馮奎

1 《生物膜的流動鑲嵌模型》的教學設(shè)計

以2020年12月16日—18日在舟曲一中生物教研組同課異構(gòu)活動為契機，以高一級同課異構(gòu)的教學課題為載體，通過大家的通力合作、全身心地投入共同研討出適合我校學生的生物科學史的教學策略之一，以《生物膜的流動鑲嵌模型》為例，總結(jié)高中生物學中適合用模型建構(gòu)法教學的教學內(nèi)容。充分挖掘科學史教學中的育人功能，促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的提升。

1.1 教學內(nèi)容分析

《生物膜的流動鑲嵌模型》是人教版高中生物必修一第四章第二節(jié)的內(nèi)容，在此之前學生已經(jīng)通過細胞膜這節(jié)內(nèi)容的學習知道了細胞膜主要是由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)（磷脂）構(gòu)成的，本節(jié)課的重點是沿著科學家的足跡構(gòu)建出膜的物理模型，總結(jié)特點，構(gòu)建其概念模型，鞏固內(nèi)容。本節(jié)課的內(nèi)容為生物科學史范疇，《生物膜的流動鑲嵌模型》這節(jié)課中含有眾多的科學實驗和科學家的探究思路，同時包含了科學家的科學精神和科學探究方法以及科學思維，并且通過羅伯特森提出的生物膜的靜態(tài)三明治模型以及科學家后來的質(zhì)疑體現(xiàn)了科學家的質(zhì)疑精神，從生物膜流動鑲嵌模型的構(gòu)建過程和當今仍在對膜結(jié)構(gòu)的探索補充很好地體現(xiàn)了生物學的發(fā)展正在路上，對膜結(jié)構(gòu)的認知是動態(tài)發(fā)展的觀念，利用近幾年在膜結(jié)構(gòu)探索方面取得的諾貝爾獎成就引導學生關(guān)注生物學科的發(fā)展，通過尿毒癥等疾病的治療方式引導學生關(guān)注膜結(jié)構(gòu)與人類身體健康的關(guān)系。本節(jié)內(nèi)容是落實生物學學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。但是，結(jié)合我校學生實際，生物課程內(nèi)容一般都比較緊張，平時也沒有實驗員的輔助，再加上學生大多數(shù)都會選擇文科，因而對生物課的學習積極性不高，而且對于生物膜結(jié)構(gòu)的探究歷程也幾乎不會在學業(yè)水平考題中涉及，教師一般也不會花費太多的教學時間去探究這部分內(nèi)容的教學。根據(jù)調(diào)查我校教師對這部分內(nèi)容一般采取的教學方式是讀課本記住生物膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，對它的探究歷程一度弱化處理，而這樣做的結(jié)果是只重結(jié)果不重過程，學生錯過了對這部分內(nèi)容的深刻理解，教師也表示對這部分內(nèi)容教學處理時“犯難”。通過此次活動高一年級組兩天四位教師四節(jié)課的展示交流，讓我們對這部分的教學方式更加明確，思路更加清晰。

1.2 教學設(shè)計

（1）教學目標

①利用課前準備的教學材料，在教師的引導下逐步構(gòu)建生物膜的流動鑲嵌模型的物理模型（基于模型構(gòu)建的科學思維）。

②結(jié)合構(gòu)成膜的分子特點，說出膜的結(jié)構(gòu)特點和功能特點（結(jié)構(gòu)和功能相適應的生命觀念）。

③通過概念圖總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容（基于歸納總結(jié)的科學思維）。

④通過分析探究歷程，引導學生認同科學探究的客觀艱辛和主觀能動，對學生的思維方式和學習進取精神產(chǎn)生積極的影響。

通過對生物膜流動鑲嵌模型的探究實驗的設(shè)計實驗結(jié)果的質(zhì)疑，認同任一科學概念的提出都是合作的結(jié)果，也讓學生感受到科學探究過程的艱辛。

（2）課前準備

材料：教師可以和學生一起準備好做磷脂分子和蛋白質(zhì)以及多糖和脂質(zhì)模型的材料，可以是磁力紙、橡皮泥、便利貼，雞蛋殼、藥丸殼等。課前分好小組，上課按照學習小組就座。

（3）教學過程

①舊知導入

回顧細胞膜的功能，通過細胞膜的制備這一節(jié)可知細胞膜的主要成分，那么它們是怎樣構(gòu)成細胞膜的，構(gòu)成的膜又是怎樣的結(jié)構(gòu)呢？

