浅谈如何训练学生提出假说的能力

[摘要] 以探索细胞膜结构历程中的科学史为素材，让学生先分析欧文顿的实验，体验什么是假说，再以欧文顿提出假说的过程为例，使学生明确提出假说需要经历的三个阶段，最后根据提出假说的三个阶段尝试提出学生自己的假说。学生通过训练后，提出假说的能力有了一定的提高。

[关键词] 训练 假说 流动镶嵌模型

全面提高学生的生物科学素养是新课程的核心任务。掌握一定的科学方法是提高生物科学素养中的一部份，其中假说就是一种重要的科学方法。假说是指在一定的经验材料的基础上，以一定的科学知识（即科学原理）为依据，对自然界或生物学实验中的可以观察到的现象提出一种尚待通过科学实验检验的推测或猜想[1]。

很多重要的科学学说最初都是通过先提出假说，后逐步证实得出的，如萨顿提出“基因位于染色体上”。那么如何训练学生提出假说的能力呢？本人以“生物膜的流动镶嵌模型”一课为例，来阐述如何训练学生提出假说的能力。

一、设计思路及训练过程

（一）分析欧文顿的实验，体验假说

1895年欧文顿用植物细胞研究细胞膜的通透性。他选取500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的研究，发现：脂溶性分子易透过细胞膜；而非脂溶性分子则难以通过。

学生思考：细胞膜的组成成分是什么？

展示欧文顿的假说：欧文顿根据相似相容原理提出――膜是由脂质组成的。

教师活动：解释什么是假说。特别提醒学生，假说并不是凭空的猜想或随意的想象，它必需以一定的实验事实为基础。如此例中欧文顿用了500多种化学试剂做了上万次的实验，然后才根据实验结果提出假说的。

教师提问：欧文顿的假说是否正确呢？

20世纪初，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞不但会被溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶（能专一地分解蛋白质的物质）分解。此化学分析表明：膜的主要成分是脂质和蛋白质。科学家还发现：组成膜的脂质中磷脂含量最多。

引导学生回答：这说明欧文顿的假说不完全正确，可见假说的正确与否还需要通过观察和实验进一步验证和完善。

（二）以欧文顿提出假说的过程为例，使学生明确提出假说需要经历三个阶段[1]

第一阶段：为假说提供客观事实

假说的提出要有实验和观察的事实，因为假说最初并不是通过实验观察直接证实的，而是先根据实验现象和有关知识推理得出的。

如此例中“欧文顿发现：脂溶性分子易透过细胞膜；而非脂溶性分子则难以通过。”这是欧文顿提出假说的客观事实。

第二阶段：提出假说的基本观念

假说的提出除了要有实验和观察的事实外，还需要严谨的推理和大胆的想像，即需要实验者发挥其主体性、充分运用其想象力对第一步获得的客观事实加以解释。

如“膜是由脂质组成的”是欧文顿假说的基本观念，而这一基本观念能够解释欧文顿观察到的实验现象：膜是由脂质组成的，所以根据相似相容原理，脂溶性分子易透过细胞膜；而非脂溶性分子则难以通过细胞膜。

第三阶段：从基本观念推导出假说的具体内容，假说的具体内容要能解释已知事实和预见科学。

至此，学生已经明确提出假说要经过的三个步骤了，接下来就要让学生根据这三个步骤来尝试提出他们自己的假说了。

（三）根据提出假说的三个阶段尝试提出假说

教师提问：既然膜是由脂质形成的，那脂质是如何形成膜的呢？

1925年，两位荷兰科学家作了丙酮抽提红细胞膜脂质实验：将抽提出的脂质在空气―水界面上铺成单分子层，测得其分子所占面积相当于所用红细胞表面积的2倍。

学生活动：根据以上实验事实提出假说的基本观念

师生共同推导：细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层。

教师活动：向学生展示磷脂分子的结构特点――即头部亲水尾部疏水，而细胞的内外环境均为水溶液环境。

教师提问：脂质分子会排列成怎样的两层呢？

学生活动：根据刚才的基本观念和磷脂的特点推导出假说的具体模型

此时让学生在纸上画出假说模型，然后选出几张类型各不相同的模型图用投影仪展示出来，并让他们说出思维过程。

本人在上这堂课时，发现学生经过认真思考，可以画出很多模型，本人总结大致分为四种类型，即尾部相对（A）；细胞外尾部，细胞内头部（B）；细胞外头部，细胞内尾部（C）；头部相对（D）。如下图1：

