上海市南洋模范中学      胡小辉

摘要： 在“双新”教育改革和基础教育数字化转型的背景下，如何落实学科核心素养成为高中生物教学的重中之重。本文以高中生物学必修一“细胞由质膜包裹”一课为例，探讨数智赋能技术在模型建构教学中的深度应用。通过创设真实临床情境、引入动态交互网页、结合科学史经典实验，引导学生从静态到动态、从现象到本质，亲历“流动镶嵌模型”的建构过程。实践表明，数智技术与模型建构的深度融合，不仅能有效突破微观结构的教学难点，降低学生的认知负荷，还能在探究过程中培养学生的结构与功能观、科学思维与科学探究能力。这种“做中学、思中建”的教学新样态，为高中生物落实立德树人根本任务、提升学生解决真实问题的能力提供了有益参考。

关键词： 双新；核心素养；数智赋能；模型建构；细胞质膜；流动镶嵌模型

一、 引言

随着《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的深入实施，我国基础教育已全面迈入“双新”（新课程、新教材）时代。“双新”对高中生物教学提出了更高的要求：强调以核心素养为宗旨，倡导探究式学习，注重培养学生解决真实问题的能力。与此同时，要关注“基础教育教学数字化转型背景下的场景应用、数字资源建设和教学新样态研究”。在这一时代背景下，如何将抽象的、微观的生物学概念具象化，如何让学生在探究中实现深度学习，成为一线教师亟待解决的挑战。

“细胞质膜”是高中生物学中极为重要的核心概念之一。它既是细胞的边界，又是物质交换和信息交流的枢纽。然而在传统教学中，由于质膜极薄且处于亚显微层面，教师往往只能依靠静态的课本插图或枯燥的口述来讲解“流动镶嵌模型”，学生处于被动接受状态，难以产生空间想象，更无法深刻体会“结构与功能相适应”的生命观念。本节课依托“双新”理念，借助交互网页、3D动画等数智赋能技术，将“静态的知识”转化为“动态的探究”，引导学生像科学家一样思考、推理并建构模型，在实践中落实核心素养，探索出一条数智技术与生物教学深度融合的新路径。

二、 教材与学情分析

（一）教材分析
本节内容选自高中生物学必修一第三章第一节。教材遵循了科学探究的逻辑，从光学显微镜下不可见细胞质膜引入，通过分析成分表格归纳质膜的组成，随后逐步探究其结构。该内容不仅是理解细胞各项生命活动的基础，更是后续学习物质跨膜运输、细胞信号转导等生理功能的必备前提，在整个高中生物知识体系中起着承上启下的关键作用。

（二）学情分析
高一学生在初中阶段已初步了解了细胞的基本结构，但尚未深入到亚显微层面。他们具备一定的观察能力、初步的逻辑推理能力和较强的动手意愿，对微观世界充满好奇。然而，由于他们缺乏空间想象力，且相关的化学知识（如分子的极性、相似相溶原理）储备不足，直接理解“磷脂双分子层的自发形成”和“蛋白质的镶嵌分布”存在较大困难。因此，亟需借助数字化手段，提供可视化的模型建构工具和交互式的探究平台，帮助学生跨越认知障碍。

三、 教学目标设计（核心素养导向）

（一）生命观念（结构与功能观）： 通过分析质膜的组成成分和结构模型，认同质膜的结构特点决定了其功能（分隔、物质交换、信息交流），并能运用该观念解释生活中的生命现象（如“出淤泥而不染”的莲、台盼蓝染色排除法）。
（二）科学思维（模型建构）： 通过观察磷脂分子结构，推理其在水中形成的双分子层；通过分析荧光标记融合实验，论证质膜的流动性。经历从静态模型到动态模型的建构过程，培养归纳概括与演绎推理能力。
（三）科学探究： 利用交互网页进行“拖拽、拼接”活动，探索膜蛋白的分布方式；通过分析科学史实验，掌握控制变量与结果分析的方法，提升科学探究的实践能力。
（四）社会责任： 结合胰岛素与糖尿病的关系、肿瘤靶向治疗（脂质体）等真实情境，体会生物学知识在医学与健康生活中的应用价值，激发科研热情与社会责任感。

