在实证与建模过程中探究细胞边界问题
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇在实证与建模过程中探究细胞边界问题范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【关注视角】
孙国华，天津市中学生物特级教师。其教学和人格影响了一大批学子，有的学生就是因为遇到他才在高考中选择了生物学专业。孙老师执教的《细胞膜——系统的边界》一课，受到了中国生物学会顾问、北京师范大学教授、特级教师朱正威先生和人民教育出版社总编辑助理、中国生物学会理事长赵占良先生的好评，他们都认为该课独具匠心，尤其是对教材的创新，把平淡无奇的内容进行精心巧妙的设计，以问题串为主线，把科学探究、模型建构、科学史等教学内容有机地结合起来，充分展示了其特级教师的教学特色。
中图分类号：G633.91 文献标志码：B 文章编号：1673-4289（2013）02-0035-05
一、问题启迪思维：细胞真的有细胞膜吗？
“细胞膜——系统的边界”是人教版高中生物必修I第3章《细胞的基本结构》第1节的内容，是学生认识细胞结构的开篇。
师：细胞是最小的生命系统。作为系统应该具有边界，那么细胞的边界是什么？谁看见过？请同学给大家描述一下。
生：有边界，叫细胞膜，可是没见过。教材上说细胞有细胞膜，初中时老师也讲过它有细胞膜。
师：教材上说的一定正确吗？老师讲的一定对吗？其实在电镜出现之前，没有人真正看到过细胞膜，科学家是通过逻辑推理，推测出细胞应该存在着细胞膜。
教者展示人口腔上皮细胞照片（如图1）。
师：从这个人口腔的上皮细胞不难发现，细胞真有边界。按照正常的逻辑，有膜一定会有边界，但有边界不一定有膜。如气球有边界，因为气球有膜，而铅球虽有边界，但没有膜。有边界是有膜的必要条件，但不充分。
教者展示鸡蛋打在玻璃板的照片（如图2）。
师：鸡蛋还叫卵，卵是细胞。其实鸡蛋里的卵黄才是细胞。将蛋壳打开，蛋清平铺在玻璃板上，而卵黄（卵细胞）却呈球状，这说明什么？
生：说明卵黄有边界，卵黄外有膜包裹。
教者演示模拟实验：用无色透明的橡胶球构建细胞模型，用注射器慢慢地向球中注射伊红染料，染料充满球体但不会溢出（如图3）。
师：为什么球中的伊红没有溢出？
生：橡胶球有膜。
教者展示给变形虫注射伊红染料的图片。注射过的变形虫细胞里充满红色，而染料同样没有溢出（如图4）。
师：结合前面的模型模拟实验，这个实验结果说明了什么？
生：说明变形虫细胞与橡胶球一样，外侧有膜。
学生通过观察、实验和类比推理得出结论：细胞应该存在细胞膜。
【解读】问题的提出不只是用于引课，还在于培养学生敢于质疑的批判思维，从似乎没有问题的地方发现问题，激起了学生的探究兴趣。在解决问题过程中，运用图片观察、模型建构和类比推理等方法，培养了学生的思维能力，使学生学会了研究问题的一般方法。
二、实证建构模型：实验室怎样制备细胞膜？
类比推理得出的结论没有逻辑的必然性，只有通过实验从细胞中得到了细胞膜，才能证明其存在，正所谓“眼见为实”。
（一）用什么材料能得到细胞膜？
师：合适的材料是实验成功的关键，用什么材料能得到细胞膜呢？
教材中“体验制备细胞膜的方法”的实验，提供的材料是哺乳动物的血液。教者展示哺乳动物放大的血液涂片（如图5）。
师：图中最大的细胞是白细胞，白细胞有细胞核和多种具有膜结构的细胞器。制备细胞膜能用白细胞吗？为什么？
