廣西 康 浩

5E教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式，包括吸引、探究、解釋、遷移和評(píng)價(jià)等5個(gè)環(huán)節(jié)。5E教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的探究性學(xué)習(xí)過程，較傳統(tǒng)教學(xué)模式更能激發(fā)學(xué)生的興趣，符合人的認(rèn)知規(guī)律?！耙越處煘橹鲗?dǎo)，學(xué)生為主體”的課堂模式已經(jīng)成為了主流教學(xué)模式，課堂不只是單純地為了讓學(xué)生做主而設(shè)置的，更需要教師在課堂學(xué)習(xí)和活動(dòng)中作為主導(dǎo)去培養(yǎng)學(xué)生更多方面的能力。合理運(yùn)用5E教學(xué)模式，可以更好地凸顯學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，激發(fā)學(xué)生合作探究的興趣和潛能，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以在解決問題、內(nèi)化知識(shí)以及知識(shí)遷移的過程中形成科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。本文以“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”教學(xué)為例，論述了運(yùn)用該模式逐步培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的策略。

一、教材分析

該節(jié)內(nèi)容位于人教版必修2第4章第2節(jié)，在內(nèi)容設(shè)置上既解釋了跨膜運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，又為后面學(xué)習(xí)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞降於嘶A(chǔ)。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能深刻地理解細(xì)胞膜作為細(xì)胞邊界的意義，分析和得出細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能特點(diǎn)，并利用膜的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)解釋現(xiàn)實(shí)情境和實(shí)際生活中的問題。

二、教學(xué)目標(biāo)

生命觀念：通過對(duì)圖片和模型的分析，說出膜的流動(dòng)鑲嵌模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

科學(xué)思維：通過小組交流和展示，闡釋膜的結(jié)構(gòu)，認(rèn)同科學(xué)是在不斷地探索和爭論中前進(jìn)的。

科學(xué)探究：通過制作模型，呈現(xiàn)膜的組成和結(jié)構(gòu)，加深理解；通過校園常見材料的處理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證有活性的細(xì)胞膜具有選擇透過性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

社會(huì)責(zé)任：能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)問題和社會(huì)議題進(jìn)行探討，并做出理性解釋。

三、教學(xué)策略

教師在深入研讀教師用書、教材和其他資料的基礎(chǔ)上，確定本節(jié)課要處理好的主題和主線。主題是生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型，主線是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行資料分析和科學(xué)探究。本節(jié)課利用5E教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將教學(xué)重點(diǎn)的突破放在學(xué)生身上，遵循“激發(fā)興趣、問題導(dǎo)向、探辯結(jié)合”的原則，通過呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究或模型構(gòu)建的過程，利用問題導(dǎo)向，層次探究，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、思維加工和辨析評(píng)價(jià)的能力，提升團(tuán)隊(duì)合作及表達(dá)能力，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究和科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)。

四、5E環(huán)節(jié)相互融合下的教學(xué)過程

(一)“吸引”——呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出問題

教師首先展示浸在臺(tái)盼藍(lán)溶液中的A、B兩組酵母菌細(xì)胞的放大照片，讓學(xué)生注意觀察酵母菌細(xì)胞的顏色和周圍染液的顏色。A中的酵母菌細(xì)胞不做處理(CK組)，而B中的酵母菌細(xì)胞在放進(jìn)染液之前經(jīng)煮沸處理。學(xué)生通過觀察，發(fā)現(xiàn)兩組酵母菌細(xì)胞和周圍染液的顏色有區(qū)別，CK組中酵母菌細(xì)胞未被染色，存在明顯的斑點(diǎn)區(qū)域，而B組中酵母菌細(xì)胞和周圍染料顏色幾乎融為一體，難以區(qū)分。

觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出細(xì)胞膜作為細(xì)胞邊界有控制物質(zhì)進(jìn)出的作用。從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度切入，引導(dǎo)學(xué)生分析出細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)出了問題，導(dǎo)致其不能阻礙染液的進(jìn)入。由此引入對(duì)細(xì)胞膜的組成和結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。

(二)“探究”“解釋”“評(píng)價(jià)”——重走生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷史

高一學(xué)生沒有有機(jī)化學(xué)相關(guān)的背景知識(shí)，教師介紹有機(jī)化學(xué)中“相似相溶”原理，然后播放歐文頓研究化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通過性模擬動(dòng)畫。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生認(rèn)同歐文頓所提出的膜是由脂質(zhì)組成的相關(guān)結(jié)論。同時(shí)，歐文頓利用五百多種化學(xué)物質(zhì)經(jīng)過上萬次的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷，也向?qū)W生展示了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，學(xué)生也清楚了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論應(yīng)具有普遍性。

教師接著向?qū)W生展示德國的高特和戈來德爾用丙酮抽取紅細(xì)胞膜中磷脂的實(shí)驗(yàn)過程，他們將磷脂在水面和空氣的交界面鋪成單分子層，發(fā)現(xiàn)這個(gè)單分子層的面積正好是原來紅細(xì)胞表面積的2倍。本材料是學(xué)生基于實(shí)際情境分析，最終得到膜是由兩層磷脂分子構(gòu)成的結(jié)論的關(guān)鍵，因此教師必須追問單層磷脂分子面積是原本紅細(xì)胞膜面積2倍的可能原因，以及為什么兩者不相等。教師可以利用學(xué)生常見的塑料制品——?dú)馀菽みM(jìn)行類比模擬，一個(gè)凸起的小泡代表一個(gè)磷脂分子，眾多排列在一起的小泡代表鋪在水與空氣界面之間的磷脂分子層。此時(shí)展開的氣泡膜面積是原來的2倍，那么原來最可能是怎么排列的？氣泡膜柔軟易折疊，學(xué)生可以自己動(dòng)手操作，只需將氣泡膜對(duì)折，即可很好地解釋面積差2倍的原因。從數(shù)據(jù)和模擬物上的互相印證，學(xué)生明白了生物膜由兩層磷脂分子排列的結(jié)論。

該活動(dòng)必然導(dǎo)致一個(gè)課堂生成性問題的出現(xiàn)，為接下來的科學(xué)探究做了很好的鋪墊。一個(gè)個(gè)凸起的氣泡代表一個(gè)個(gè)磷脂分子，對(duì)折氣泡膜時(shí)，是氣泡與氣泡對(duì)折相接觸，還是氣泡的背面對(duì)折相接觸？教師由此引出對(duì)磷脂分子的介紹。因?qū)W生還沒有對(duì)應(yīng)化學(xué)知識(shí)的支撐，所以教師可以直接向?qū)W生展示磷脂分子的結(jié)構(gòu)模式圖，教師首先介紹磷脂分子的結(jié)構(gòu)，磷脂是由甘油、脂肪酸和磷酸等組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，“尾”部是疏水的，并提前準(zhǔn)備磷脂分子模型，如圖1所示。通過上述氣泡膜對(duì)折的類比，學(xué)生已經(jīng)知道膜是由兩層磷脂分子構(gòu)成的，教師接著安排學(xué)生利用模型自主探究磷脂分子如何排列形成細(xì)胞膜。在探究如何排列的過程中，教師注意啟發(fā)學(xué)生分析細(xì)胞生活的環(huán)境，細(xì)胞膜內(nèi)外主要接觸的物質(zhì)。基于以上兩點(diǎn)，學(xué)生完成自主建模，如圖2所示。

