借用科學(xué)發(fā)展史提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)-以“生物膜的流動鑲嵌模型”為例 論文

借用科學(xué)發(fā)展史，提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)——以“生物膜的流動鑲嵌模型”摘要：生物學(xué)知識都是科學(xué)家漫長探究歷程的積累和發(fā)展，是許多科學(xué)家奉獻(xiàn)的見證，生物學(xué)概念也是在科學(xué)家的探究歷程中不斷修改和完善物學(xué)知識時重走科學(xué)發(fā)展史之路，不單有助于知識點(diǎn)的理解，構(gòu)建有靈魂的核心概念，還能重溫科學(xué)探索的思路，學(xué)習(xí)科學(xué)家的探索方法，幫助學(xué)生維和科學(xué)探究能力，更能感受到科學(xué)家為知識不斷嘗試和不怕失敗的精神，為之后的學(xué)習(xí)和科研找到榜樣。關(guān)鍵詞：科學(xué)史，核心素養(yǎng)，流動鑲嵌模型引言：由于受限于生物技術(shù)的不發(fā)達(dá)，生物膜的研究，歷經(jīng)了一個漫長的發(fā)展歷程，這一概念的形成，記載了科學(xué)家的不斷探索和不斷發(fā)展的示了他們在探索過程中的思維過程和方法，本文帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)該歷程，以幫助他們真正理解生物膜這一基本概念，形成正確的結(jié)構(gòu)與功能觀核心觀念思維和探索能力，并嘗試攻克現(xiàn)有的實(shí)際困難。一、重現(xiàn)科學(xué)探究內(nèi)容，加深知對于生物膜這一概念，學(xué)生需要理解膜成分，膜結(jié)構(gòu)，膜的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的原因。對細(xì)胞膜成分的初步探索先是通過對現(xiàn)象的推理分析細(xì)胞質(zhì)，再進(jìn)一步對細(xì)胞膜成分進(jìn)行化學(xué)分析證實(shí)細(xì)胞膜確實(shí)含有脂質(zhì)，但在化學(xué)分析之前，就有科學(xué)家推測細(xì)胞膜中也含有蛋白質(zhì)，其源于科學(xué)家對細(xì)研究，推測細(xì)胞膜中還附有蛋白質(zhì)，才能使細(xì)胞膜表面張力符合事實(shí)。有了這一系列的科學(xué)史，學(xué)生對細(xì)胞膜成分的理解就十分透徹，不單了解細(xì)胞分，還了解到測定某種未知結(jié)構(gòu)成分的一般方法。有了科技的發(fā)展，對于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的分子排布就有了研究思路，對于磷脂分子的排布，是通過提取全部磷脂然后平鋪在水-空氣界面，比較平鋪面積與細(xì)胞膜面積得出結(jié)論：細(xì)胞膜中磷脂分子是雙層排列，而雙層排列可能，再合磷脂分子的特點(diǎn)及細(xì)胞內(nèi)外的液體環(huán)境，最終確定為圖一中的④。而蛋白質(zhì)的分布由最初的推測覆蓋在磷脂分子的兩側(cè)，然后通過實(shí)驗(yàn)不斷的修改了蛋白質(zhì)的分布方式，從而得出了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的流動鑲嵌模型這一基本概念。結(jié)構(gòu)與功能觀是生物學(xué)中重要的核心觀念，細(xì)胞膜的三大功能主要與什有關(guān)，通過重走科學(xué)家的探究之路，學(xué)生能夠清晰找出與各種功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)：磷脂雙分子層將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開；細(xì)胞膜上的糖蛋白是細(xì)胞間流的基礎(chǔ)；不同的物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞由不同的結(jié)構(gòu)控制，水分子進(jìn)出細(xì)胞是通過磷脂分子之間的間隙和貫穿于細(xì)胞膜中的水通道蛋白，而大多數(shù)離子和氨糖等營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸主要依賴膜上的載體蛋白。