意圖：由結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點引導學生思考細胞膜的結(jié)構(gòu)組成。

②生物膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

回顧生物膜系統(tǒng)的組成，關(guān)于細胞膜的結(jié)構(gòu)是多位科學家通過多領(lǐng)域的合作得到的結(jié)果。通過科學家的研究發(fā)現(xiàn)其他生物膜的結(jié)構(gòu)和細胞膜的結(jié)構(gòu)基本相同，把這些膜的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為生物膜系統(tǒng)，把這一過程稱為生物膜系統(tǒng)的探究歷程。

意圖：通過教師闡述讓學生明白各種膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，以防在學生學習過程中存在：到底探究的是細胞膜的結(jié)構(gòu)還是其他膜結(jié)構(gòu)的疑問。

③生物膜系統(tǒng)的探究歷程

引導學生邊看課本內(nèi)容邊根據(jù)各個小組準備的實驗材料逐步構(gòu)建膜的物理模型。

意圖：通過教師引導，先是每個同學分別構(gòu)建磷脂分子的結(jié)構(gòu)，再分組合作構(gòu)建磷脂分子在空氣水界面的分布，再結(jié)合實驗構(gòu)建磷脂分子在細胞膜上的可能分布，結(jié)合實驗結(jié)果修正每個小組的模型，根據(jù)實驗結(jié)論構(gòu)建蛋白質(zhì)在細胞膜上的分布，最后通過資料補充膜上的糖脂和糖蛋白。再結(jié)合研究結(jié)果觀看生物膜的流動鑲嵌模型的動態(tài)圖示，利用概念圖的形式總結(jié)生物膜的流動鑲嵌模型的主要內(nèi)容，總結(jié)膜的流動鑲嵌模型結(jié)構(gòu)和特點。通過對膜研究新進展的諾貝爾獎獲獎情況引導學生認識到膜結(jié)構(gòu)的研究還在動態(tài)進行中。通過模型構(gòu)建讓學生逐步在修正中自己動手制作出膜的物理模型，再結(jié)合科學史不斷修正和完善模型的過程中認識到科學家的研究工作也是在探索中前進的，通過羅伯特森構(gòu)建的蛋白質(zhì)分布的呈現(xiàn)和相關(guān)生命現(xiàn)象的分析讓學生認識到科學家的研究結(jié)果也不是永遠正確的，有利于學生形成批判性思維。

本設(shè)計通過物理模型、概念模型的構(gòu)建出膜的結(jié)構(gòu)，結(jié)合細胞膜的功能認識到膜結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀念。在逐步修正中體驗科學研究方法和新技術(shù)對研究的推動作用。

④總結(jié)生物膜的結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上自己構(gòu)建的生物膜的模型，構(gòu)建概念圖；出示桑格和尼克森的總結(jié)并觀看動畫再次強化理解記憶。并且根據(jù)資料補充膜的結(jié)構(gòu)還有糖蛋白、糖脂，補充其功能和糖蛋白的分布。

意圖：鞏固加強，通過動畫效果直觀呈現(xiàn)膜的流動特點。

（4）教學反思

本節(jié)課結(jié)合學生的實際情況，沿著科學家對生物膜結(jié)構(gòu)的探究歷程逐步引導學生構(gòu)建生物膜結(jié)構(gòu)的物理模型和概念模型，通過小組構(gòu)建模型的方式學生能夠合作探究，再逐步構(gòu)建的過程中體會科學家探究的方法。最后隨著科學家的步伐，每個小組都逐步構(gòu)建出了生物膜的流動鑲嵌模型，而最終在總結(jié)時通過概念圖的方式加深對流動鑲嵌模型的理解，通過這樣的教學設(shè)計能夠讓學生逐步加深對科學史內(nèi)容的理解。更重要的是在生物學教學中，有很多類似科學史內(nèi)容的教學，如DNA的分子結(jié)構(gòu)等都可以借用本節(jié)課的教學模式。通過這節(jié)課的研討我們也發(fā)現(xiàn)了教師在平時教學中的一些細節(jié)問題，如，做磷脂分子的雙層排列時，內(nèi)外側(cè)的磷脂分子數(shù)目應該一樣多，而有的教師沒有注意這個細節(jié)，那么這個模型需要教師注意，另外我們的學生做的模型有的比較粗糙，反映出學生存在不注重細節(jié)的不良習慣，這也需要教師在教學中注意引導，學生在構(gòu)建模型的過程中出現(xiàn)的一些錯誤嘗試都成了珍貴的教學資源。

