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摘 要：模型构建是高中新课程標准以及教材提出的一种科学的分析问题的方法，是分析一些复杂生物学问题的有效手段之一。笔者将物理模型引入“细胞膜结构的探索”一部分内容的教学，课堂教学设计基于科学史实，通过模型的构建过程，对学生分析和解决问题的能力、批判性思维、建模思想等进行锻炼，让学生充分体会科学探索的过程。
关键词：物理模型;科学探究;科学思维
在新课程改革的背景下，培养学生“生命观念、科学思维、科学探究、社会责任”等生物学科核心素养已成为课堂教学的指导思想，教师作为学习活动的指导者，在优化学习方式、改进评价方法、促进学生发展等方面发挥着越来越重要的作用。教师在教学活动中要改变传统的教学模式，将一些更加有效地教学方法引入课堂教学，其中构建模型就是高中新课程标准以及教材提出的一种科学的分析问题的方法，是分析一些复杂生物学问题的有效手段之一。
一、物理模型的制作
物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，包括静态的结构模型和动态的过程模型。物理模型的特点是实物或图画的形态结构与真实事物的特征、本质非常相像，大小一般是按比例放大或缩小的，可以让学生更直观的理解概念、生理结构或过程，同时这也保证了利用物理模型进行问题分析的科学基础。
（一）教师演示模型
膜的基本支架是磷脂双分子层，由于学生有机化学知识的缺乏，他们对磷脂分子头部亲水、尾部疏水不甚理解，教师可以制作物理模型帮助学生理解磷脂分子在水面上的排布问题。
1.制作
用乒乓球代表亲水磷脂头部，塑料棒代表疏水脂肪酸链尾部，为了使磷脂分子能够头部朝下，在乒乓球内部加入一定质量的小钢珠并用胶水固定在一端，在另一端的乒乓球表面打孔并插入两个塑料棒，再用胶水固定（如图1）。
2.应用
在介绍磷脂分子在水中排布特点时，制作出来的一组磷脂分子模型放在水面上，就会呈现头部朝下，尾部朝上的排列，给学生更加直观的印象。
（二）学生操作模型
1.制作
用塑料片或硬纸片制作成磷脂分子、蛋白质分子和糖链的形态，下面粘贴相应大小的磁铁，这样就制作成了小型的磷脂分子、蛋白质分子和糖链的物理模型（如图2）。再用A4纸大小的磁性纸做背板，这样学生就可以将膜的结构模型在磁纸上展示出来。
2.应用
在分析膜中的磷脂分子如何排布时，可通过分组探究的形式，每小组4人，每组30个磷脂分子模型和适量蛋白质分子模型，让学生排布出自己认为可能的形态，再进行课堂交流。
二、物理模型在课堂教学中的作用
本部分内容是一个很好的科学史教育素材，在教学中应注重科学家对生物膜结构的探索历程中所蕴含的科学研究的思想的分析。在进行教学设计时，将科学发现分为五个阶段：膜的化学构成→磷脂分子的排布→蛋白质分子的排布→膜分子的运动→流动镶嵌模型的基本内容。在教学过程中充分利用物理模型，让学生自主构建膜的结构、理解膜的特性。
（一）化抽象为具体，突破重点和难点
利用物理模型可以帮助学生理解磷脂分子的结构特点，由于可以实际动手操作，学生能够将头脑中的各种推测以实物的形式展现出来，与其他同学进行讨论、交流，自我构建膜结构的模型，同时让学生体会生物学中结构和功能相适应的观点，帮助教师突破本节教学的重点和难点。
教学片段：1.情景分析：构成膜的磷脂分子主要由甘油、脂肪酸和磷酸等成分组成。磷酸、甘油等亲水性物质构成头部，两个脂肪酸链构成输水的尾部。1917年美国科学家欧文·朗缪尔曾抽提出细胞膜中的脂质，将其铺展在水盘的水面上，研究其展层行为。2.问题引导：细胞是生活在水环境中，那么磷脂分子在水中会呈现怎样一种排布呢？③学生活动：用模型在磁纸上摆出磷脂分子在水面上的形态。④模型展示：利用实物模型放在水盘中，让学生直观的感受磷脂单分子层结构（如图3）。
