周茜

摘要 以“細胞膜的流動鑲嵌模型”的探究教學為例，探索滲透科學本質(zhì)教育的教學策略，指出科學史學習是滲透科學本質(zhì)教育，落實生物學學科核心素養(yǎng)的重要途徑。

關(guān)鍵詞 科學本質(zhì)教育 教學策略 生物核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

1科學本質(zhì)與科學本質(zhì)教育

將科學本質(zhì)作為科學教育的內(nèi)容和目標之一，是一些發(fā)達國家極力提倡的，也是國際科學課程改革的趨勢。美國的《新一代科學教育標準》對“科學本質(zhì)”的教育提出了明確要求。《新一代科學教育標準》對科學本質(zhì)的論述是：科學研究使用多種方法;科學知識基于經(jīng)驗證據(jù);科學知識是開放的，可以修正;科學模型、規(guī)律、機制和理論能夠解釋自然現(xiàn)象;科學是一種認識方式;科學知識呈現(xiàn)了自然系統(tǒng)的有序性和一致性;科學是人類的嘗試與努力。《面向全體美國人的科學》則從科學世界觀、科學探究活動和科學事業(yè)3個方面對科學的本質(zhì)進行了闡述?！犊茖W教育的原則和大概念》一書也給出了關(guān)于科學的3個大概念，即科學認為每一種現(xiàn)象都具有一個或多個原因;科學上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與事實最為吻合的;科學的應(yīng)用經(jīng)常會對倫理、社會、經(jīng)濟和政治產(chǎn)生影響。

近年來，隨著課程改革的不斷深化，科學本質(zhì)教育在我國中小學科學教育中也日益得到關(guān)注。對科學本質(zhì)的理解已成為學生科學素養(yǎng)的重要組成?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）指出：高中生物學課程是自然科學課程，學生在學習該課程中不僅要獲得諸如細胞、遺傳、進化等生物學方面的知識，還應(yīng)該學習一些“關(guān)于自然科學的知識”。在科學教育領(lǐng)域，“關(guān)于自然科學的知識”也被稱為“科學本質(zhì)”。在高中生物教學中滲透科學本質(zhì)教育已成為一線教師積極開展課堂教學改革，落實核心素養(yǎng)的新課題。“細胞膜的流動鑲嵌模型”是1972年桑格和尼克森提出的。模型的建立歷經(jīng)幾十年幾代科學家的不斷探索。其間，有基于細胞膜透性實驗的化學分析，有基于成像技術(shù)運用的邏輯推理與建模。筆者在教授“細胞膜的結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)時，嘗試滲透科學本質(zhì)教育。

2滲透科學本質(zhì)教育的教學策略

2.1基于事實的科學論證

科學是要求邏輯的。碎片式的事實無法幫助學生形成嚴密的邏輯思維。教師需要梳理科學史中相關(guān)的科學事實，選擇模型建構(gòu)過程中的關(guān)鍵事實，提出膜結(jié)構(gòu)建構(gòu)過程中需要解決的3個核心問題。即，膜的化學組成是什么？膜分子的分布特點如何？膜是靜止的還是流動的？并引導(dǎo)學生運用已有的或提供的相關(guān)知識，開展論證。

針對“膜的化學組成”，教師選擇了“1895年的歐文頓細胞膜物質(zhì)通透性實驗”和“20世紀初的紅細胞膜成分化學分析實驗”兩個實驗資料。針對高一學生沒有相關(guān)有機化學的背景知識，教師同時介紹了“相似相溶”的化學原理。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學生根據(jù)事實得出推論，并解釋形成推論的理由?？茖W知識僅僅靠推論是沒有說服力的，還需要對推論進行驗證。教師適時要求學生根據(jù)已有知識提出驗證的方案。由此，學生獲得膜主要是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成，脂質(zhì)主要是磷脂分子。科學論證的過程是批判質(zhì)疑的過程，也是辯論和認同的過程。在論證過程，學生理解了“科學研究使用多種方法”“科學工作依賴觀察和推論”，也認同了“科學知識可能隨著研究的深入而改變”。

針對“膜是靜止的，還是流動的”的討論時，教師首先組織持兩個不同觀點的學生進行辯論，要求學生基于事實進行思考。學生提出了變形蟲的攝食與運動行為、精卵融合及細胞的生長等現(xiàn)象，在辯論過程中，達成共識：細胞膜應(yīng)該是流動的。當然，學生認為只有現(xiàn)象不足以證實膜的流動性，還需要實驗證明。在這樣的任務(wù)驅(qū)動下，教師提供了“熒光標記人鼠細胞融合實驗”，指導(dǎo)學生結(jié)合相關(guān)問題。例如，科學家是如何給膜蛋白進行標記的？標記了膜上的什么分子？運用了什么原理？實驗現(xiàn)象是怎樣的？根據(jù)實驗現(xiàn)象，可以得出什么結(jié)論？緊接著，教師補充介紹了“朗姆瓦的磷脂分子實驗”，幫助學生了解膜的基本骨架磷脂雙分子層的運動方式。學生從而理解膜的流動性是磷脂分子和部分蛋白質(zhì)分子運動體現(xiàn)的。

