摘要：在“細胞膜結(jié)構(gòu)”教學(xué)中，筆者將科學(xué)史與核心素養(yǎng)融合，通過教材的科學(xué)史素材，構(gòu)建細胞膜流動鑲嵌模型，讓學(xué)生理解結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)關(guān)系。借助演示、教具和科學(xué)探究，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建磷脂雙分子層與蛋白質(zhì)模型，直觀展現(xiàn)細胞膜結(jié)構(gòu)，發(fā)展科學(xué)思維和探究能力。同時，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神，敢于質(zhì)疑和追求真理，為科學(xué)發(fā)展貢獻力量。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；情境創(chuàng)設(shè)；模型構(gòu)建；核心素養(yǎng)

文章編號：1003-7586（2024）05-0012-04 中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)識碼：B

1教材內(nèi)容及學(xué)情分析

1.1教材分析

本節(jié)內(nèi)容是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細胞》（以下簡稱“教材”）第3章第1節(jié)“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”。“細胞膜結(jié)構(gòu)”是本節(jié)內(nèi)容的第二課時，教學(xué)重點是“細胞膜的成分和結(jié)構(gòu)的探索”。在教材及其配套的資源中含有大量科學(xué)史素材，筆者在本節(jié)新課的設(shè)計中，基于教材中對細胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索的科學(xué)史素材創(chuàng)設(shè)大情境，貫穿于整節(jié)課的教學(xué)之中。

“細胞膜結(jié)構(gòu)”的教學(xué)內(nèi)容包括了細胞膜成分探索和細胞膜的流動鑲嵌模型結(jié)構(gòu)探索兩大部分。本節(jié)中細胞膜流動鑲嵌模型的探索和探討和建立細胞膜模型的過程，以及如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點是本節(jié)課的重點和難點。

1.2學(xué)情分析

學(xué)生通過對前一章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，已經(jīng)初步認識了細胞，能夠很快進入到細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的學(xué)習(xí)中。然而，高一年級學(xué)生的邏輯思維與科學(xué)探究能力正處于發(fā)展階段，對于生物學(xué)知識的理解和應(yīng)用能力尚需進一步加強。尤其當(dāng)面對細胞膜這一既微觀又復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時，學(xué)生往往因其抽象性而感到困惑。因此，如何采用高效的教學(xué)策略，協(xié)助學(xué)生構(gòu)建細胞膜成分與結(jié)構(gòu)的直觀模型是本教學(xué)內(nèi)容的核心挑戰(zhàn)。

2對照學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，分析課程內(nèi)容

在“細胞膜結(jié)構(gòu)”的教學(xué)內(nèi)容中，教材配備資料補充了大量的科學(xué)史素材，教師可以根據(jù)教學(xué)需要進行使用。教師應(yīng)清晰定位《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中水平三和水平四的差別，避免將高三層次級的要求下移到高一，追求“一步到位”。這就需要教師對照《課程標(biāo)準(zhǔn)》，分析課程內(nèi)容（見表1）。

3教學(xué)目標(biāo)

（1）借助圖文結(jié)合的方式回顧探索細胞膜成分和結(jié)構(gòu)的科學(xué)史過程，通過建立細胞膜流動鑲嵌模型的一系列實驗說出結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，并準(zhǔn)確描述細胞膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，加強對結(jié)構(gòu)與功能觀的理解，發(fā)展生命觀念。

（2）運用細胞膜成分結(jié)構(gòu)探究的科學(xué)史情境，巧設(shè)問題，設(shè)計恰當(dāng)可行的實驗方案，探究細胞膜的基本骨架，構(gòu)建磷脂雙分子層的模型，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

（3）基于科學(xué)史素材給出的事實證據(jù)，歸納概括細胞膜流動鑲嵌模型的內(nèi)容并進行評價，訓(xùn)練科學(xué)思維。

（4）正確認識實驗技術(shù)手段的進步能夠促進科學(xué)的發(fā)展，認知到科學(xué)的發(fā)展離不開各行各業(yè)協(xié)同配合，更離不開每個時代學(xué)者的共同努力，從而落實社會責(zé)任。

4課堂實錄，片段展示

4.1以科學(xué)實驗導(dǎo)入教學(xué)，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景

科學(xué)家曾用顯微注射器將伊紅注入變形蟲，發(fā)現(xiàn)紅色擴散但未溢出，得出了細胞膜的完整性。教師模仿此實驗，用雞蛋的卵細胞（即蛋黃）代替變形蟲。蛋黃表面有蛋黃膜，即細胞膜，雖不可見但真實存在。若用注射器將紅墨水注入蛋黃，膜完整時紅墨水不溢出；膜破裂后，紅墨水則會溢出（見圖1）。教師提問：細胞膜的結(jié)構(gòu)是怎樣的？

