“生物膜流动镶嵌模型”一节的探究性教学设计

康 珍 （河北省燕山大学附属中学 河北秦皇岛 066006）

陈兆亮 （河北省秦皇岛市第一中学 河北秦皇岛 066006）

“生物膜流动镶嵌模型”一节的探究性教学设计

康 珍 （河北省燕山大学附属中学 河北秦皇岛 066006）

陈兆亮 （河北省秦皇岛市第一中学 河北秦皇岛 066006）

采用“提出问题→提供资料→构建模型→模型修正”的教学模式，通过“生物膜流动镶嵌模型”的构建及有关实验设计，体现学生“自主、探究、合作”的学习方式，感受科学家探索的历程和探索过程的艰辛。

生物膜 流动镶嵌模型 教学设计

1 教材分析

（1）本节是人教版生物第四章第二节内容，之前，学生已经学习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活动的重要意义，并通过细胞核三维结构的模型制作，具备了一定的模型制作基础。

（2）从知识结构分析，主要包括两部分内容：① 利用科学史教育素材，引导学生分析科学家们对细胞膜结构的探索历程中涉及到的实验和结论；② 通过构建细胞膜的空间立体结构，使学生理解和掌握生物膜流动镶嵌模型的基本要点。

（3）从知识发生发展过程分析，以较多的篇幅介绍了对生物膜结构的探索历程，并安排了2个思考与讨论，让学生在认识细胞膜结构的同时，了解这些知识的来龙去脉，认识到可以通过现象的推理分析，提出假说，构建模型，实验验证假说。教师引导学生随着实验技术的改进发现新的实验证据，对原有的观点进行质疑、修正和完善，归纳总结出生物膜模型建构的基本方法，从中体验科学的实验思想和实验方法，认识到在建立生物膜模型的进程中，实验技术的进步所起的作用，并在建立模型的过程中领悟结构与功能相适应的观点。

（4）从教学重难点分析，探究生物膜的流动镶嵌模型是本节教学重点；在建立生物膜模型的过程中，领悟结构与功能相适应的观点是本节课教学难点。

2 教学目标

2.1 知识与技能目标

简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容；举例说明生物膜具有流动性特点；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 过程与方法目标

分析科学家建立生物膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆作出假设；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

树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点；形成严谨的推理和大胆想象的能力；认识技术发展在科学研究中的作用，树立辨证的科学观。

3 教学过程

3.1 设置前概念，引入课题

学生在制作真核细胞的三维结构模型时，遇到过用什么材料做细胞膜的问题。教材中“问题探讨”栏目列出了三种材料：塑料袋、普通布和弹力布。学生简述选用弹力布的理由，说明细胞膜具有一定的弹性。通过这个问题的讨论，学生会认识到建立细胞膜的结构模型，必须从结构与功能相适应的观点出发来思考。教师提出问题：细胞膜不可能是由弹力布构成的。细胞膜到底具有怎样的结构呢？

教师以此调动学生已有的知识和经验，激发学生的探究欲望，将学生分析生物学问题的角度引导到结构与功能相适应上。

3.2 细胞膜成分的探究

教师提供欧文顿实验资料背景，展示动画课件，引导学生进行合理分析，做出假设。

教师提出问题：早期对生物膜结构的探究是从生理功能入手，还是用显微镜观察生物膜去想像它的结构入手？为什么？最初认识到细胞膜是由脂质组成的，是通过对现象的推理分析，还是通过对膜成分的提取和鉴定？在推理分析得出结论后，还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗？

学生小组合作，从欧文顿的实验所得到的信息回答思考与讨论，总结出细胞膜的主要成分为脂质，并结合20世纪科学家从哺乳动物红细胞获取了细胞膜，分析知其成分还有蛋白质和少量糖类。

学生通过对问题的思考，从而激发思维探究的欲望，引起学习的兴趣，培养主动获取知识的能力、归纳能力及与同学交流信息的能力，并对科学过程和方法的理解能力进一步提高，建立起生物与化学知识的交叉点。

3.3 细胞膜结构探究

教师展示科学家对细胞膜结构探究的事实性资料，引导学生自主构建模型，并修正，完善模型。

教师展示磷脂分子的结构模式图，并告知学生磷脂分子的组成成分及头部具有亲水性、尾部具有疏水性的特点

教师出示资料：1917年，欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂质在水面上形成一脂单层。

模型构建1：根据磷脂分子特性，构建磷脂分子在空气-水界面上的排布模型。

学生分组合作，尝试各种摆放，画出模型图，教师适当点拨，磷脂的头部和尾部对水的亲和力不同，然后请学生展示各组所画模型图（图1），并进行组间评价，最后总结出正确模型（图1B）。