（5）利用模型建構(gòu)法教學的主要內(nèi)容和基本策略

①高中生物學教材中可用模型建構(gòu)法教學的內(nèi)容概要（見表1）

②這三節(jié)內(nèi)容的教學策略分析

關(guān)于生物膜的流動鑲嵌模型和DNA的分子結(jié)構(gòu)教學中都是課前轉(zhuǎn)杯實驗材料，課堂中沿著教師的引導逐漸構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)，在試錯中不斷完善模型結(jié)構(gòu)，結(jié)合自己制作的模型自己歸納總結(jié)分子結(jié)構(gòu)特點，教師完善，最后利用概念圖的形式總結(jié)模型內(nèi)容和特點，整體回顧本節(jié)課的主要內(nèi)容。總之，這兩節(jié)內(nèi)容都使用了模型建構(gòu)法逐一突破難點，突出重點。具體策略是物理模型構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)，概念模型總結(jié)本節(jié)主題，利用數(shù)學模型加深模型理解（如堿基互補配對的計算，一層膜由兩層磷脂分子構(gòu)成）。對于DNA重組技術(shù)的模擬主要是通過用簡易的含堿基紙條、剪刀、膠帶，完成基因的剪切、粘貼，從而理解基因工程的過程和原理。

2 同位素標記法在高中生物教學中的應用研究

2.1 同位素標記法

課本中的同位素標記法是指通過追蹤同位素標記的化合物，弄清化學反應的詳細過程的方法，可用于追蹤物質(zhì)的運行和變化規(guī)律，被標記的化合物性質(zhì)不會發(fā)生變化。本實驗的目的是通過設(shè)計利用放射性同位素32P或非放射性同位素15N標記的方法探究DNA的復制方式理解同位素標記法的應用并對高中階段的同位素標記法進行總結(jié)深化。

2.2 探究DNA分子的復制

探究DNA分子的復制方式是通過實驗設(shè)計和實驗預測說出DNA分子的復制方式，教材提供的方法是同位素標記法，但是筆者發(fā)現(xiàn)在這一節(jié)課后學生對同位素標記法在這節(jié)課中的應用普遍都有疑問：為什么不通過檢測實驗結(jié)果中DNA的放射性來得出結(jié)論呢？很顯然存在這樣困惑的主要原因是同學們對同位素標記法的應用存在疑問。在本節(jié)課中筆者通過給學生給定實驗材料和實驗用具，根據(jù)學生的實驗設(shè)計解決學生的困惑，說明該方法的應用有效。

（1）實驗材料和實驗用具

大腸桿菌；含有32P的化學培養(yǎng)基；含有31P的化學培養(yǎng)基；含有15N的化學培養(yǎng)基；含有14N的化學培養(yǎng)基；帶有紅色（或綠色）熒光標記的核苷酸培養(yǎng)基；離心機；放射檢測裝置；熒光顯微鏡

根據(jù)所學知識，利用上述材料小組合作完成探究DNA分子復制方式的實驗設(shè)計，并預測各種方法可能的實驗預測結(jié)果，根據(jù)結(jié)果說明復制方式。

（2）給定材料設(shè)計意圖

本實驗設(shè)計所給材料中應該牽扯到兩類三種方法的檢測，但不是每種方法都合理，需要學生依次認真分析并辨析，最終根據(jù)自己已有的實驗設(shè)計方法和思路確定最佳合理的設(shè)計方案。

①同位素標記法

本實驗給定材料中給出了兩種可標記的同位素，其中一種是放射性同位素32P，另一種是非放射性同位素15N。

a.放射性同位素32P標記法

如果選擇用放射性同位素32P標記，則讓大腸桿菌復制1次和2次之后，分別離心后用放射檢測裝置檢測放射性，通過半保留和全保留復制預測應該如下。

結(jié)果預測：如為全保留復制，復制一次離心檢測放射性的結(jié)果為：有兩條帶，重帶有放射性。輕帶沒有放射性；兩代后的結(jié)果：3/4的輕帶和1/4的重帶，重帶有放射性，輕帶沒有。如為半保留復制則復制1次后離心檢測放射性結(jié)果應為：1條帶，為中帶，有放射性；復制兩次后：兩條帶，輕帶無放射性，中帶有放射性。

b.非放射性同位素15N 標記法

結(jié)果預測如課本。

②熒光標記法

先用紅色或綠色熒光標記的大腸桿菌分別在普通培養(yǎng)基培養(yǎng)一代和兩代，離心后檢測不同條帶的熒光標記情況無法辨別，因為本實驗原理是根據(jù)親子代DNA分子的質(zhì)量不同進行區(qū)別的，如果是熒光標記無論哪種復制方式親子代DNA分子的質(zhì)量沒有差異因此無法分辨，因此該方案被否定。