生：不能，因为白细胞内有多种膜，从白细胞中得到的膜，不一定是细胞膜。
教者展示放大的红细胞模型（如图6）。
师：红细胞虽然小，但在血细胞中数量大。从图6可见，成熟的红细胞呈双凹面圆饼状，使细胞膜与体积的比更大，红细胞没有细胞核和各种具有膜结构的细胞器。
生：用哺乳动物成熟的红细胞可制备细胞膜。
（二）怎样得到哺乳动物的红细胞？
师：血液好比一锅煮熟的元宵，血浆是汤，血细胞是汤里的元宵。元宵中个头最大是白细胞，最小的是血小板，数量最多且呈红色的是红细胞。红细胞的密度最大。用什么方法能将中等大小的元宵（红细胞）取出？
生：用静置分层的方法让密度大的红细胞沉降，然后取出红细胞。
教者展示给血液中加入抗凝剂柠檬酸钠后，血液在量筒中分层的结果证明了学生的设想可行（如图7）。
师：加抗凝剂让血液分层耗时太长，怎样才能快速分离出红细胞？
教者为学生构建模型：回忆杂技表演上的水火流星场景或体育比赛中链球运动员抛球前的旋转动作，引发学生的思考和讨论。
生：可采用离心法将红细胞快速分离出来。
【解读】离心技术的引入，不只是提供一种快速分离红细胞的方法，也为后面采用离心法分离细胞膜做铺垫。得到红细胞后，用生理盐水制成等渗的红细胞稀释液备用。等渗溶液及生理盐水概念的引入，是为下一步获取细胞膜做铺垫。
（三）怎样得到红细胞的细胞膜？
师：能用针扎或用镊子撕的方法取下红细胞的膜吗？
生：不能，因为红细胞太小了。
师：能否用一种方法让红细胞自己破裂？
生：红细胞在等渗溶液中形态不变，如果让红细胞处于清水中，红细胞可能会吸收水涨破，从而得到细胞膜。
师：这种方法真的可行吗？
教者展示生理盐水中人正常红细胞光镜照片、低渗或清水中红细胞吸水膨胀的光镜照片及红细胞在清水中形态变化图（如图8）
生：用蒸馏水处理，红细胞会自己吸水涨破。
师：研究细胞膜的化学成分需要较多的细胞膜，怎样得到大量的细胞膜？又怎样将细胞膜分离出来呢？
教者及时提示：细胞膜比血红蛋白的密度大。引导学生把离心法分离红细胞的技术迁移过来。
生：将离心得到的红细胞加入试管中，通过向试管中加入蒸馏水的方法让红细胞破裂，再通过离心技术将细胞膜离心出来，得到较纯净的细胞膜。
教师展示离心机、离心管和离心原理图片（如图9）
【解读】问题驱动才能激发学生学习的欲望。将问题设计成串，层层深入引发学生的思考。通过模型建构，将微观事物放大，将陌生事物与生活中最熟悉的东西建立起联系，再发动学生讨论。教者在学生发表意见之前，做好必要的知识和技能铺垫，达到了“跳一跳摘桃子”的效果。教者给学生提供更多的参与教学的机会，通过适当的引导，使学生把握正确的思维方向。教者用实验佐证假说，强调了生命科学的实验验证性。
三、定性破拆探究：细胞膜的成分有哪些？
师：细胞膜中含有哪些成分呢？
教者带领学生根据逻辑关系先对细胞膜的成分进行预测：细胞中含有六种化合物，而细胞膜是细胞的组成部分，其成分无非是六种或六种中的某几种。
师：你觉得该如何探求细胞膜的成分？
教者为学生建立模型：假如面前有一堵墙，但不知道这堵墙是由什么材料砌成的，那么可以采用破拆的方法找到答案。如果拆出了砖，那么墙的材料中就有砖，如果拆出了石头，那么构成墙的材料中就有石头。
生：明白了，可采用破拆细胞膜的方法弄清细胞膜的组成成分。
教者展示相关实验过程（如图10）向装有适量细胞膜的试管中加入2mL的脂质溶剂，用以能溶解脂质，使其在适宜条件下细胞膜消失。