（二）挖掘科学史实，提升学生探究能力
科学探究是新课程的基本理念之一，也是生物学作为自然科学的本质特征之一。教师在教学中应遵循科学研究的一般规律，给学生创造合适的情景，让学生能够通过观察分析，提出问题、设计实验、分析结果、探讨交流等，要在课堂上给学生提供充分探究空间和时间，不是直接让学生记住实验结论。
教学片段：1.情景分析：磷脂单分子层不稳定，而且细胞是生活在水溶液中的，细胞内部也含有以水为基础的细胞质溶液。2.问题引导：多个磷脂分子在水中，会形成怎样的一种相对稳定的结构呢？3.学生活动：用模型在磁纸上摆出磷脂分子在水中的可能形态，并进行课堂交流。模型1不能在水中稳定存在，不可能是膜的结构;模型2：能在水中稳定存在，但细胞内部也有水，该模型内部疏水，不可能是膜的结构;模型3：能在水中稳定存在，而且内部也可以有水，保证内部相对独立的环境，可能是膜的结构。4.提出假说：膜中的磷脂双分子排列成双层结构。5.问题探究：假说还需要实验来证明，你能根据刚才欧文·朗缪尔的实验思想，设计一个实验证明膜中的磷脂分子是排布成两层吗？6.实验研究：1925年两位荷兰科学家哥特和格伦德尔首先测得人体红细胞的表面积约为100μm2，然后他们用丙酮从人体红细胞中的提取脂质，在水面—空气界面上铺成单分子层，聚拢后测总面积约为180-220μm2。7.实验结论：细胞膜中的磷脂分子排列为连续的两层，即磷脂双分子层。
（三）创设问题情境，培养学生科学思维
科学思维是指在尊重事实证据的基础上，运用科学的思维方法认识事物、解决问题的思维习惯和能力，体现在归纳概括、模型与建模、批判性思维等多个方面。科学思维能够支持学生获取新知识，学会如何利用知识去建构和评价假设、观点等，促进学生主动的学习，从知识的被动接受者转化为独立的学习者。科学思维的过程是存进知识学习的过程，同时也是理解科学发展的过程，促进学生对科学现象的理解正是教育的重要目标之一。在教学过程中，教师通过情景的创设、问题的引导，引导学生一步一步地分析科学家的实验和结论，亲历科学家探索的历程，体会科学发现是一个不断修正、发展和完善的过程。 教学片段：1.情景分析：電子显微镜是用高能电子束作为光源的，高能电子穿过样品最后成像。电子容易穿过脂质分子，不容易穿过蛋白质分子。1951年罗伯特森观察到膜在电子显微镜下呈现“暗-明-暗”结构，从而提出了单位膜模型，并且认为膜是静态的统一结构。2.问题探究：教师播放变形虫的变形运动、细胞的生长分裂、细胞的分泌活动、质壁分离与复原现象等视频短片。让学生思考静态统一结构模型能解释这些现象吗？3.实验研究：教师展示细胞膜的冷冻蚀刻图片以及“人-鼠”细胞融合实验，让学生不断修正构建模型，形成对膜结构的正确认识，描述归纳流动镶嵌模型的主要内容。
（四）改变教学方式，彰显学生主体地位
新课程强调学生是课堂教学的主体，要改变教师“一言堂”的现象。制作的磷脂分子和蛋白质分子的物理模型，可以提高学生的学习兴趣，调动学生积极性，提高课堂关注度，实现课堂教学的有效性。同时课堂教学不应只是简单、机械地让学生接受知识，而是靠学生自己动手、动口、动脑来获得知识，并培养获得知识的能力，让学生在教师的引导下自觉探索、思考、寻求并掌握得当的学习方法，从而主动地去学习。
教学片段：每4位同学为一组，共同讨论、分析，并动手摆出各种可能膜结构模型，并根据教师的引导不断修正。然后班级中每一组同学都将自主构建的膜的结构模型（图7）贴在黑板上相互评价，纠正错误，让每一个组构建的模型都科学、合理。通过这样的教学，让每个学生都能参与到课堂教学，参与到课堂探究，体现新课程的基本理念。
三、教学反思
在设计该部分教学内容时，尝试采用物理模型的教学手段，让学生体验了物理模型的构建过程，对膜的结构也有更加直观的认识，充分体现课堂上学生的主体地位，提高了课堂教学效率。
