“生物膜的流动镶嵌模型”一节教学设计

刘朝进

摘 要 从激发兴趣、阅读分析、小组合作、动手模拟、体验技术、归纳创新这几个方面完成“生物膜的流动镶嵌模型”一节的教学过程，通过探究让学生凝聚到学习活动中来，实现学生在知识、能力和情感领域的自主发展。

关键词 结构成分 结构特点 流动镶嵌模型 小组合作

中图分类号 G633.91 文献标识码 B

1 教材分析

“生物膜的流动镶嵌模型”一课是人教版《分子与细胞》第四章第二节的内容，与第一节“物质跨膜运输的实例”所反映的生物膜对物质的进出控制具有选择性等知识点有一定的联系，并作为第三节“物质跨膜运输的方式”的基础。整章内容表现为“实例——结构——功能”的结构体系，本节内容起承上启下的作用。高中学生已具备了一定的观察、认知和思维能力，对事物的本质具有探索的欲望，但往往缺乏思考的连续性和逻辑性。本节内容的教学设计旨在教师的引导下，激发学生的探究欲望，培养学生的探究能力，在实现学生知识领域发展的同时，使学生的能力和情感也得到提升。

2 教学目标

2.1 知识目标

① 简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容；

② 举例说明生物膜具有的流动性特点。

2.2 能力目标

① 分析科学家建立生物膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆做出假设；

② 发挥空间想象能力，构建细胞膜的空间立体结构。

2.3 情感、态度与价值观目标

① 形成生物结构与功能相适应的生物学辨证观点；

② 认同技术的发展在科学研究中的作用，形成用发展的观点看待科学的观念。

3 教学重难点

3.1 教学重点

① 对生物膜结构的探索历程；

② 生物膜的流动镶嵌模型学说的基本内容。

3.2 教学难点

① 探讨建立生物膜模型的过程，如何体现结构与功能相适应的观点；

② 生物膜的流动性特点。

4 教学过程

4.1 播放动画，导入新课

教师播放变形虫摄食视频，展示教材中“问题探讨”栏目列出的三种材料：塑料袋、普通布和弹力布，引导学生从结构与功能相适应的角度分析哪种材料更加类似于变形虫的细胞膜。学生很快回答：弹力布。教师追问原因，引导学生分析出因为弹力布具有动态的特点。继续追问包括细胞膜在内的生物膜的结构到底是怎样，引出课题。

设计意图：通过动画使学生的注意力迅速聚焦到课堂，在几种材料的取舍中，学生确立了生物膜动态特点，为课堂教学的顺利开展做好基础准备。

4.2 阅读资料，分析结构成分

教师展示资料一：

19世纪末，欧文顿选用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次的研究，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。20世纪初，科学家第一次将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞膜不但会被能溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶分解。

教师提出问题：阅读资料，你认为生物膜的成分是什么？为什么这么认为？阅读后对于科学研究的过程有何体会？

设计意图：资料及问题比较简单，学生阅读分析可自主解答前两个问题，有利于培养高中生自主学习、获取信息的能力。同时学生感受到科学研究的反复性和艰苦性，体会到崇高的科研精神，对其情感、态度与价值观的发展具有引导作用。

4.3 利用教具，建立结构模型

教师展示资料二：

1925年，荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel用丙酮分离出哺乳动物的红细胞膜中的脂质，在空气—水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。

教师提出问题：“膜内的磷脂分子铺成单层后，面积就会扩大两遍，对此现象如何解释”？

学生在讨论后得出膜内有两层磷脂分子的结论。

教师讲解磷脂分子具有亲水性头部和疏水性尾部知识，要求学生绘制磷脂分子在“空气—水”界面分布的模拟简图（图1）。

小组合作一：动手设计膜中磷脂分子的排布方式。

在学生对于磷脂分子性质掌握的基础之上，分小组讨论并利用道具模拟设计膜内磷脂分子的排布方式。

设计意图：磷脂分子的排布是微观的，学生缺乏形象认识。教师若直接展示结构模型，必然失去探究性学习的过程，不能获得较好的教学效果。通过教师引导学生逐步进入探究的殿堂，学生小组合作探究到两层磷脂分子的排布方式，既使学生感受学习的乐趣，又增强小组分工合作的能力。学生对本部分内容的学习可能会遇到瓶颈。首先学生不一定能准确的得出“双层磷脂分子”的结论，后续过程将很 难开展，笔者在这种情况下利用学案的对折和展开的对比分析进行突破。第二个瓶颈是学生可能会对磷脂分子的性质掌握不透彻或者即使在掌握了磷脂分子亲疏水性，在设计膜中磷脂分子的排布方式的环节中也会粘贴出“头部相靠，尾部朝向两侧”的错误模型，所以在小组动手操作之前教师可以以人红细胞为例介绍膜外和膜内的液体环境。

教师引导：我们共同设计出细胞膜中磷脂分子的排布模式图（图2）。细胞膜的结构完成了吗？还缺什么？蛋白质又是以什么方式排布在膜中的呢？

教师展示资料三：

1959年罗伯特森在电子显微镜下看到了细胞膜清晰的暗-亮-暗三层结构。通过课件中语音介绍电子显微镜技术：“电子显微镜是用电子束照射被检样品，与不同物质发生碰撞而产生不同散射度。因蛋白质电子密度高，故显暗带，磷脂分子电子密度低则呈亮带。”

