“生物膜的流动镶嵌模型”一节的探究教学设计

陈 云

(江苏省溧水高级中学 211200)

1 教材分析

“生物膜的流动镶嵌模型”是人教版必修1《分子与细胞》第四章“细胞的物质输入和输出”第二节的内容，主要介绍了科学家对生物膜成分与结构的探索历程和生物膜流动镶嵌模型的基本内容。之前，学生已了解了细胞膜的成分和功能，认同了细胞膜作为系统边界对于细胞生命系统的重要意义；并通过真核细胞三维结构模型的制作，具备了一定的模型制作基础。

探究生物膜的流动镶嵌模型，是本节课教学的重点；在生物膜成分与结构的探索历程的教学中，如何体现结构与功能相适应的观点是难点。本节教学中，教师应避免直接将生物膜流动镶嵌模型的内容告诉学生，落入“死记硬背、枯燥无味”的窠臼。而应让学生在认识生物膜结构的同时，了解知识的来龙去脉，带着学生一起沿着科学家的足迹，进行一次生物膜结构的探索之旅。在教学中，可以引导学生通过对现象的推理分析提出假说、自主建模，并及时提供不断发现的“新证据”， 通过观察和实验来验证，不断修正原有的观点或模型。这样，可以激发学生探究的兴趣，引导学生体悟科学研究的方法，培养学生自主探究的能力。

2 教学目标

2.1 知识目标 简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容；通过分析科学家建立生物膜模型的过程阐述科学发展的一般规律。

2.2 能力目标 尝试提出问题、作出假设，根据已知信息做出判断并自主构建物理模型。

2.3 情感态度与价值观目标 树立结构与功能相适应的生物学观点；初步形成严谨推理和大胆想象的能力；认识技术的发展在科学研究中的作用。

3 教学过程

3.1 回忆旧知，引入课题 教师投影学生制作的真核细胞“三维结构模型”照片，其中细胞膜材料有塑料袋、普通布和弹力布等。学生简述当时选用该种“细胞膜”材料的理由，教师提出：细胞膜真的是一块布构成的吗？它到底具有怎样的结构呢？

由此以学生的“前概念”为教学的始发点，促进学生建构科学概念。也激起学生进一步探究的兴趣，引导其从“结构与功能相适应”的角度分析生物学问题。

3.2 细胞膜成分的探究 展示科学家研究细胞膜成分的资料，引导学生进行合理分析，做出大胆假设。

资料1 19世纪末，欧文顿(E.Overton)用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次的实验，发现：凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

提出问题：根据欧文顿的实验现象，你能否对细胞膜的成分做出合理的假设？细胞膜由脂质组成的认识，是通过对现象的推理分析，还是对膜成分的提取和鉴定取得的？在推理分析得出结论后，还有必要对膜成分进行提取、分离和鉴定吗？那为什么一开始不直接对细胞膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

学生分组交流、讨论并回答，组间相互评价、补充，教师总结并指出：20世纪初，科学家才将细胞膜从哺乳动物红细胞中提取出来。发现细胞膜的主要成分就是脂质(主要是磷脂)和蛋白质，此外，还有少量糖类。

学生通过对问题的深入思考与分析，认识到假说是在实验和观察的基础上提出的，还需要进一步实验来证明。同时，体会到科学发现需要实验技术的支持。

3.3 细胞膜结构的探索 展示科学家探究细胞膜结构的相关资料，引导学生尝试自主构建模型，并不断修正、完善模型。

教师补充：磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。其结构模式图(图1)。

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图1 磷脂分子结构模式图

资料2 1917年，朗姆瓦(Langmuir)用苯将细胞膜中的磷脂分子提取出来，然后把磷脂的苯溶液铺在水面上。当苯挥发后，留下的磷脂分子在水面上形成脂单层。

模型构建1 根据磷脂分子特点，构建磷脂分子在空气—水界面的排布模型。

学生分组讨论并尝试画出模型图。在讨论、交流的过程中，教师适时点拨：磷脂分子的不同部位与水的亲和力不同。然后请学生展示构建的模型，教师及时评价、总结并投影模型(图2)。

图2 磷脂分子在空气—水界面上的排布

资料3 1925年，荷兰科学家戈特(E.Gorter)和格伦德尔(F.Grendel)用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气—水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰好为红细胞表面积的2倍。

学生根据该实验现象容易推断出：细胞膜中的脂质(磷脂)分子必然排列为连续的两层。可磷脂分子是怎样排列的呢？是头对头、尾对尾，还是头对尾？这是个问题呀！(此时，学生的探究欲望高涨)