圖1 教師自制磷脂分子模型

圖2 學(xué)生構(gòu)建的膜雙分子層模型

建構(gòu)該模型的探究活動(dòng)能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在構(gòu)建環(huán)節(jié)強(qiáng)化對(duì)磷脂分子的排列特點(diǎn)以及作為膜骨架的作用的相關(guān)知識(shí)。組內(nèi)探討和實(shí)施構(gòu)建過程落實(shí)了自評(píng)，小組之間的對(duì)比解疑落實(shí)了互評(píng)，整個(gè)過程很好的完成了“探究”和“解釋”。最終經(jīng)過教師科學(xué)、中肯地點(diǎn)評(píng)，可以很好地體現(xiàn)“評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)。通過本活動(dòng)，學(xué)生基本都能夠深刻理解膜是由兩層磷脂分子構(gòu)成的這一知識(shí)要點(diǎn)。最終教師展示一副模擬度更好的圖片，學(xué)生將自我構(gòu)建的模型和模擬圖進(jìn)行比對(duì)，強(qiáng)化自身記憶。

(三)“吸引”“探究”“解釋”“評(píng)價(jià)”——構(gòu)建生物膜的完整結(jié)構(gòu)

學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的相關(guān)知識(shí)后，學(xué)生知道蛋白質(zhì)是一種大分子有機(jī)物，是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。生命的物質(zhì)觀中指出，結(jié)構(gòu)都是由物質(zhì)組成的，相同的結(jié)構(gòu)具有基本相同的物質(zhì)組成。該板塊知識(shí)的掌握，使學(xué)生對(duì)各種細(xì)胞器膜以及膜系統(tǒng)的組成和功能關(guān)系會(huì)有更深層次的理解。在學(xué)生構(gòu)建好膜的磷脂雙分子層后，教師向?qū)W生展示20世紀(jì)初科學(xué)家分析生物膜成分的相關(guān)材料，科學(xué)家分離得到哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的細(xì)胞膜后，分析發(fā)現(xiàn)他可被蛋白酶(能專一地分解蛋白質(zhì))水解。分析本材料，引導(dǎo)學(xué)生得出細(xì)胞膜除了含有磷脂分子外，還含有蛋白質(zhì)分子。為幫助學(xué)生建立起知識(shí)前后的關(guān)系，教師進(jìn)一步引導(dǎo)：①蛋白質(zhì)有哪些功能？②如何鑒定蛋白質(zhì)？學(xué)生思考后進(jìn)行回答。本環(huán)節(jié)的設(shè)置可使學(xué)生回顧蛋白質(zhì)的功能，為學(xué)習(xí)細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)可能有的功能做好鋪墊。

通過以上材料分析可知，細(xì)胞膜主要由磷脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成。教師組織學(xué)生思考蛋白質(zhì)分子與磷脂分子是如何分布的，同時(shí)展示羅伯特森的電鏡觀察細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。引導(dǎo)學(xué)生觀察細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的電鏡照片，結(jié)合上文排列的磷脂雙分子層，讓學(xué)生思考和嘗試解釋出現(xiàn)“暗—亮—暗”三層結(jié)構(gòu)的可能原因，最后教師把學(xué)生的解釋與羅伯特森的解釋進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

教師播放變形蟲運(yùn)動(dòng)的視頻材料和白細(xì)胞吞噬細(xì)菌的視頻材料，再次將學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)吸引到細(xì)胞膜上。變形蟲運(yùn)動(dòng)攝食和白細(xì)胞吞噬細(xì)菌時(shí)，細(xì)胞膜都存在明顯的收縮和變形行為。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如果按照羅伯特森的“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”靜態(tài)三明治模型進(jìn)行解釋，變形蟲和白細(xì)胞的上述現(xiàn)象能否正常進(jìn)行？學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)該模型的不科學(xué)之處，從而很難解釋很多現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象。由此可推翻蛋白質(zhì)分子和磷脂分子按照上述靜態(tài)方式分布的結(jié)論。教師此時(shí)再向?qū)W生展示細(xì)胞膜冰凍蝕刻后的電鏡觀察圖，引導(dǎo)學(xué)生觀察蛋白質(zhì)分子的分布以及蛋白質(zhì)分子與磷脂分子的位置關(guān)系，一方面使學(xué)生明白蛋白質(zhì)分布的不對(duì)稱性，蛋白質(zhì)分子以鑲嵌或者貫穿的方式與磷脂雙分子層進(jìn)行排列；另一方面使學(xué)生知道學(xué)科的進(jìn)步及研究工具的迭代更新，也會(huì)促使學(xué)科研究的深入和進(jìn)步。