4.2依托科學(xué)史為情境，進行細胞膜成分的探究

教師利用多媒體展示四種細胞，分別是哺乳動物的成熟紅細胞、口腔上皮細胞、植物細胞、細菌。教師問學(xué)生認為利用哪種細胞能制得較純凈的細胞膜。

學(xué)生通過閱讀教材、猜想及討論回答哺乳動物的成熟紅細胞。教師說明植物細胞和細菌有細胞壁的保護，很難讓其破裂；口腔上皮細胞有核膜和眾多的細胞器膜，得不到純凈的細胞膜，哺乳動物成熟紅細胞中沒有細胞壁、細胞核和眾多細胞器。教師講述科學(xué)家讓紅細胞吸水漲破，利用離心的方法獲得較為純凈的細胞膜。

教師利用多媒體展示展示歐文頓（E.Overton）在1895年的實驗：他測試了500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細胞通透性的影響，發(fā)現(xiàn)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)易進入細胞膜，而難溶于脂質(zhì)的則不易。

學(xué)生此時則可以從科學(xué)家視角，根據(jù)物質(zhì)相似相溶的原理和實驗的現(xiàn)象解釋膜的成分中可能含有脂質(zhì)這一結(jié)論。

教師點評：當(dāng)時歐文頓也得出一樣的結(jié)論，但這一結(jié)論只能叫“假說”。提出“假說”是科學(xué)探索中的科學(xué)方法，是根據(jù)已有的知識和信息提出解釋上述的生物學(xué)問題，再用進一步的觀察和實驗對已建立的假說進行修正和補充。

教師接著展示材料：1935年，英國學(xué)者丹尼利（J.F.Danielli）和戴維森（H.Davson）研究了細胞膜的表面張力，發(fā)現(xiàn)細胞的表面張力明顯低于油一水界面的表面張力。當(dāng)時人們已發(fā)現(xiàn)油脂滴表面如果吸附有蛋白質(zhì)成分則表面張力會降低，因此通過上述資料可推測細胞膜可能含有蛋白質(zhì)，而通過雙縮脲試劑可以檢測蛋白質(zhì)的存在。

教師總結(jié)：通過實驗探究，細胞膜的成分主要為脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，除此之外還有少量糖類。

4.3細胞膜基本支架——磷脂雙分子層的物理模型

教師可以創(chuàng)設(shè)實驗情境：假如有一個水槽，把磷脂分子放在水面上，在空氣水界面上，單層連續(xù)的磷脂分子應(yīng)該怎樣分布？

教師提問：組成細胞膜的成分是怎樣形成細胞膜的，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)磷脂分子的特點（磷脂的頭部是親水的，尾部是疏水的，且它的密度小于水的特性），利用手中的模型，推測并制作磷脂在水和空氣的接觸界面上的形態(tài)。學(xué)生展示模型，并對模型的構(gòu)建的進行闡釋。

教師點評：根據(jù)磷脂的頭部是親水的，尾部是疏水的，且它的密度小于水的特性，應(yīng)該出現(xiàn)的情況是親水頭部完全浸沒在水中，疏水尾部在空氣之中。

教師追問：如果將磷脂分子至于水一苯混合溶液，磷脂分子將會如何分布？此時學(xué)生則可以舉一反三，得出磷脂分子的“頭部”將與水接觸，“尾部”與苯接觸，磷脂分子分布成單層。

教師繼續(xù)提問：如果用玻璃棒攪拌一下，將磷脂分子攪拌到水中，此時磷脂分子就會積聚成團，此時成團的磷脂分子又是怎樣排布的？

教師引導(dǎo)：請學(xué)生根據(jù)磷脂分子的特點，利用手中的模型，推測并擺出磷脂在水中的排布方式（見圖2）。

教師追問：磷脂分子為什么會呈現(xiàn)雙層排布？

學(xué)生回答：成團的磷脂分子水槽中，其內(nèi)部有水，外部也有水，因其頭部親水，尾部疏水，只能是雙層排列才合理。

教師點評：學(xué)生的解答是一種假說，需要通過實驗進行驗證。1925年，兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的成熟紅細胞中提取脂質(zhì)，在空氣水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積剛好為紅細胞表面積的兩倍。由此他們得出細胞膜中的脂質(zhì)分子必然排列為連續(xù)的兩層，和學(xué)生的解釋一致，說明假說成立。

4.4構(gòu)建蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中的分布模型

教師展示：1959年，羅伯特森（J.D.Robertson）利用超薄切片技術(shù)在電鏡下觀察到了清晰的細胞膜照片，顯示暗－明－暗三層結(jié)構(gòu)，因為蛋白質(zhì)的密度大于脂質(zhì)的密度，所以兩邊的暗層是蛋白質(zhì)分子，中間的亮層是脂質(zhì)分子。羅伯特森因此提出假說“細胞膜都由蛋白質(zhì)－脂質(zhì)－蛋白質(zhì)這樣的三明治結(jié)構(gòu)組成”，他把細胞膜描述為對稱且靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