（一）静态模型应与动态视频相结合
物理模型的最大优势就是直观性，能够将膜的结构清晰的展示在学生面前，而不仅仅是抽象的文字描述。但在课堂上有些同学会被模型本身的颜色、形状、数量等方面所吸引，反而影响了对教师讲解内容、知识点的听讲和理解。本节课用到的模型是静态的物理模型，无法完全反映出膜的流动性，可以利用课件中的视频动画加以补充，加深学生的理解。
（二）体现科学史背后的科学思想
科学史教育不但要让学生学习科学内容，还要让他们理解“科学的本质”，这种理解不是教师简单的教授，而是应该带领学生亲身体会科学发现的过程，体会科学探究的真正含义。本节的教学设计是以膜的发现史为主线，在教材内容的基础上，进行适当的补充和处理，让学生体会的科学研究步骤，在引导学生一步步构建模型的过程中，渗透科学方法的教育，培养学生科学的精神，提高他们的学习兴趣。不能将科学史的教学当成简单的历史过程的介绍，应该挖掘其中蕴含的科学思想，但也要有取舍，否则课堂教学内容过于繁杂，会影响课堂教学的主线。
（三）注重探究能力的培养
新课程标准下的教育教学理念十分重视培养学生的探究能力和科学思维，强调改变学生的学习方式，培养学生终身学习的能力，提升学生的创新意识和创新能力，倡导探究、自主、合作学习。在本节课教学中教师不断提出一些梯度性的问题，引导学生逐层深入地进行探索，不断地从问题的解决中得到答案，不断改进模型，从中获得知识，并且形成了科学的思维习惯。因此，教师在课堂教学设计中应要寻找到合适的探究切入点，与不同的学习方式相整合，精心设计课堂情境，使学生能更加有效地开展探究活动。
参考文献
[1]施敏娟.生物膜的流动镶嵌模型教学探索[J].中学生物教学，2019，9
[2]魏凤国、谢妤.基于HPS理念培育科学思维核心素养的教学设计[J].生物学通报，2019，5
[3]陶忠.生物学模型教学探析[J].生物学教学，2006，8
[4]樊向利.试论模型在高中生物教学中的作用[J].中学生物学，2007，7
[5]陈维、汪忠.系统分析与模型构建[J].生物学通报，2008，5
关键词：物理模型;科学探究;科学思维
在新课程改革的背景下，培养学生“生命观念、科学思维、科学探究、社会责任”等生物学科核心素养已成为课堂教学的指导思想，教师作为学习活动的指导者，在优化学习方式、改进评价方法、促进学生发展等方面发挥着越来越重要的作用。教师在教学活动中要改变传统的教学模式，将一些更加有效地教学方法引入课堂教学，其中构建模型就是高中新课程标准以及教材提出的一种科学的分析问题的方法，是分析一些复杂生物学问题的有效手段之一。
一、物理模型的制作
物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，包括静态的结构模型和动态的过程模型。物理模型的特点是实物或图画的形态结构与真实事物的特征、本质非常相像，大小一般是按比例放大或缩小的，可以让学生更直观的理解概念、生理结构或过程，同时这也保证了利用物理模型进行问题分析的科学基础。
（一）教师演示模型
膜的基本支架是磷脂双分子层，由于学生有机化学知识的缺乏，他们对磷脂分子头部亲水、尾部疏水不甚理解，教师可以制作物理模型帮助学生理解磷脂分子在水面上的排布问题。
1.制作
用乒乓球代表亲水磷脂头部，塑料棒代表疏水脂肪酸链尾部，为了使磷脂分子能够头部朝下，在乒乓球内部加入一定质量的小钢珠并用胶水固定在一端，在另一端的乒乓球表面打孔并插入两个塑料棒，再用胶水固定（如图1）。
2.应用
在介绍磷脂分子在水中排布特点时，制作出来的一组磷脂分子模型放在水面上，就会呈现头部朝下，尾部朝上的排列，给学生更加直观的印象。
（二）学生操作模型
1.制作