(四)“解釋”和“遷移”——基于事實(shí)的科學(xué)解釋和運(yùn)用

通過以上探究思考和模型構(gòu)建，學(xué)生已經(jīng)知道細(xì)胞膜不是靜態(tài)的。如何用事實(shí)證明細(xì)胞膜不是靜態(tài)的呢？教師向?qū)W生展示人的體細(xì)胞和鼠細(xì)胞融合的背景材料及動(dòng)畫演示過程，啟發(fā)學(xué)生思考，人的體細(xì)胞和鼠細(xì)胞不但融合在了一起，且被不同熒光染料標(biāo)記的膜蛋白最終均勻分布在了人鼠雜交細(xì)胞上。學(xué)生很容易分析得出細(xì)胞膜是可以“動(dòng)”的，膜上的蛋白質(zhì)分子也是可以“運(yùn)動(dòng)”的，否則兩種細(xì)胞無法融合，被不同熒光染料標(biāo)記的膜蛋白也不會(huì)均勻地分布。在此基礎(chǔ)上，將知識(shí)遷移到上一章學(xué)習(xí)的“分泌蛋白的形成”和“生物膜系統(tǒng)”當(dāng)中，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的囊泡可以和高爾基體融合，高爾基體形成的小泡可以和細(xì)胞膜融合，最終完成胞吐的過程。學(xué)生可以從本質(zhì)上進(jìn)行回答，因?yàn)檫@些細(xì)胞器和細(xì)胞結(jié)構(gòu)是由生物膜構(gòu)成的，而生物膜的成分和結(jié)構(gòu)幾乎一樣，因此它們從物質(zhì)和結(jié)構(gòu)上具有一致性，加之生物膜是流動(dòng)的而非靜態(tài)的，因此它們之間可以融合，生物膜系統(tǒng)才可以在結(jié)構(gòu)和功能上緊密聯(lián)系，保證細(xì)胞生命活動(dòng)高效、有序地進(jìn)行。囿于高中生的認(rèn)知水平和探究水平，教師應(yīng)明確告知學(xué)生構(gòu)成生物膜的磷脂分子都可以運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)的方式多種多樣，而蛋白質(zhì)分子大部分是可以運(yùn)動(dòng)的，少部分蛋白質(zhì)分子的位置是固定不變的。最后教師向?qū)W生介紹人類運(yùn)用膜的流動(dòng)性開展的實(shí)際工作。例如研究者根據(jù)生物膜的特性，將磷脂制成很小的小球，讓這些小球包裹著藥物，運(yùn)輸?shù)交疾〔课?，通過小球膜和“病灶”細(xì)胞膜的融合，將藥物送入細(xì)胞內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)殺死病變細(xì)胞或病菌，達(dá)到治療疾病的目的。日本學(xué)者就利用此法將相關(guān)酶包裹在人工膜里，用于克服血腦屏障，治療神經(jīng)節(jié)苷脂儲(chǔ)積癥。