教師提問：三明治模型與膜的功能多樣性相矛盾。比如細胞的生長、變形蟲的運動等現(xiàn)象都不好解釋。因此這個模型在20世紀(jì)60年代以后遭到了許多科學(xué)家的質(zhì)疑和爭議，認為那么，蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中是怎樣分布的？

教師提供資料：科學(xué)家利用冰凍蝕刻電子顯微法，終于觀察到了細胞膜結(jié)構(gòu)的廬山真面目，從顯微圖片上可以看到蛋白質(zhì)，有的嵌入磷脂雙分子層中，有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的貫穿于整個凝脂雙分子層。

學(xué)生結(jié)合資料，思考總結(jié)出蛋白質(zhì)在細胞膜中的分布是不對稱的，其嵌入、貫穿于磷脂雙分子層中。

4.5細胞膜流動鑲嵌模型的構(gòu)建

教師提問：1970年科學(xué)通過實驗證明膜上的大部分蛋白質(zhì)是可以運動的，該實驗是如何進行的？

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第43頁的相關(guān)內(nèi)容，并總結(jié)人鼠細胞融合實驗。教師總結(jié)：至此，羅伯特森的三明治模型完全被否定，那么細胞膜究竟是怎樣的結(jié)構(gòu)？1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出了流動鑲嵌模型，并被人們所接受。雙層磷脂排布構(gòu)成了細胞膜的基本骨架，蛋白質(zhì)分子可以嵌入、貫穿、鑲嵌在細胞膜上，且細胞膜具有流動性的結(jié)構(gòu)特點。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)細胞膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，構(gòu)建細胞膜的結(jié)構(gòu)模型（見圖3）。

5.教學(xué)策略小結(jié)

5.1以科學(xué)史素材為情境貫穿整節(jié)進行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和實施

有關(guān)“細胞膜結(jié)構(gòu)和功能”的內(nèi)容，教材先是介紹細胞膜的功能，再以大量的科學(xué)史素材探究其結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生從直觀的功能人手，再尋求匹配細胞膜“分隔細胞內(nèi)、外環(huán)境，控制物質(zhì)進出，進行細胞間信息交流”功能的分子結(jié)構(gòu)的微觀解釋，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辯證觀點。

為了落實教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，教師在設(shè)計細胞結(jié)構(gòu)這一教學(xué)內(nèi)容時，充分利用教材和配套的教學(xué)資源中涉及的科學(xué)史素材刨設(shè)大情景，將獲得純凈細胞膜的實驗到膜成分及結(jié)構(gòu)探索的實驗串聯(lián)起來，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)家的視角回顧膜結(jié)構(gòu)探究的歷程。學(xué)生從科學(xué)家身上學(xué)習(xí)到科研精神和結(jié)構(gòu)與功能觀。

5.2通過設(shè)計問題串和度時有效的評價來提升學(xué)生科學(xué)思維的能力

教師在“細胞膜結(jié)構(gòu)和功能”一節(jié)內(nèi)容中，引導(dǎo)學(xué)生通過細胞膜功能和結(jié)構(gòu)的深入學(xué)習(xí)，形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點，提升學(xué)生通過分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，理解其性質(zhì)和功能的抽象思維能力。因此，在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時注重問題串的設(shè)計、學(xué)生批判性地構(gòu)建模型、親身活動體驗和教師的可持續(xù)評價等環(huán)節(jié)。教師通過問題串去啟發(fā)小組合作討論回答問題，構(gòu)建模型，形成構(gòu)建細胞膜成分和結(jié)構(gòu)的知識框架，在該過程中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。

5.3借助教具和充實的學(xué)生活動突破重難點

學(xué)生難理解細胞膜微觀結(jié)構(gòu)，需借助直觀教具。課堂導(dǎo)入用未受精雞蛋的蛋黃引入，讓學(xué)生直觀感受膜的存在，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。筆者制作了磷脂分子、蛋白質(zhì)分子及多糖的卡片，用于認識磷脂分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)建細胞膜模型。教學(xué)中，借助教具抓住學(xué)生思維的閃光點，突破重難點，如磷脂雙分子層模型的構(gòu)建，通過追問引導(dǎo)學(xué)生理解磷脂分子排列，最終得出細胞膜基本骨架是磷脂雙分子層。

在活動中還能讓學(xué)生理解科學(xué)探究的不易和科學(xué)家為追蹤真理不懈努力的科學(xué)精神，引導(dǎo)學(xué)生努力學(xué)習(xí)并為科學(xué)發(fā)展貢獻自己的力量，從而落實社會責(zé)任。