师：实验结果说明了什么？
生：细胞膜中一定含有脂质。
师：本实验是定性实验，但通过细胞膜的消失能否说明量的问题？
生：脂质在细胞膜中的含量应该较大，因为当除去脂质后，细胞膜垮掉了。
师：蛋白质是生命活动的主要承担者，细胞膜中应该含有蛋白质。请同学们回忆相关物质鉴定实验，如何验证假说？
生：向溶解了细胞膜的溶液中加入双缩脲试剂，若溶液变蓝，则说明细胞膜中含有蛋白质。
师：思路很好。检验的结果是溶液变蓝，假说得到证实。如何确认这一结果并确定蛋白质在细胞膜中的含量？
生：可同样采取破拆细胞膜的方法。
教者像上面的实验一样展示相关实验全过程。即向加入适量细胞膜的试管中加入2mL的蛋白酶溶液，在适宜条件下细胞膜消失。为学生补充有关酶的知识，告知学生蛋白酶能分解蛋白质。
师：实验结果说明了什么？
生：细胞膜中含有蛋白质，且其含量应该较大。
教者进一步引申：科学家给含有细胞膜的溶液试管中，同时加入适量的脂质溶剂和蛋白酶溶液，但是从得到的液体中还能检测到少量的糖类。
师：上述这一系列实验说明了什么？
生：细胞膜是由脂质、蛋白质和糖类三种成分组成，脂质和蛋白质的含量高。
【解读】不直接呈现结论，而是展示结论得出的实验过程。把结论变成研究的课题，通过已有知识，对细胞膜的成分提出假设，然后通过模型建构明确研究思路，体验研究过程，强化实验意识。通过展示探究实验，学生不仅能理解细胞膜的成分，还掌握了探究问题的方法，提高了学生的学习兴趣，避免了死记硬背。
四、类比归纳探究：细胞膜的功能如何？
师：通过实验我们得出了细胞膜的成分，细胞膜的功能如何？
教者展示草履虫（图12）和变形虫（图13）在水中生活的图片。
师：由图可见，这两种单细胞原生动物的细胞内物质与外界的水环境为什么没有混为一体呢？
生：因为它们有细胞膜，细胞膜能将细胞与外界环境分隔开。
教者分别展示“蓝墨水鉴定玉米种子活性”实验、“向变形虫注射伊红”的实验及“脂溶性物质易于通过细胞膜，非脂溶性物质不易通过细胞膜”的实验。
师：这三个实验说明了什么？
生：细胞膜能控制物质进出细胞。
师：高等动植物由多细胞构成，多细胞生物生命活动的协调性离不开细胞间的信息沟通。
教者展示内分泌细胞功能图片（图13）。
师：激素通过体液的传送，只有被靶细胞上的受体接受，靶细胞才能得到信息，而受体在靶细胞膜上，这说明了什么？
生：说明细胞膜能够接受信息（教者展示图14）。
师：有些信号分子结合在细胞膜上，这说明了什么？
生：细胞膜还能发出信息。
教者展示植物细胞的胞间连丝（如图15）。植物细胞的胞间连丝是由细胞膜形成，是植物细胞之间进行信息传递的通道。
师：上述事实说明了什么？
生：说明细胞膜能进行细胞间的信息交流。
【解读】细胞膜的功能同样应通过实例或实验由学生归纳总结得出。教师不能给现成的结论，要为学生创设问题的情景，引导学生通过自主探究得出结论，只有自己总结的结论才能记忆深刻，才有成就感，才能找到学习的乐趣。
五、反思破拆探究：咋不用植物细胞提取细胞膜？
师：通过对胞间连丝的认识，我们想到植物细胞也有细胞膜。植物细胞材料易得，能不能用植物细胞提取细胞膜呢？
教者展示植物细胞亚显微结构图（如图16）。
生：植物细胞膜有细胞壁，细胞内有核膜和多种细胞器膜，不能用于提取细胞膜。
师：细胞壁的存在不利于细胞膜的提取。那么用什么方法研究细胞壁的成分和功能？
生：可采用破拆细胞壁的方法。