教師最后總結(jié)本節(jié)內(nèi)容的展示材料和學(xué)生的探究活動(dòng)，梳理整個(gè)膜結(jié)構(gòu)的探索歷史，提出目前普遍認(rèn)可的生物膜結(jié)構(gòu)模型——流動(dòng)鑲嵌模型。給出流動(dòng)鑲嵌模型的示意圖，引導(dǎo)學(xué)生再次回顧各部分的名稱和分布特點(diǎn)，歸納形成流動(dòng)鑲嵌模型的特點(diǎn)：①磷脂雙分子層構(gòu)成膜的基本骨架，且具有流動(dòng)性；②蛋白質(zhì)分子有的鑲在磷脂雙分子層表面，有的嵌入磷脂雙分子層中，有的則貫穿于整個(gè)磷脂雙分子層，這些蛋白質(zhì)分子大部分可以運(yùn)動(dòng)，有的則固定不動(dòng)；③磷脂雙分子層與上文中提到的模型的差別在于膜上還有少量的多糖成分，多糖往往與膜表面的蛋白質(zhì)結(jié)合成為糖蛋白，其主要起到保護(hù)、潤滑和識(shí)別的作用。膜上蛋白質(zhì)種類和數(shù)量越多，膜的功能就越復(fù)雜。磷脂和蛋白質(zhì)分子結(jié)合緊密，構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)部與外界的致密保護(hù)層，細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸功能依賴于膜成分和結(jié)構(gòu)的完整，如果破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，細(xì)胞則會(huì)失去選擇透過性，細(xì)胞的生命也不再存在。

(五)“探究”與“解釋”——檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效

膜的成分和結(jié)構(gòu)完整、有活性是細(xì)胞膜具備選擇透過性的前提。結(jié)合學(xué)生對(duì)知識(shí)的積累，學(xué)生知道可以通過蛋白酶分解蛋白質(zhì)，也知道高溫可以使蛋白質(zhì)變性。基于此，教師可以讓學(xué)生利用校園中常見材料，用最簡單的方法驗(yàn)證細(xì)胞膜的選擇透過性。本環(huán)節(jié)基于生活實(shí)際和實(shí)驗(yàn)的可操作性，為學(xué)生提供身邊易得的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過討論形成探究方案，利用常溫水和沸水浸泡三角梅花瓣，如果色素外滲，則證明高溫破壞了膜的結(jié)構(gòu)，使膜失去選擇透過性，此方案簡單易操作，且現(xiàn)象明顯，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。在此結(jié)果上，教師可以讓學(xué)生解釋水變紅的原因，大部分學(xué)生都能從膜成分或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變導(dǎo)致膜失去選擇透過性這一角度進(jìn)行分析，同時(shí)這也證實(shí)了膜成分和結(jié)構(gòu)完整是其具有選擇性的前提。通過學(xué)生的分析和設(shè)計(jì)，可以初步形成結(jié)構(gòu)與功能觀以及生命的物質(zhì)觀。如此，許多類似的現(xiàn)實(shí)問題，學(xué)生都可以觸類旁通。這種方式也為接下來學(xué)生學(xué)習(xí)“跨膜運(yùn)輸”和“內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持”做好鋪墊，可以為學(xué)生建立起知識(shí)間的橫向聯(lián)系。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)的驗(yàn)證膜的選擇透過性簡易實(shí)驗(yàn)

五、結(jié)語

較之于傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式，5E教學(xué)模式是強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主構(gòu)建的探究式教學(xué)。該教學(xué)模式關(guān)注學(xué)生參與、探究、解釋和知識(shí)的遷移，課程實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，注重過程的教學(xué)，本節(jié)課主要圍繞以下幾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：①探究教具取材于生活，操作簡便，易激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的欲望；②分組探究，每位同學(xué)都有參與和表達(dá)的機(jī)會(huì)，課堂氛圍良好；③重視學(xué)生對(duì)材料或?qū)嶋H情境的分析，以問題為導(dǎo)向，不斷驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考，基于事實(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度理解，建立起知識(shí)間的橫向連接；④對(duì)每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行及時(shí)有效的評(píng)價(jià)，不僅有教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，也有組內(nèi)和組間的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的過程是學(xué)生內(nèi)化和整合已有知識(shí)并做出判斷的過程，學(xué)生只有內(nèi)化了知識(shí)才能真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和運(yùn)用。