2.2基于推論的科學建模

建模是科學研究的方法之一。學生的建?；顒蛹仁求w驗“像科學家一樣探究”的過程，也是評價學生對事實的抽象和知識的理解的方法。如何指導(dǎo)學生科學建模，避免只有模仿，沒有思維的“偽建?！保窟@就要求教師既要給予知識和方法的支持，也要給學生獨立思考與建模的時間和空間，鼓勵學生勇于嘗試，大膽質(zhì)疑，積極合作與交流。

本節(jié)課設(shè)計了2個建?；顒?。

1建構(gòu)膜的基本骨架。教師首先介紹磷脂分子的結(jié)構(gòu)，分析磷脂分子的雙親性質(zhì)，并提前準備磷脂分子模型，如圖1所示。接著，提供“1925年荷蘭科學家的紅細胞膜脂質(zhì)展層實驗”，并要求學生以紅細胞為例，小組合作共同完成磷脂分子層的排列模型。在小組討論過程中，教師啟發(fā)學生分析細胞膜內(nèi)外側(cè)所處的真實環(huán)境。學生基于推論和磷脂分子的化學特性及細胞膜所處環(huán)境，自主建模，如圖2所示。

2構(gòu)建膜蛋白質(zhì)的分布模型。教師提供“1959年羅伯特森的電鏡觀察實驗”和“20世紀60年代細胞膜冰凍蝕刻后電鏡觀察圖”兩個資料，組織學生根據(jù)事實提出模型、交流思想。在思維碰撞的過程中，學生體驗到掃描技術(shù)的發(fā)展為人類認識科學提供了可靠的證據(jù);同時，認識到蛋白質(zhì)分布的不對稱性，蛋白質(zhì)分子或鑲于或嵌入或貫穿于磷脂雙分子層。學生利用教師提供的蛋白質(zhì)模型完成建模，如圖3所示。

在建?；顒又?，學生理解了“科學是多學科共同研究發(fā)展的，技術(shù)發(fā)明推動科學不斷發(fā)展”，認同“科學是需要證據(jù)的”“科學是邏輯和想像的融合”等科學本質(zhì)。

2.3基于模型的科學解釋

科學是對現(xiàn)象的研究，科學模型、規(guī)律、機制和理論能夠解釋自然現(xiàn)象。解釋現(xiàn)象的過程可以幫助學生更加深入地理解模型。教師在學生建模后，又演示了兩個實驗現(xiàn)象：

1植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象實驗;

2小鼠肝細胞在體外培養(yǎng)一段時間后，培養(yǎng)液中的氨基酸、葡萄糖和尿素含量發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。

師生共同討論分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，認識到“細胞膜可以控制物質(zhì)的進出”，進而結(jié)合膜結(jié)構(gòu)模型對其進行合理的解釋。學生從而理解膜的選擇透過性與膜蛋白質(zhì)有密切關(guān)系。緊接著，教師提出：根據(jù)磷脂雙分子層內(nèi)部的疏水性，你認為水可以快速自由地通過細胞膜嗎？在學生產(chǎn)生思維沖突時，教師介紹了水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，幫助學生進一步理解膜蛋白的特定功能。

3滲透科學本質(zhì)教育的實踐思考

3.1科學史學習是滲透科學本質(zhì)教育的重要載體

科學史是從時間維度概述科學發(fā)展的歷程?？茖W史本身就證實了科學是不斷發(fā)展的。對于生物科學而言，任何一個大概念的形成都是基于一個個科學實驗，進行邏輯判斷，質(zhì)疑批判，不斷改進修正而發(fā)展起來的，如光合作用的過程、生長素的促進作用以及DNA是主要的遺傳物質(zhì)。學生在學習這些生物大概念的發(fā)現(xiàn)史的同時，必然形成了“科學工作依賴觀察和推論”“科學工作采用基于實證的范式”“科學是創(chuàng)造性的工作”“科學工作中要高度關(guān)注主觀因素的影響”等關(guān)于科學的知識。

3.2科學本質(zhì)教育是落實生物學學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容

新課標指出：生物學學科核心素養(yǎng)是學生在解決真實情境中的生物學問題時所表現(xiàn)出來的必備品格、關(guān)鍵能力和價值觀念。生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。那么，如何在生物課堂中有效落實生物學學科核心素養(yǎng)？科學本質(zhì)教育是生物課堂的教學內(nèi)容，也是教學途徑?！睹嫦蛉w美國人的科學》中闡述的科學哲學觀“世界是可被認知的;科學理念是會變化的;科學知識的持久性;科學不能為所有問題提供完整答案”，本身就是生命觀念的一部分。學生在學習細胞膜結(jié)構(gòu)模型、光合作用的發(fā)現(xiàn)史和生長素的發(fā)現(xiàn)史的過程中，也逐步形成了結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念。

當學生像科學家一樣，基于生物學事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探究細胞膜結(jié)構(gòu)模型、光合作用的過程等大概念時，也培養(yǎng)了科學思維和科學探究能力。不僅如此，科學史中還蘊含著科學家尊重科學事實的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和執(zhí)著探究的精神?？茖W家對科學孜孜以求，不懈追求，用科學造福人類，創(chuàng)造美好生活的理想信念就是社會責任的重要體現(xiàn)。

對科學本質(zhì)的理解是學生科學素養(yǎng)重要組成部分，科學史學習是滲透科學本質(zhì)教育的重要載體，也是落實生物學學科核心素養(yǎng)的必然選擇。

參考文獻：

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