四、 数智赋能下的模型建构教学实践过程

（一）创设情境，引发认知冲突
课堂伊始，教师利用大屏幕展示电子显微镜下的细胞亚显微结构图。教师提问：“同学们，我们在初中用光学显微镜观察过细胞，请问在普通光学显微镜下能否看清细胞质膜？”学生结合已有知识回答不能。教师顺势引导：“虽然看不到，但我们能观察到细胞与外界环境有着明确的界限。这层极薄的边界，是如何在复杂的水环境（细胞内液和细胞外液）中存在的？它到底是什么做成的？”由此，利用视觉冲击和认知冲突，瞬间激发了学生的探究欲。

（二）数智交互，建构静态结构模型
1. 基于事实与逻辑的磷脂双分子层构建
教师首先引导学生观察课本“表3-1”，通过对比小鼠肝脏细胞、草履虫、玉米叶细胞等不同生物的质膜成分，学生归纳出共同点——质膜主要由磷脂和蛋白质构成。教师追问：“既然成分相似，结构是否也统一呢？”
随后，教师展示磷脂分子的结构简图，并引入化学“极性分子”概念。此处是数智赋能的第一个切入点： 教师在交互屏幕上同时呈现A-E五种磷脂分子排列方式的模型。教师提问：“水是极性分子，请结合相似相溶原理，预测磷脂分子在水环境中会如何排列？”通过白板交互功能，请学生上台拖动最合理的选项。
在互动中，学生发现A、B、D、E模型均因头部或尾部直接暴露于水中而不稳定。最终，学生锁定C选项（头部朝外、尾部朝内）。此时，教师利用交互网页的3D旋转和缩放功能，全方位展示“磷脂双分子层”的空间结构，使抽象的“亲水/疏水屏障”变得具象化。教师进一步追问：“如果把这层膜铺开成单层，面积会是原来的几倍？”学生得出2倍的结论，从而深刻理解了双分子层的空间形态及屏障作用。

2. 自主探究膜蛋白与糖类的分布
教师以“肝细胞受损导致谷丙转氨酶（ALT）释放入血”的真实临床化验单数据为情境，提问：“是谁在控制物质进出？如果只有磷脂层，细胞功能是不是太单一了？就好比一座只有城墙没有城门的城市。”由此引出蛋白质的功能。
学生活动一： 学生登录数智交互网页，自主将不同形状的蛋白质（贯穿、镶嵌、附着）拖拽至磷脂双分子层中。这一过程模拟了科学家的建构过程，极大地激发了学生的探索欲，数智工具的即时反馈让学生在“拼图”中发现了膜蛋白分布的特点。
教师结合学生的拖拽结果，依次展示水通道蛋白、钠钾泵蛋白和胰岛素受体的真实工作状态3D图，引导学生将“分布位置”与“功能”进行连线匹配。归纳得出：“膜蛋白承担了膜的主要功能，细胞膜功能的复杂程度取决于膜上蛋白质的种类和数量。”
接着，教师引导学生观察膜表面的糖类（糖蛋白、糖脂），明确其仅分布在膜外侧。这不仅是细胞识别的“天线”，也是区分膜内外侧的标志，从而确立了质膜结构的不对称性。

（三）动态演示，探究质膜流动性
教师顺势提问：“静态模型建构好了，细胞膜就是像砖块一样静止不动的吗？”学生观看数智动画，直观观察磷脂分子的侧向扩散、旋转、翻转以及膜蛋白的横向移动，直观感受到分子的动态特征。
为提供更有力的实证，教师讲述1970年“红绿荧光标记人鼠细胞融合”的科学史实验。数智互动环节： 教师利用动画模拟细胞融合的全过程。学生观察发现，刚融合时细胞一半红一半绿，1小时后红绿荧光均匀混合。教师进一步提出假设性问题：“如果温度降到20℃，分布时间会延长还是缩短？”学生推理得出：温度降低，分子运动减慢，时间延长。
这一环节不仅证明了膜蛋白具有流动性，更让学生体验了温度对膜流动性的影响。同时，教师引导学生关注插在磷脂分子之间的“胆固醇”，通过生活化比喻（如“缓冲剂”），说明其对膜流动性的调节作用。