用塑料片或硬纸片制作成磷脂分子、蛋白质分子和糖链的形态，下面粘贴相应大小的磁铁，这样就制作成了小型的磷脂分子、蛋白质分子和糖链的物理模型（如图2）。再用A4纸大小的磁性纸做背板，这样学生就可以将膜的结构模型在磁纸上展示出来。
2.应用
在分析膜中的磷脂分子如何排布时，可通过分组探究的形式，每小组4人，每组30个磷脂分子模型和适量蛋白质分子模型，让学生排布出自己认为可能的形态，再进行课堂交流。
二、物理模型在课堂教学中的作用
本部分内容是一个很好的科学史教育素材，在教学中应注重科学家对生物膜结构的探索历程中所蕴含的科学研究的思想的分析。在进行教学设计时，将科学发现分为五个阶段：膜的化学构成→磷脂分子的排布→蛋白质分子的排布→膜分子的运动→流动镶嵌模型的基本内容。在教学过程中充分利用物理模型，让学生自主构建膜的结构、理解膜的特性。
（一）化抽象为具体，突破重点和难点
利用物理模型可以帮助学生理解磷脂分子的结构特点，由于可以实际动手操作，学生能够将头脑中的各种推测以实物的形式展现出来，与其他同学进行讨论、交流，自我构建膜结构的模型，同时让学生体会生物学中结构和功能相适应的观点，帮助教师突破本节教学的重点和难点。
教学片段：1.情景分析：构成膜的磷脂分子主要由甘油、脂肪酸和磷酸等成分组成。磷酸、甘油等亲水性物质构成头部，两个脂肪酸链构成输水的尾部。1917年美国科学家欧文·朗缪尔曾抽提出细胞膜中的脂质，将其铺展在水盘的水面上，研究其展层行为。2.问题引导：细胞是生活在水环境中，那么磷脂分子在水中会呈现怎样一种排布呢？③学生活动：用模型在磁纸上摆出磷脂分子在水面上的形态。④模型展示：利用实物模型放在水盘中，让学生直观的感受磷脂单分子层结构（如图3）。
（二）挖掘科学史实，提升学生探究能力
科学探究是新课程的基本理念之一，也是生物学作为自然科学的本质特征之一。教师在教学中应遵循科学研究的一般规律，给学生创造合适的情景，让学生能够通过观察分析，提出问题、设计实验、分析结果、探讨交流等，要在课堂上给学生提供充分探究空间和时间，不是直接让学生记住实验结论。
教学片段：1.情景分析：磷脂单分子层不稳定，而且细胞是生活在水溶液中的，细胞内部也含有以水为基础的细胞质溶液。2.问题引导：多个磷脂分子在水中，会形成怎样的一种相对稳定的结构呢？3.学生活动：用模型在磁纸上摆出磷脂分子在水中的可能形态，并进行课堂交流。模型1不能在水中稳定存在，不可能是膜的结构;模型2：能在水中稳定存在，但细胞内部也有水，该模型内部疏水，不可能是膜的结构;模型3：能在水中稳定存在，而且内部也可以有水，保证内部相对独立的环境，可能是膜的结构。4.提出假说：膜中的磷脂双分子排列成双层结构。5.问题探究：假说还需要实验来证明，你能根据刚才欧文·朗缪尔的实验思想，设计一个实验证明膜中的磷脂分子是排布成两层吗？6.实验研究：1925年两位荷兰科学家哥特和格伦德尔首先测得人体红细胞的表面积约为100μm2，然后他们用丙酮从人体红细胞中的提取脂质，在水面—空气界面上铺成单分子层，聚拢后测总面积约为180-220μm2。7.实验结论：细胞膜中的磷脂分子排列为连续的两层，即磷脂双分子层。
（三）创设问题情境，培养学生科学思维
科学思维是指在尊重事实证据的基础上，运用科学的思维方法认识事物、解决问题的思维习惯和能力，体现在归纳概括、模型与建模、批判性思维等多个方面。科学思维能够支持学生获取新知识，学会如何利用知识去建构和评价假设、观点等，促进学生主动的学习，从知识的被动接受者转化为独立的学习者。科学思维的过程是存进知识学习的过程，同时也是理解科学发展的过程，促进学生对科学现象的理解正是教育的重要目标之一。在教学过程中，教师通过情景的创设、问题的引导，引导学生一步一步地分析科学家的实验和结论，亲历科学家探索的历程，体会科学发现是一个不断修正、发展和完善的过程。 