伴隨著科學(xué)史的學(xué)習(xí)，學(xué)生對生物膜這一概念才有了深刻的理解，而不再是一個簡單的文字描述。二、重走探究之路，精解疑惑，發(fā)教材中只列舉部分科學(xué)家的探索歷程，而對于學(xué)生可能會疑惑：科學(xué)家為何要進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)？是什么原因驅(qū)使他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的？比如，對于羅的“蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)”模型中，認(rèn)為蛋白質(zhì)在脂質(zhì)兩側(cè)是均勻分布的，那么是什么原因讓其他科學(xué)家質(zhì)疑這一觀點(diǎn)呢？學(xué)生就不得而知了。縱觀的發(fā)展歷程，我們發(fā)現(xiàn)一個共同的規(guī)律：科學(xué)家提出質(zhì)疑并設(shè)計實(shí)驗(yàn)的大部分原因是發(fā)現(xiàn)了不符合以往觀點(diǎn)的現(xiàn)象。該觀點(diǎn)的探索也不例外，隨著生展，科學(xué)家能利用儀器測量脂雙層和蛋白質(zhì)分子的厚度，如果細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)是均勻平鋪在脂質(zhì)的兩側(cè)，細(xì)胞膜的厚度應(yīng)該與兩層蛋白質(zhì)和脂雙層不多，但真實(shí)測得結(jié)果是細(xì)胞膜遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二者之和，是這樣的一個真實(shí)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)促使其他科學(xué)家對羅伯特森的觀點(diǎn)產(chǎn)生懷疑，并設(shè)法用其他方法去在細(xì)胞膜上的分布位置，有了這樣的一段解釋，學(xué)生就能理解后期科學(xué)家通過冰[1]凍蝕刻技術(shù)得到蛋白質(zhì)通過鑲嵌，嵌入，貫穿三種方式分布在細(xì)胞膜上（圖2）。該觀點(diǎn)的形成與發(fā)展，讓學(xué)生知道當(dāng)發(fā)現(xiàn)不同于現(xiàn)有觀點(diǎn)的現(xiàn)象時，能夠及時去思考可能原因，并設(shè)法去證明，從而發(fā)展了學(xué)生自身的科學(xué)思維。圖2三、關(guān)注探究方法，增設(shè)探究實(shí)提高科學(xué)探究能力，主要從兩方面去引導(dǎo)，一是設(shè)計探究實(shí)驗(yàn)思路的合理性；二是探究實(shí)驗(yàn)方法的可行性。比如，科學(xué)家在研究細(xì)胞膜中含有脂質(zhì)根據(jù)化學(xué)物質(zhì)相似相溶原理，采用了類比推理的方法得出結(jié)論：細(xì)胞膜由脂質(zhì)構(gòu)成的。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，后期科學(xué)家采用了分離，提取和化學(xué)分析的方法，證實(shí)了細(xì)胞膜中有脂質(zhì)，且主要是磷脂，不同的科學(xué)家，所處的時代思路不同，采用的探究方法也不同，但最終也能得出相同的觀點(diǎn)。因此，我們在設(shè)計實(shí)驗(yàn)時，有時可能受限于現(xiàn)有的技術(shù)，需要去改變自己的思路，具有可行性和可操作性。為了提高學(xué)生科學(xué)探究主要增設(shè)了兩個探究實(shí)驗(yàn)，第一個探究實(shí)驗(yàn)：由教材中磷脂分子在空氣-水界面上的單層排布，聯(lián)系課后拓展應(yīng)用（脂質(zhì)體對不同藥物的包裹），提出問題：為何在空氣-水界面不能形成脂雙層球體？若想形成像細(xì)胞結(jié)構(gòu)一樣的球體需滿足什么條件？如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)？學(xué)生根據(jù)磷脂分子的特點(diǎn)，設(shè)計思路如下：將足量的磷脂分子壓入充滿水的密閉容器，充分?jǐn)嚢?