。

教师利用多媒体展示展示欧文顿（E.Overton）在1895年的实验：他测试了500多种化学物质对植物细胞通透性的影响，发现溶于脂质的物质易进入细胞膜，而难溶于脂质的则不易。

学生此时则可以从科学家视角，根据物质相似相溶的原理和实验的现象解释膜的成分中可能含有脂质这一结论。

教师点评：当时欧文顿也得出一样的结论，但这一结论只能叫“假说”。提出“假说”是科学探索中的科学方法，是根据已有的知识和信息提出解释上述的生物学问题，再用进一步的观察和实验对已建立的假说进行修正和补充。

教师接着展示材料：1935年，英国学者丹尼利（J.F.Danielli）和戴维森（H.Davson）研究了细胞膜的表面张力，发现细胞的表面张力明显低于油一水界面的表面张力。当时人们已发现油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低，因此通过上述资料可推测细胞膜可能含有蛋白质，而通过双缩脲试剂可以检测蛋白质的存在。

教师总结：通过实验探究，细胞膜的成分主要为脂质和蛋白质，除此之外还有少量糖类。

4.3细胞膜基本支架——磷脂双分子层的物理模型

教师可以创设实验情境：假如有一个水槽，把磷脂分子放在水面上，在空气水界面上，单层连续的磷脂分子应该怎样分布？

教师提问：组成细胞膜的成分是怎样形成细胞膜的，教师引导学生根据磷脂分子的特点（磷脂的头部是亲水的，尾部是疏水的，且它的密度小于水的特性），利用手中的模型，推测并制作磷脂在水和空气的接触界面上的形态。学生展示模型，并对模型的构建的进行阐释。

教师点评：根据磷脂的头部是亲水的，尾部是疏水的，且它的密度小于水的特性，应该出现的情况是亲水头部完全浸没在水中，疏水尾部在空气之中。

教师追问：如果将磷脂分子至于水一苯混合溶液，磷脂分子将会如何分布？此时学生则可以举一反三，得出磷脂分子的“头部”将与水接触，“尾部”与苯接触，磷脂分子分布成单层。

教师继续提问：如果用玻璃棒搅拌一下，将磷脂分子搅拌到水中，此时磷脂分子就会积聚成团，此时成团的磷脂分子又是怎样排布的？

教师引导：请学生根据磷脂分子的特点，利用手中的模型，推测并摆出磷脂在水中的排布方式（见图2）。

教师追问：磷脂分子为什么会呈现双层排布？

学生回答：成团的磷脂分子水槽中，其内部有水，外部也有水，因其头部亲水，尾部疏水，只能是双层排列才合理。

教师点评：学生的解答是一种假说，需要通过实验进行验证。1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的成熟红细胞中提取脂质，在空气水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积刚好为红细胞表面积的两倍。由此他们得出细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层，和学生的解释一致，说明假说成立。

4.4构建蛋白质在磷脂双分子层中的分布模型

教师展示：1959年，罗伯特森（J.D.Robertson）利用超薄切片技术在电镜下观察到了清晰的细胞膜照片，显示暗－明－暗三层结构，因为蛋白质的密度大于脂质的密度，所以两边的暗层是蛋白质分子，中间的亮层是脂质分子。罗伯特森因此提出假说“细胞膜都由蛋白质－脂质－蛋白质这样的三明治结构组成”，他把细胞膜描述为对称且静态的统一结构。

教师提问：三明治模型与膜的功能多样性相矛盾。比如细胞的生长、变形虫的运动等现象都不好解释。因此这个模型在20世纪60年代以后遭到了许多科学家的质疑和争议，认为那么，蛋白质在磷脂双分子层中是怎样分布的？

教师提供资料：科学家利用冰冻蚀刻电子显微法，终于观察到了细胞膜结构的庐山真面目，从显微图片上可以看到蛋白质，有的嵌入磷脂双分子层中，有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的贯穿于整个凝脂双分子层。

学生结合资料，思考总结出蛋白质在细胞膜中的分布是不对称的，其嵌入、贯穿于磷脂双分子层中。

4.5细胞膜流动镶嵌模型的构建

教师提问：1970年科学通过实验证明膜上的大部分蛋白质是可以运动的，该实验是如何进行的？

教师引导学生阅读教材第43页的相关内容，并总结人鼠细胞融合实验。教师总结：至此，罗伯特森的三明治模型完全被否定，那么细胞膜究竟是怎样的结构？1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出了流动镶嵌模型，并被人们所接受。双层磷脂排布构成了细胞膜的基本骨架，蛋白质分子可以嵌入、贯穿、镶嵌在细胞膜上，且细胞膜具有流动性的结构特点。

教师引导学生根据细胞膜流动镶嵌模型的基本内容，构建细胞膜的结构模型（见图3）。

5.教学策略小结

5.1以科学史素材为情境贯穿整节进行教学内容的设计和实施

有关“细胞膜结构和功能”的内容，教材先是介绍细胞膜的功能，再以大量的科学史素材探究其结构，引导学生从直观的功能人手，再寻求匹配细胞膜“分隔细胞内、外环境，控制物质进出，进行细胞间信息交流”功能的分子结构的微观解释，形成结构与功能相适应的生物学辩证观点。

为了落实教学目标，培养学生的核心素养，教师在设计细胞结构这一教学内容时，充分利用教材和配套的教学资源中涉及的科学史素材刨设大情景，将获得纯净细胞膜的实验到膜成分及结构探索的实验串联起来，引导学生从科学家的视角回顾膜结构探究的历程。学生从科学家身上学习到科研精神和结构与功能观。

5.2通过设计问题串和度时有效的评价来提升学生科学思维的能力

教师在“细胞膜结构和功能”一节内容中，引导学生通过细胞膜功能和结构的深入学习，形成结构与功能相统一的观点，提升学生通过分析物质的结构，理解其性质和功能的抽象思维能力。因此，在设计教学内容时注重问题串的设计、学生批判性地构建模型、亲身活动体验和教师的可持续评价等环节。教师通过问题串去启发小组合作讨论回答问题，构建模型，形成构建细胞膜成分和结构的知识框架，在该过程中提升学生的科学探究能力和科学思维能力。

5.3借助教具和充实的学生活动突破重难点

学生难理解细胞膜微观结构，需借助直观教具。课堂导入用未受精鸡蛋的蛋黄引入，让学生直观感受膜的存在，激发学习热情。笔者制作了磷脂分子、蛋白质分子及多糖的卡片，用于认识磷脂分子结构和构建细胞膜模型。教学中，借助教具抓住学生思维的闪光点，突破重难点，如磷脂双分子层模型的构建，通过追问引导学生理解磷脂分子排列，最终得出细胞膜基本骨架是磷脂双分子层。

在活动中还能让学生理解科学探究的不易和科学家为追踪真理不懈努力的科学精神，引导学生努力学习并为科学发展贡献自己的力量，从而落实社会责任。