教师提出问题：罗伯特森提出生物膜是“蛋白质—脂质—蛋白质”构成的三层结构模型，并且描述为静态的统一结构。对此你认同吗？

学生联想到开课时所看到的变形虫的变形，对此模型表示怀疑。

教师追问：是否还有其他的实例可以证明你的怀疑？

设计意图：在课堂开始时所播放的“变形虫”动画，让学生对于生物膜的运动特性有了一定的了解，在看到“静态”的观点时，会感觉到有疑虑。其实这也是对学生基本的生物学观点“结构决定功能、功能反映结构”的检验和强化，在生物课堂中应逐步建立学生基本的生物学思维和素养。

教师展示资料四：

20世纪60年代后，冰冻蚀刻技术的发展和电子扫描显微镜的发明使得人们对生物膜结构模型有了进一步的认识。请观察“小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻的电镜照片”和“冰冻蚀刻电镜技术观察的蛋白质分布模型”。

教师提出问题：通过观察发现蛋白质并不是全部镶在脂质表面，内部和中间也有分布，从而推翻了罗伯特森的三层结构模型，那么蛋白质到底如何分布呢？

小组合作二：动手设计膜中蛋白质分子的排布方式。

教师要求小组二次合作，各个小组蛋白质模型插入到之前设计的“脂质分子排布方式模型”中。

设计意图：小组第一次活动设计模型所取得的成功让学生感受到探究的兴奋，但第一次设计的结果还仅是磷脂双分子层模型。通过小组二次活动将模型结构完整化。各小组二次设计的模型不完全一致，可以观察到有些蛋白质镶在膜外，有些蛋白质贯穿磷脂双分子层，有些是嵌入其中，最后通过师生一起总结，得出蛋白质在生物膜中的排布方式（图3）。

4.4 学习技术，体验结构特点

教师展示资料五：

1970年，Larry Frye等将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体标记后，让两种细胞融合，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

教师提问：通过此实验，你感觉到细胞膜是运动的还是静止的？总结系列探究实验中运用的技术手段。

设计意图：通过变形虫的运动、细胞融合实验以及细胞分裂、胞吞胞吐、受精作用等过程，使学生感受到生物膜“流动性”这一结构特点，这比教师通过讲述法强加给学生的效果要好很多。教师在教学中需要真正发挥学生的主体作用，而不能生硬地将知识“强行告知”，“将学生当成电子储存器”。教师适时的总结可以让学生体验到科学技术对生物学发展的重要作用。

4.5 归纳创新，掌握流动镶嵌模型

教师展示资料六：

1972年桑格和尼克森在总结前人研究的基础上，创新性地提出了“流动镶嵌模型”。

设计意图：本段内容是本节课的重点，但是通过前面探究资料的分析，学生对模型结构的掌握程度比较好，教师可以让学生在经过思考之后回答图中的空格内容（图4）。这样既是对课堂知识的检测，又是对本节课内容的一个归纳。在学生进行小结之后，教师可以趁势引导学生观察膜外的糖蛋白结构，分析糖被的相关作用。

4.6 课堂反馈（略），拓展延伸、引导创新

教师：由于科学技术的推动、科学家的孜孜以求，科学的发展是永无止境的。生物膜的结构、功能还将进一步被揭示，而这依赖于同学们打好基础将来为科学发展贡献自己的一份力量。

教师提出课外拓展：

① 生物膜中除了磷脂分子和蛋白质分子外，还有其他物质吗？请收集这方面更多的信息。

② 制作生物膜模型有没有更好的设计方法和更合适的实验材料，请尝试制作立体模型。

设计意图：中学生时代除了学习好基础的文化知识之外，更是培养能力、情感、形成价值观的重要阶段，需要教师为学生搭建合适的平台。网络搜索技能在现今社会中越来越重要，拓展①可以积极培养学生的网络应用能力；而拓展②是对学生知识、动手及设计等综合能力的挑战和培养。

5 教学反思

本节教学设计对科学史进行整合，分为结构成分、结构模型、结构特点三小块内容展开探究，最后通过总结的方式对“流动镶嵌模型”进行重点分析。对前面三小块内容的分析是根据内容的复杂程度，设计不同的教学手段：探究结构成分主要采用阅读资料、自主分析；在探究膜中两种成分的排布方式即结构模型时，由于内容较为抽象，设计了两次递进式的小组合作活动；在讲解生物膜的流动性的特点时，则是通过动画展示科学技术、学生举例等手段，既让学生感受到科技手段对生物学发展的促进作用，又对流动性的特点有了直接的感官体验。

本节课中应用了多种教学辅助手段，如多媒体课件、分组材料、自制模型教具、板书等。传统与现代技术的有机结合要做到恰到好处，多媒体课件承担每一段探究资料的陈述，分组材料则让学生能够在课堂中尽情的通过自制的方式探究生物膜的结构模型，板书则承担起这节课整体知识框架的构建任务。课后拓展要求学生自制立体模型则可以让学生建立空间形象思维。

为了使得整节课的知识体系更加清晰完整，使学生有一个整体的细胞观，在课前准备教具的时候教师可以将8个小组的设计图整合成一个圆环（注意外环和内环的大小），课堂中8个小组展示后拼接起来刚好是一个圆环代表着细胞膜，既整洁美观又避免凌乱和占用黑板太多的空间。黑板上最后留下的就是学生自制的模型和板书，模型是学生合作成果的展示，板书既是本节课开展探究的流程，又是本节内容完整的知识框架。