，由可形成穩(wěn)定的脂雙層小球（圖3），也可能形成緊密連接的單（圖4），在這個探究實(shí)驗(yàn)中，首先要限定實(shí)驗(yàn)條件：充滿水的密閉空間；實(shí)驗(yàn)操作：充分?jǐn)嚢?，使磷脂分子充分運(yùn)動；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：對形成的球體要測分析。而這些操作還需在現(xiàn)有技術(shù)的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)。通過這樣的增設(shè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對拓展應(yīng)用中不同藥物需包裹在脂雙層的不同部位有了深刻的理探究實(shí)驗(yàn)：結(jié)合教材中1970年科學(xué)家利用熒光標(biāo)記證明了細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)具有流動性，提出問題：細(xì)胞膜中的磷脂分子可否運(yùn)動？如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)運(yùn)動，它們又有哪些類型的運(yùn)動方式？讓學(xué)生來設(shè)計實(shí)驗(yàn)思路。學(xué)生想到與教材相同的方法：不同顏色的熒光標(biāo)記不同細(xì)胞膜上的磷脂分子，然后進(jìn)熒光的分布狀況，從而證明細(xì)胞膜中的磷脂分子也具有流動性，而對于磷脂分子可能具有哪些類型的運(yùn)動方式及如何證明，學(xué)生是先推測有哪些可能針對每種可能提出設(shè)想：若有何種設(shè)備，可以如何證明。由于學(xué)生對生物技術(shù)的了解有限，所以無法去設(shè)計具體的操作流程，但在日常教學(xué)中科學(xué)探了提升，相信他們在進(jìn)入高校，有了對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)的學(xué)習(xí)，定能將心中所想的實(shí)驗(yàn)設(shè)計變成現(xiàn)實(shí)。圖3圖4四、感受科學(xué)探究精神，解決現(xiàn)探索生物膜的科學(xué)史，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)家的質(zhì)疑和不斷嘗試、嚴(yán)謹(jǐn)求知的科學(xué)態(tài)度，了解到生物技術(shù)的進(jìn)步對科研的重要性，學(xué)會敢于從自然現(xiàn)題并提出自己的觀點(diǎn)，勇于質(zhì)疑和探索，以促進(jìn)自身社會責(zé)任感的形成和發(fā)展。如，本節(jié)的教學(xué)過程中，可拓展相關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)生參與討論解決，（1）社會中有不少生長激素不足的患者和糖尿病患者分別需要生長激素和胰島素藥物都是蛋白質(zhì)，不能口服只能注射，這樣就極大地增加了患者的痛苦，結(jié)合本節(jié)內(nèi)容，如何對藥物進(jìn)行處理可通過口服達(dá)到治療的目的，并說明原因；（2）尿毒癥主要是由于患者腎小球的濾過作用異常，使代謝廢物無法排出，目前治療的方法有兩種：一是血液透析，利用人工半透膜，費(fèi)用高且需要終是換腎，但是腎源捐獻(xiàn)嚴(yán)重不足，且易出現(xiàn)免疫排斥反應(yīng)而使治療失敗。利用本節(jié)課內(nèi)容，提出徹底治療尿毒癥的方法，學(xué)生提出：可以設(shè)計出一個的具有選擇透過性的生物產(chǎn)品（如具有載體蛋白從而達(dá)到徹底治愈的效果，通過兩種疾病治療方案的設(shè)計讓學(xué)生感受貴，能關(guān)愛生命，積極參與保護(hù)環(huán)境，發(fā)展科研等社會實(shí)踐，承總之，在現(xiàn)在美好的生活環(huán)境中，我們也要時常提醒學(xué)生不要忘記許多科學(xué)家在生物發(fā)展中所作出的貢獻(xiàn)和犧牲，重視學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展史，學(xué)習(xí)他度和精神，在不斷學(xué)