高中生物基于模型建构的深度学习

摘要：通过在实践与思考中培养学生的科学思维能力和解决问题能力，从而实现深度学习.本文以新人教版教材高中生物学必修1第三章第1节中“对细胞膜成分的探索”为例，聚焦“细胞膜中磷脂分子的结构”这一知识点，提供研究背景资料，依托“提出假说”和“模型建构”两种科学研究方法，引导学生对细胞膜中磷脂分子结构进行深度思考.

关键词：模型建构；提出假说；深度学习

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2024）27-0134-03

深度学习是在学生对原有知识浅层次理解的基础上，教师通过引导、设问、启发等方法，使学生对所学问题实现深入思考的过程［1］.模型建构是高中生物课常用的教学方法，通过学生自主建模可以将抽象的知识内容以模型的形式直观展现出来.通过建构概念模型来实现学生对于核心概念的深度理解，实现从低阶思维能力的浅层学习到高阶思维能力的深度学习［2］.

1基于深度学习的教学设计思路

1.1深度学习教学目标指向学生生物学核心素养的培养

本节课分析细胞膜组成成分与结构的关系，使学生明确细胞膜结构与功能相适应，体现了生命观念中的结构与功能观.通过提供科学史资料和自制教具，引导学生提出合理假说，并通过背景资料和已有知识分析假说是否成立，使学生真正实现自主探究过程.最终学生建构出“磷脂双分子层”物理模型，充分体现了“模型与建模”的科学思维和科学探究的核心素养.本节课使用的教具为废旧物品自制，充分体现了废物利用的环保理念，有利于培养学生的社会责任.

1.2基于模型建构的深度学习教学设计思路

教师围绕“细胞膜中磷脂分子结构的具体排列”这一知识点，以科学史资料为研究背景，以情景化的问题解决为导向.学生通过小组合作、批判评价等方式，自主建构出细胞膜磷脂双分子层物理模型，为后续学习“流动镶嵌模型”打下基础.

新教材在“细胞膜的结构和功能”这节课的教材编排上增设了更加丰富的探究科学史资料，为同学们的探究学习提供了更加丰富的资料.在对细胞膜结构的探索过程中，本节课以“组成细胞膜的多个磷脂分子的具体排列方式”这一知识点为切入点.利用小组探究建构物理模型，小组讨论分析所得模型是否合理并提出假说，从而实现学生发生深度学习的教学目标（如图1）.

2融入深度教学理念的教学活动过程

通过科学史的学习，学生已经了解细胞膜的成分主要是磷脂和蛋白质，对于磷脂分子的结构以及细胞膜中多个磷脂分子的排列结构很感兴趣，并提出多种存在的可能.本教学活动设计思路旨在解决学生心中对于上述问题的疑惑，引导学生进行深度思考，以期实现深度学习的目标.

2.1由简单到复杂提出探究问题

2.1.1分析朗缪尔实验结果，引导学生明确磷脂分子的结构

教师提供朗缪尔实验结果，引发学生思考在苯和水的介质中为什么磷脂分子的磷酸基团极性头部都进入水中？这个实验结果说明磷脂分子具有怎样的结构特点？通过小组讨论思考，学生可清晰明确磷脂分子是两性分子，具有头部亲水，尾部疏水的特点.教师给出磷脂分子结构式，肯定同学们的思考分析过程，并展示自制教具（如图2）.

2.1.2探究多个磷脂分子在“空气－水”的界面上如何排列

教师提升问题难度，在朗缪尔实验分析的基础上提供磷脂分子自制教具，引导学生小组探究“空气－水”界面上磷脂分子的排列方式.学生经过多次尝试可得到相关探究结果.基于磷脂分子是两性分子，学生认为在“空气－水”界面上多个磷脂分子呈单层排列，排列方式如图3.

2.1.3探究多个磷脂分子在“水－水”的界面上如何排列

教师继续提升问题难度，探究组成细胞膜的磷脂分子在“水－水”界面的排列方式.学生分小组讨论利用提出假说的科学研究方法共提出两种假设.

假设1：细胞膜中磷脂分子呈单层排列

学生通过小组探究共建构出三种物理模型，如图4所示.教师引导学生根据磷脂分子存在的内外水环境，以及磷脂分子本身的结构特点，分析上述三种模型是否成立，学生讨论发现三种情况都不符合磷脂分子是两性分子的特点，假设1不成立.

假设2：细胞膜中的磷脂分子呈双层排列

学生继续建构物理模型，提出细胞膜中的磷脂分子呈双层排列的假设.在此假设的基础上建构出三种物理模型，如图5.教师引导学生根据磷脂分子的结构特点和磷脂分子存在的内外液体环境，分析三种模型哪种更接近细胞膜中磷脂分子的排列方式.学生小组讨论分析后认为，第三种模型更符合细胞膜中磷脂分子的实际排列方式.即多个磷脂分子亲水的头部向背，疏水的尾部相对，呈双层排列.学生总结分析得到假说：细胞膜中磷脂分子是双层排列.

2.2分析科学家的实验结果，引导学生验证所得假说

教师提供荷兰科学家戈特和格伦德的实验结果，进一步引发学生的深入探究和思考.两位科学家提取人的红细胞中磷脂分子，将其铺展成单分子层，测得单分子层磷脂的面积约为红细胞膜表面积的2倍.教师提问：这个实验取材为什么选用人的红细胞？用这个材料的好处是什么？这个实验的结果可以得到什么结论？

学生小组讨论分析资料可得出结论：人的红细胞膜中磷脂分子呈双层排列.这个结论与学生探究得到的假说一致，学生感受到了科学家们设计实验时严谨的工作态度，体会到了科学研究之美.

3教学活动的总结与反思

本节课基于中学生已有的知识层次和深度学习的教学目标而开展，教师设计从简单到复杂的探究问题，指导学生真正体会到“提出假说”和“建构模型”两种科学研究方法的具体应用，实现课堂深度学习的教学目标.学生在建构物理模型过程中探究能力和思维能力都得到了明显提升，体悟到了科学探究的魅力与快乐，也体会到了生命观念中的结构与功能观.通过教师的自我提升与学习，希望深度学习能在每节课上发生.

参考文献：

［1］ 吴举宏.促进深度学习的中学生物学教学策略[J].生物学教学，2017，42（10）：18-20.

[2] 侯松涛.基于深度学习的高中STEM项目设计：以“模拟生物体维持pH的稳定”为例[J].中学生物学，2022，38（3）：12-14.

［责任编辑：季春阳］