模型构建2 思考红细胞膜所处的环境，尝试构建细胞膜中磷脂分子的排布模型。

图3 磷脂分子在细胞膜中的排布

教师提出问题：细胞膜中磷脂分子的排列方式解决了，可蛋白质分子又是如何分布的呢？

资料4 1959年罗伯特森(J.D.Robertson)在电镜下观察到细胞膜的暗-亮-暗三层结构。根据成像原理：在电镜下电子密度高的如蛋白质，显暗色；电子密度低的如磷脂，显亮色。

展示细胞膜的电镜照片，由学生根据资料中所给信息推测蛋白质在膜中的分布情况(培养学生提取、归纳信息的能力，鼓励学生大胆假设)。

模型构建3 根据对上述资料的分析，尝试对模型2进行完善。

在教师的引导下，学生大胆假设：细胞膜中亮-暗-亮的三层结构就是蛋白质-脂质-蛋白质结构(新模型的构建水到渠成)。学生展示、交流，教师评价并投影模型(图4)。

图4 细胞膜的单位膜模型

教师指出：同学们构建的模型就是罗伯特森提出的“单位膜模型”。他认为：生物膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构构成，是静态的统一结构(居然和科学家想到一块儿去了，学生内心喜悦，科学探究竟是如此有趣)。

然而， 新的发现：单独测量膜蛋白质厚度约为5～10nm，磷脂层厚度约3.5nm，人们发现一般细胞膜的厚度仅为5～10nm。根据我们的模型推算细胞膜的厚度是多少呢？这说明构建的模型与实际情况相符吗？罗伯特森的推断正确吗？(展现实际测量结果与假设之间的矛盾，引导学生分析、反思，培养学生勇于质疑的精神)教师转折：新的实验技术带来了突破……

资料5 冰冻蚀刻技术：将细胞置于-196℃液氮中，让细胞膜变成固态。用冷刀骤然将标本断开，升温后冰在真空条件下迅速升华，暴露出断面结构。在电镜下观察(图5)。

教师引导学生对模式图进行观察，要求学生先分别找出磷脂分子和蛋白质分子，再特别关注蛋白质在磷脂中如何分布？是否对称、均匀？

模型构建4 根据观察分析的结果，尝试修改原来的模型。

通过观察，学生知道蛋白质在细胞膜中的分布是不均匀的，或镶或嵌或贯穿于磷脂双分子层。如何修改模型学生已经了然于胸。学生展示模型，教师评价并投影模型(图6)。

教师引导学生再次观察图5：细胞膜的蛋白质分子上还有一些链状结构，那是糖类分子。它们常常与蛋白质结合成糖蛋白，分布在细胞膜的外侧，具有细胞识别作用。并要求学生进一步完善模型。

图6 蛋白质分子在脂双层上的分布模型

在细胞膜结构的探索过程中，将科学史演绎为探究素材，引导学生合作探究，自主建模。学生在建模的过程中不断地深化对细胞膜结构的认识，并体会科学发现是经过不断认识、修正、再认识，最终一步步接近事实真相的。

3.4 细胞膜结构特点的探索 罗伯特森认为生物膜是静止的，但我们在显微镜下常可以看到这样的现象(展示变形虫运动、吞噬细胞吞噬细菌的动画，要求学生特别关注细胞膜)。看来细胞膜不可能是静止的。

资料6 (荧光标记技术)1970年，科学家用荧光标记的小鼠细胞和人细胞进行细胞融合实验(教材中荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验示意图)。

资料7 科学家经实验发现：动物细胞吸水时，磷脂双分子层的厚度会变小。

教师提问过渡：思考上述资料，你能得到怎样的启示？由此说明，细胞膜具有怎样的结构特点？(培养学生提取、归纳信息的能力)

3.5 生物膜流动镶嵌模型的提出 展示资料8：1972年，桑格(S.J.Singer)和尼克森(G.Nicolson)在观察和实验的基础上提出了流动镶嵌模型，投影展示教材的生物膜结构模型示意图。

教师提问：你能结合我们对细胞膜结构的探索历程说说流动镶嵌模型的基本内容吗？细胞膜具有怎样的结构特点？

3.6 课堂总结 教师对学生自主探索构建的生物膜模型进行充分的肯定，强调和突出本节主要内容——“生物膜的流动镶嵌模型”所包含的三个方面：分子组成(脂质、蛋白质、糖类)、分子分布(磷脂双分子层、蛋白质：镶、嵌、贯穿)、结构特点(具有流动性)，形成知识的整体性。

4 教学反思

本节课以“生物膜结构的探究历程”为线索，以尝试构建模型为方式，让学生充分参与到科学的发现和思考之中，不断地进行分析推理，构建模型，又不断地修正和完善模型。通过学习，学生学习了科学研究方法：实验现象→分析推理→做出假设→实验验证→得出结论，体验了科学探究的乐趣和艰辛，也认识到实验技术的进步对科学发展起着重要的推动作用。同时，也培养了科学探究的能力。