教学片段：1.情景分析：電子显微镜是用高能电子束作为光源的，高能电子穿过样品最后成像。电子容易穿过脂质分子，不容易穿过蛋白质分子。1951年罗伯特森观察到膜在电子显微镜下呈现“暗-明-暗”结构，从而提出了单位膜模型，并且认为膜是静态的统一结构。2.问题探究：教师播放变形虫的变形运动、细胞的生长分裂、细胞的分泌活动、质壁分离与复原现象等视频短片。让学生思考静态统一结构模型能解释这些现象吗？3.实验研究：教师展示细胞膜的冷冻蚀刻图片以及“人-鼠”细胞融合实验，让学生不断修正构建模型，形成对膜结构的正确认识，描述归纳流动镶嵌模型的主要内容。
（四）改变教学方式，彰显学生主体地位
新课程强调学生是课堂教学的主体，要改变教师“一言堂”的现象。制作的磷脂分子和蛋白质分子的物理模型，可以提高学生的学习兴趣，调动学生积极性，提高课堂关注度，实现课堂教学的有效性。同时课堂教学不应只是简单、机械地让学生接受知识，而是靠学生自己动手、动口、动脑来获得知识，并培养获得知识的能力，让学生在教师的引导下自觉探索、思考、寻求并掌握得当的学习方法，从而主动地去学习。
教学片段：每4位同学为一组，共同讨论、分析，并动手摆出各种可能膜结构模型，并根据教师的引导不断修正。然后班级中每一组同学都将自主构建的膜的结构模型（图7）贴在黑板上相互评价，纠正错误，让每一个组构建的模型都科学、合理。通过这样的教学，让每个学生都能参与到课堂教学，参与到课堂探究，体现新课程的基本理念。
三、教学反思
在设计该部分教学内容时，尝试采用物理模型的教学手段，让学生体验了物理模型的构建过程，对膜的结构也有更加直观的认识，充分体现课堂上学生的主体地位，提高了课堂教学效率。
（一）静态模型应与动态视频相结合
物理模型的最大优势就是直观性，能够将膜的结构清晰的展示在学生面前，而不仅仅是抽象的文字描述。但在课堂上有些同学会被模型本身的颜色、形状、数量等方面所吸引，反而影响了对教师讲解内容、知识点的听讲和理解。本节课用到的模型是静态的物理模型，无法完全反映出膜的流动性，可以利用课件中的视频动画加以补充，加深学生的理解。
（二）体现科学史背后的科学思想
科学史教育不但要让学生学习科学内容，还要让他们理解“科学的本质”，这种理解不是教师简单的教授，而是应该带领学生亲身体会科学发现的过程，体会科学探究的真正含义。本节的教学设计是以膜的发现史为主线，在教材内容的基础上，进行适当的补充和处理，让学生体会的科学研究步骤，在引导学生一步步构建模型的过程中，渗透科学方法的教育，培养学生科学的精神，提高他们的学习兴趣。不能将科学史的教学当成简单的历史过程的介绍，应该挖掘其中蕴含的科学思想，但也要有取舍，否则课堂教学内容过于繁杂，会影响课堂教学的主线。
（三）注重探究能力的培养
新课程标准下的教育教学理念十分重视培养学生的探究能力和科学思维，强调改变学生的学习方式，培养学生终身学习的能力，提升学生的创新意识和创新能力，倡导探究、自主、合作学习。在本节课教学中教师不断提出一些梯度性的问题，引导学生逐层深入地进行探索，不断地从问题的解决中得到答案，不断改进模型，从中获得知识，并且形成了科学的思维习惯。因此，教师在课堂教学设计中应要寻找到合适的探究切入点，与不同的学习方式相整合，精心设计课堂情境，使学生能更加有效地开展探究活动。
参考文献
[1]施敏娟.生物膜的流动镶嵌模型教学探索[J].中学生物教学，2019，9
[2]魏凤国、谢妤.基于HPS理念培育科学思维核心素养的教学设计[J].生物学通报，2019，5
[3]陶忠.生物学模型教学探析[J].生物学教学，2006，8
[4]樊向利.试论模型在高中生物教学中的作用[J].中学生物学，2007，7
[5]陈维、汪忠.系统分析与模型构建[J].生物学通报，2008，5