教师展示“戈特和格伦德尔对血影的研究”材料，两位科学家分离纯化了红细胞中的脂质，发现提取的脂质铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。

图1 学生绘制的磷脂分子在空气-水界面上的排布模型图

学生据数据很容易推出：细胞膜中的磷脂是两层的。

教师提出问题：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？是头对头、尾对尾、还是头对尾？此时，学生的求知欲上升。

模型构建2：考虑红细胞内外的生存的液体环境，尝试构建细胞膜中磷脂分子的排布模型。

在学生构建模型时，教师加以引导，提醒学生注意，细胞内外是以水为基础的液体环境，磷脂分子的头部具亲水性和尾部具疏水性。经过指导，学生很快构建出模型，进行组间评价，总结出正确模型（图2）。

图2 磷脂分子在细胞膜中的排布模型

教师提出问题：蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？并展示“罗伯特森的单位膜模型”材料，其用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示厚约7.5 nm的暗—明—暗三层结构，它由厚约3.5 nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2 nm的蛋白质构成，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。

模型构建3：根据资料内容，尝试对模型2进行修正。

在教师引导下，小组合作，交流，展示修正后模型（图3）。

图3 细胞膜单位膜模型

教师指出：新发现，单独测量膜蛋白质厚度为5～10 nm，磷脂厚度为3.5 nm，一般细胞膜厚度仅为5～10nm。根据模型的推算细胞膜厚度是多少。这说明构建的模型与实际相符吗？罗伯特森的推断正确吗？教师引导学生分析、思考，培养学生勇于质疑的精神。

教师转折：新技术带来了突破……教师展示“冰冻蚀刻技术”材料：将细胞置于液氮中冷冻变成固态，用冷刀骤然将标本断开，升温后冰在真空中迅速升华，暴露断面，并用电镜观察（图4）。

图4 蛋白质分子在脂质中的分布模式图

教师引导学生观察模式图，提醒特别关注蛋白质在磷脂中山如何分布的？对称、均匀吗？

模型构建4：可据图4观察分析，再次修正模型。

由图4学生知，蛋白质在细胞膜中的分布式不均匀的，且是不对称的，有些蛋白质分子贯穿整个磷脂双分子层，对如何再次修正模型学生了然于胸。学生展示模型（图5），教师评价并总结。

图5 蛋白质分子在脂质中的分布模式图

在建立细胞膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；冰冻蚀刻技术和扫描电子显微镜技术使人们认识到膜的内外两侧并不对称。结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；实验技术进步和人类对真理的渴求使人类一步步接近事实的真相。

3.4 细胞膜结构特点的探究

单位膜结构模型继承了前人的有关结论，又成功地利用了先进的电子显微镜的观察结果作为证据。科学家将细胞膜描述为静态的刚性的结构，这一点很快又被新的技术手段下的实验所否定。

教师提出问题：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？

教师播放变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体的过程、细胞分裂的动画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构。教师展示“荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验”材料，将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

学生对实验媒体资料的观察，了解细胞膜具有流动性。教师利用多媒体增加教学的直观性，促进学生对知识的理解，培养学生主动获取知识的能力、归纳能力。

3.5 生物膜流动镶嵌模型的提出

教师展示1972年桑格和尼克森提出的流动镶嵌模型图片，并要求沉重结合细胞膜结构的探究历程述说出生物膜流动镶嵌模型的基本内容吗。学生看图描述出生物膜的流动镶嵌模型的基本内容，培养了对知识主动归纳、总结，迁移能力。

3.6 利用概念图（图6）对知识总结内化

图6 生物膜流动镶嵌模型一节概念图

4 教学反思

本节课在教学设计上主要突出科学史的教育。科学史的教学是在新教材中特别强调和突出的，在旧教材中涉及不多，要教好不容易。教师在备课时要细致策划如何有效地引导学生分析不同时期不同科学家的实验及假说，评价他们的贡献；要能通过一连串的环环相扣的问题来引导学生思维，要让学生身临其境，遵循科学家的研究历程；最后让学生从中总结出科学发现的一般规律。

以学生“自主、探究、合作”的学习方式来优化课堂学习与教学，实现课程教学目标。本节课“提出问题→提供资料→构建模型→模型修正”的教学模式，配以多媒体辅助教学，尤其在体验生物膜的探索历程上给学生以动态的感觉，使学生在乐趣中学、在轻松中学。

G633.91

B

文件编号：1003-7586(2017)10-0019-03