教者展示实验：用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞后，细胞壁消失，没有细胞壁的细胞在低渗溶液中会吸水涨破。
师：通过实验得出什么结论？
生：细胞壁的成分是纤维素和果胶，细胞壁的功能是对细胞具有支持和保护作用。
师：植物细胞的最外侧是细胞壁，细胞壁是细胞系统的边界吗？
生：不能，不是所有细胞都有细胞壁，另外细胞壁不具备系统边界具有的相关功能。
教者设计了适当的课堂反馈，同时留了一个较开放的家庭作业：结合本节所学，根据生物体结构和功能相适应的原理，请你设想一下细胞膜应具有怎样的结构？
【解读】知识和能力是为了解决将来面临的新问题服务的。本课的细胞壁的结构和功能不是本节课的重点，问题的移入是考查学生能否将本节课所学的知识和技能灵活应用。
·全课解读·
笔者认为，教师无论是授人以渔，还是授人以鱼，首先要让学生对鱼产生兴趣。所以本节展示课以问题串的形式对学生进行诱导，让其欲罢不能。教者不是简单地给出结论，而是展示知识发生的过程。通过授人以渔，提高了学生的学习能力。
一、质疑，思维定向，激起探究兴趣
实验与探究能力是高考命题的要求，也是课堂教学的重要内容。探究式学习，首先要有需探究的内容或课题，教师要善于发现教材中蕴含的问题，巧妙发问，机智设疑。教师是用教材教，而不是教教材，要创新思维，要使教材变得生动有趣。教者通过“细胞的边界是什么和谁看见过”这个似乎唐突的问题，培养学生敢于质疑的学术思想，通过实验观察、模型建构、类比推理，得出细胞应该存在细胞膜的结论，激发了学生研究细胞膜的兴趣。
二、连接，问题成串，层层深入思考
探究始于问题，事实胜于雄辩。巧设计问题串，提出假说，然后用实验佐证是本节课的亮点。探究式教学是时代的需要，变学生的被动听为主动学，被动接受为主动获取是在问题串的引领下实现的。要证明细胞膜的存在，就要提取到细胞膜；要提取细胞膜，就要找到合适的材料。通过实验观察和图片分析，得出哺乳动物成熟的红细胞符合要求，可是血液中不只有红细胞，从而引出了下一个问题。通过配制等渗红细胞稀释液，引出渗透压的问题。从而引起学生对“如何得到细胞膜”的讨论。在问题串的引领下，通过一个个实验，细胞膜的成分，细胞膜的功能被逐一显现。这样，本课以问题为纽带，实现了知识和能力的双提升。
三、探究，体验过程，强化实验意识
要善用模型，培养学生的形象思维和逻辑思维。鼓励学生结合自己已有的认识，大胆地提出假说。假说是否成立，要严谨地用实验加以验证。因为生命科学一切结论的得出都要建立在实验的基础上。本课将结论变成探究的课题，用实验演绎结论得出的过程，从细胞膜的成分到细胞膜的功能，没有一个知识点是教师强加的。教师通过复习蛋白质的鉴定方法，介绍相关溶剂及酶的专一性原理，使学生迅速掌握了细胞膜的成分。同时，学生通过图片观察和实验分析，结合已有经验，自己总结出了细胞膜的功能。
四、延伸，反思所得，启发新的思考
教学是教会学生学习，通过方法的传授，实现学生学习的可持续发展。要培养学生的迁移能力，用掌握的知识和技能解决新的问题，用开放的问题打开思路和视野。本课的“细胞壁是细胞系统的边界吗”这个问题，是对本节课学生掌握知识灵活度的检验；对细胞膜的结构展开想象，既考查了学生对生物体结构与功能关系的理解和应用，又为后面学习细胞膜的流动镶嵌模型做好了铺垫。
（作者单位：滨海新区塘沽第一中学，天津 300450）