细胞外

细胞内

图1 部分学生所画的细胞膜磷脂双分子层模型

从学生展示的假说模型来看，很多学生并没有理解磷脂的特点和细胞的生活环境，但他们能画出一些模型，说明他们充分发挥了自己的想象力和推理能力，已经有了初步的提出假说的能力，这时要给予学生鼓励。

再次与学生分析磷脂的结构特点，以及细胞内外都是水溶液环境，所以细胞外是头部，才能与水结合，同样细胞内也应是头部才能与水结合。所以磷脂的尾部相对模型（A）更为合理

教师提问：刚才已经知道膜是由脂质和蛋白质组成的，那么蛋白质位于脂双层的什么位置呢？

PPT课件展示20世纪50年代罗伯特森用电子显微镜拍摄的细胞膜结构的电镜照片。电镜下显示细胞膜呈暗―亮―暗三层结构。

根据以上实验事实，让学生提出细胞膜模型。

本人在上这堂课时，大部分学生会提出“蛋白质―脂质―蛋白质”模型。也有学生提出了“脂质―蛋白质―脂质”模型，他们认为：电镜照片下暗的是一种物质，亮的肯定是另外一种物质。前面的科学家已经得出了膜的主要成分是蛋白质和脂质，而刚才分析了脂质是两层，因此膜的结构必为“脂质―蛋白质―脂质”。

本人认为这非常新颖，这说明部分学生已经能根据已掌握的知识，提出较为合理的假说。这时要给予学生充分的赞许。然后补充解释罗伯特森实验的原理：罗伯特森当时用锇酸处理了实验材料，而蛋白质经过锇酸作用后形成高电子密度的锇黑，在电镜下呈现暗色[2]。因此暗的应是蛋白质。所以罗伯特森提出“蛋白质―脂质―蛋白质”模型。

学生活动：纸上画出假说模型图，并推导出假说的具体内容

教师活动：收集几张有代表性的模型图放在投影仪上展示给全班学生看，并让这几个学生说出他们的假说的具体内容以及思维过程。

教师讲解：罗伯特森的单位膜假说模型及其内容。

师生活动：质疑单位膜假说模型――如果细胞膜是静止不动的，那细胞的生长，繁殖以及变形虫的运动等又怎么解释呢？Flash课件展示白细胞吞噬病菌的动画过程。

师生活动：由以上现象推测细胞膜也许是运动的。有没有证据能够证明这一点呢？

PPT课件展示1970年科学家用“荧光标记法”做的人―鼠细胞融合实验。

教师提问：以上实验证明了什么？

引导学生回答：证明膜是可以运动的。

可见罗伯特森的单位膜假说模型不能很好的解释细胞膜的功能，我们需要提出能更好解释细胞膜功能的假说。

PPT课件展示冰冻蚀刻技术处理细胞膜后的电镜照片，证明膜中蛋白质的分布是不对称的。

学生活动：根据以上两个实验现象提出假说模型和具体内容，在纸上画出假说模型以及写出假说的具体内容。

PPT课件展示1972年桑格和尼克森提出的流动镶嵌模型示意图并讲授流动镶嵌模型的基本内容。

教师提问：生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？

学生活动：以小组讨论的形式进行课堂活动。

通过这个活动，学生普遍认识到生物膜的流动镶嵌模型不是完美无缺的，科学结论是不断发展的和完善的，随着实验技术的不断创新和发展，流动镶嵌模型将会得到进一步的完善。

二、感受和反思

这一堂课以训练能力为主，传授知识为辅。这样设计以来，由于让学生思考和提出假说的时间较多，导致一节课时间较紧。如何解决这一矛盾呢？本人在处理“流动镶嵌模型的基本内容”时，考虑到这部分内容学生自己能看得懂，所以只是稍微点了一下，这样就节省了课堂时间。通过这一堂课的训练，学生提出假说的能力得到了一定的提高。但仅仅靠一两堂课是无法让学生的能力得到大幅度提高的，所以在以后的教学中，还要逐步渗透这样的教学方法。

参考文献

[1]刘毓森等.生物学实验论.南宁：广西教育出版社，2001

[2]刘本举.生物膜的流动镶嵌模型基于科学史的教学设计.生物学通报，2009