（四）回归生活，内化质膜功能
在完成结构模型的建构后，教师组织学生开展“结构与功能相适应”的归纳与演绎：

1、将细胞与外界环境分隔开： 保障内部环境相对稳定，使生命物质与外界环境分隔开。

2、控制物质进出细胞： 教师展示“出淤泥而不染”的莲和“台盼蓝染色排除法”实验。设问：“为什么活细胞不着色，死细胞着色？”引导学生理解质膜的功能特点是选择透过性。并设置“为什么植物细胞壁不能作为边界”的辨析题，纠正学生的易错认知。

3、参与细胞的信息交流： 结合PPT，教师展示胰岛素与肝细胞受体的特异性结合（间接交流）、白细胞识别血管内皮细胞（直接接触）、植物细胞的胞间连丝（通道交流）等多模态案例。结合Ⅰ型与Ⅱ型糖尿病的发病机理，将结构与功能观、稳态与平衡观自然融合，并探讨“靶向治疗”的医学前沿。

（五）总结升华，迁移应用
课程尾声，教师引导学生利用思维导图，将磷脂双分子层（骨架）、蛋白质（功能承担者）、糖类（识别）、胆固醇（调节）有机串联。
前沿拓展： 教师展示“神奇的药物递送载体——脂质体”图片。提问：“科学家如何利用磷脂分子在水中自发形成双分子层的特性，制造出包裹药物并精准杀伤肿瘤细胞的‘生物导弹’？”学生通过观察脂质体的结构，认识到所学知识在医学前沿的广阔前景。最后布置开放性作业：设计一种针对特定癌细胞的靶向脂质体模型。这不仅点燃了科研热情，更培养了学生的社会责任感和创新意识。

五、 教学反思与感悟

（一）数智赋能：从“直观呈现”走向“深度探究”
在传统教学中，细胞膜的结构往往只能通过静态图片或教师口述来呈现，学生处于被动接受状态。而本节课中，交互网页的引入不仅仅是“看”，更是“做”。学生通过拖拽磷脂、排列蛋白质，亲历了模型建构的过程。这种数智化手段真正打破了微观世界的壁垒，降低了学生的认知负荷，让学生从知识的被动消费者转变为知识的主动建构者，完美契合了“双新”倡导的探究式学习理念。

（二）模型建构：在逻辑推理中培育科学思维
模型建构不仅是教学手段，更是科学思维的外显。在推导磷脂双分子层排列方式时，教师没有直接告知答案，而是提供五种错误或正确的模型供学生基于“相似相溶”原理进行批判性选择；在探究流动性时，通过“温度改变”的假设性问题，引导学生分析实验结果。这些环节有效培养了学生归纳与概括、演绎与推理的科学思维，使核心素养的培育真正“落地”。

（三）双新落地：在真实情境中涵养核心素养
“双新”强调素养为本。本课中，肝脏受损指标化验单、糖尿病发病机理、肿瘤靶向治疗等真实情境的贯穿，使得原本枯燥的分子结构知识变得生动且充满温度。学生在解释“出淤泥而不染”的过程中理解了选择透过性；在探讨靶向药物时，感受到了生物学的社会价值。生命观念与社会责任不再是空洞的口号，而是在具体情境中生根发芽。

六、 结语

在“双新”改革和数字化转型的浪潮中，高中生物教学正经历着深刻的变革。本节课以“细胞质膜包裹”为切入点，借助数智交互技术，将微观的膜结构转化为可操作的动态模型，让学生在探究中建构知识，在推理中发展思维，在情境中感悟责任。未来，我们将继续探索人工智能、虚拟现实等前沿技术在生物教学中的应用，致力于打造更具活力、更有深度的“双新”课堂，让核心素养在每一次教学实践中真正落地生根。

参考文献：
① 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.
② 吴成军.基于生物学核心素养的模型建构教学[J].生物学教学，2019,44(05):14-17.
③ 俞如旺，林颖慧.数字化实验与模型建构在高中生物教学中的融合[J].教学与管理，2022(16):52-55.
④ 王明.指向核心素养的高中生物学概念教学策略[J].徐汇教育，2023(03):21-24.