（3）方法分析

由實驗設(shè)計及預測可以看出用同位素標記法可行，而用熒光標記法無法辨別復制方式，而同位素標記法中的放射性標記和非放射性標記可以不通過放射性直接得出預測結(jié)果和結(jié)論，因此用放射性檢測技術(shù)實屬多余，讓學生通過這樣的設(shè)計深刻理解本設(shè)計的核心原理是通過復制一代和兩代之后的質(zhì)量差異確定復制方式的，并通過這樣的設(shè)計讓學生還原了科學家在當時可能的思維過程及得出此設(shè)計方案的艱辛與科學家的科學精神，最重要的是通過“多余”的放射性同位素32P的標記法明白同位素標記法的兩種標記類型和應用特點，并對課本中已學過的同位素標記法應用歸類總結(jié)如表2。

3 基因在染色體上的設(shè)計思路

3.1 教學設(shè)計思路

先讓學生課前回顧孟德爾的遺傳定律中基因的行為變化及減數(shù)分裂過程中染色體的行為變化，找到兩者的存在方式、存在特點以及在體細胞中的存在及減數(shù)分裂中的存在特點，完成表格。

學生回顧舊知，概括歸納總結(jié)染色體和基因變化的相似性，說出兩者可能的關(guān)系。教師介紹類比推理法。初步得出基因在染色體上的推論。提出疑問：怎樣證明你的推論呢？對于微觀的基因要與宏觀的染色體聯(lián)系起來，用觀察等的方法是不可取的，應該設(shè)計實驗驗證推論，怎樣設(shè)計實驗呢？引導學生思考？這是一個較難的實驗設(shè)計，并且是遺傳學實驗，要隔代統(tǒng)計結(jié)果，由此教師引入科學家的探究足跡，分析摩爾根的實驗結(jié)果，以及控制眼色基因在染色體上可能存在的幾種情況。讓學生對每種結(jié)果進行推測并與摩爾根的實驗結(jié)果對應，對每種結(jié)果進行分析，最終得出其基因位于X染色體上的結(jié)論。為了驗證結(jié)論的可靠性，還應設(shè)計怎樣的實驗進行驗證？學生提出測交的實驗設(shè)計，教師分析哪種設(shè)計是合理的，告訴學生摩爾根也進行了測交實驗，并能夠驗證控制果蠅眼色的基因確實是位于X染色體上的。由此介紹科學家用同樣的方法發(fā)現(xiàn)了越來越多的基因是位于不同的染色體上的，最終的基因位于染色體上的結(jié)論。最后介紹現(xiàn)代科技將染色體與基因一一對應的方法，從而對孟德爾的遺傳定律重新解釋，體驗科學的探究過程。

3.2 實現(xiàn)各個維度核心素養(yǎng)的教學設(shè)計和分析

（1）生命觀念

通過得出基因在染色體上的結(jié)論，深刻理解生物的遺傳有一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，控制生物遺傳的是位于染色體上的一個個基因，并能從宏觀和微觀上把握基因和染色體的統(tǒng)一性，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點。

（2）科學思維

在學生完成課前表時，學生根據(jù)提示歸納總結(jié)出基因和染色體的共性，培養(yǎng)學生歸納總結(jié)的能力。在此基礎(chǔ)上引導學生得出基因和染色體的關(guān)系，提出基因是否在染色體上這樣的疑問，順勢探究基因到底在不在染色體上的科學探究，經(jīng)典實驗再現(xiàn)，結(jié)合性染色體的研究給出控制果蠅眼色的基因可能在性染色體上的四種存在可能，依次對實驗結(jié)果分析，得出結(jié)論。

（3）科學探究

通過假說演繹的方法，體驗科學家在得出相關(guān)結(jié)論時的一般方法，重現(xiàn)科學探究的思路思維，幫助學生形成科學探究的思維習慣。

（4）社會責任

通過實驗探究得出了基因在染色體上，那么基因在染色體上是怎樣排列的呢？教師引導學生說出確定基因在染色體上的方法，讓學生感受科學技術(shù)的進步對科學發(fā)展的貢獻，從而引發(fā)學生關(guān)注生物技術(shù)的發(fā)展，了解科學技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)實生活的聯(lián)系。