“细胞膜的结构和功能”的教学设计

陈学大

【关键词】  结构与功能 假说 技术

【中图分类号】  G633.91             【文献标识码】  A   【文章編号】  1992-7711（2019）23-174-02

一、教学目标的确定

根据高中生物课程标准，要能简述“细胞膜的结构与功能”，要求学生通过细胞膜的亚显微结构的学习，理解细胞膜结构与功能的关系。其中通过细胞膜成分和结构的探索历程的学习，能使学生认识到可以通过对现象的推理分析提出假说，假说仍然需要观察和实验来验证，且随着技术手段的改进，不断发现新的证据，原有的观点或理论不断得到修正。所以本单元的教学目标有三：1.体验科学家研究细胞膜的历程，养成科学探究的思维方法，帮助学生提高科学素养。2.简述流动镶嵌模型的基本内容。3、说出细胞膜的成分及其功能。

二、教学设计思路

1.对细胞膜的关注最初是从其功能开始，然后才开始探索其有何成分及与之相关的结构。

我们本课的学习尊重科学史实，按照科学探究的顺序，选取典型材料，让学生体验科学家的探索过程。

2.科学是一个发展的过程，在学习“探索细胞膜成分和结构历程”的教学中，将第3章第1节与第4章第2节的内容进行了重组，让学生沿着科学家的探索历程自主学习，逐步构建细胞膜结构的物理模型。

3.本课的设计要使学生明白从现象中发现问题，在实验的基础上提出假说，又通过进一步的实验来验证和修正假说的科学方法。同时也使学生明白实验技术的进步对科学发展有至关重要的作用。

三、教学重点和难点

1.教学重点：细胞膜的功能和流动镶嵌模型的基本内容

2.教学难点：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。

四、教学过程

（一）细胞膜的功能

问题导入：鉴别动物细胞是否死亡常用台盼蓝染液，用它染色时，死细胞会被染成蓝色，而活细胞不会着色。学生讨论：1.为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？

2.据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？

学生活动：因为活细胞有细胞膜，死细胞的细胞膜被破坏。控制物质进出的功能。

教师继续提问：细胞膜还有其他功能吗？引导学生阅读教材，自己总结细胞膜的功能。

老师要对第三个功能（进行细胞间的信息交流）做出讲解，对学生可能感到疑惑的专有名词如“胞间连丝”做出说明。

设计意图：科学家对细胞膜最初的认识是来自其功能，本课创设问题情境，导入细胞膜功能的学习。

（二）细胞膜成分与结构的探索

1.对细胞膜成分的探索

教师展示【资料1】细胞膜的通透性实验

时间：19世纪末，1895年

人物：欧文顿（E.Overton）

实验：用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：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。

教师提问：欧文顿提出了什么假说？

学生讨论：膜是由脂质组成的（物质的相似相容原理）

教师设问：然而，这仅是推测，怎样才能证明其正确呢？

学生讨论：提取和鉴定细胞膜的化学组成

设计意图：说明限于当时的技术条件，科学家从生理功能入手进行科学探究，根据实验现象，得出的假说，还需要实验的验证

【资料2】细胞膜提取、分离和成分分析

教师引导：研究细胞膜的化学组成，首先要把细胞膜和细胞的其他结构分离开。应该选用什么细胞，采用什么方法获得细胞膜呢？

材料：人口腔上皮细胞、猪的成熟红细胞、洋葱鳞片叶表皮细胞、清水等

学生讨论：猪的成熟红细胞，因为无细胞核和其他细胞器。植物细胞有细胞壁，不选。采用吸水涨破的方法。

教师讲述：通过化学分析，得知组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。展示磷脂分子，磷脂一端为亲水性的头，两个脂肪酸一端为疏水性的尾，多个磷脂分子在水中总是自发地形成双分子层。如何解释这一现象？同学们能画出来吗？

学生讨论：尝试构建细胞膜的磷脂双分子层

设计意图：学生通过选择材料，构建磷脂双分子层，培养学生的理性思维。

老师设问：同学们所构建的磷脂双分子层是否正确呢？有没有实验来支持呢？引出下面的科学实验。

【资料3】两位荷兰科学家的实验过程

时间：1925年

人物：荷兰科学家戈特（E.Gorter）和格伦德尔（F.Grendel）

实验：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为红细胞表面积的两倍。

教师设问：根据磷脂分子的特点，你能解释单分子层吗？戈特和格伦德尔会做出什么推断？

学生讨论：细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层。

设计意图：戈特（E.Gorter）和格伦德尔（F.Grendel）的实验支持了上述的模型构建。

教师设问：构成细胞膜的蛋白质分子有何位置关系呢？引出下面的科学实验

【资料4】英国学者的实验探索

时间：1935年

任务：英国丹尼利（J.F.Daniclli）和戴维森（H.Davson）

实验：研究了细胞膜的张力。他们发现细胞的表面张力明显低于油——水界面的表面张力。当时人们已发现油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低。

教师提问：请你推断：丹尼利和戴维森会做出怎样的推测？

學生讨论：可能附有蛋白质分子。学生可以试着构建出细胞膜的物理模型即磷脂双分子层的表面覆盖蛋白质。

设计意图：油滴和磷脂分子有相似性，由此推测磷脂分子表面也可能有蛋白质，是可以做这样类比推理的，但不一定正确。有什么实验来只支持其假设呢？引出下面的罗伯特森的实验。

2.对细胞膜结构的探索

教师讲述：对细胞膜成分的研究发现，细胞膜主要由脂质和蛋白质组成的，此外，还有少量的糖类。其中脂质约占细胞膜总质量的50%，蛋白质约占40%，糖类占2-10%。设问：脂质和蛋白质等成分是如何组成细胞膜的呢？

“三明治”结构模型（单位膜模型的提出）

【资料5】20世纪40年代，曾经有学者推测脂质两边各覆盖着蛋白质。1959年，罗伯特森（J.D.Robertson）在看到了细胞膜清晰的暗——亮——暗的三层结构。展示细胞膜结构的电镜照片。请问：①罗伯特森提出了什么假说？②讨论“三明治”模型的局限性。

学生讨论：蛋白质——脂质——蛋白质，把生物膜描述为静态的统一结构。

设计意图：电镜照片能支持丹尼利（J.F.Daniclli）和戴维森（H.Davson）的推测。但

罗伯特森的假说完全正确吗？引出单位膜模型不能解释的问题

教师呈现变形虫运动的动态图。设问：想想细胞膜是静止的吗？

学生讨论：细胞膜不应是静止的，构成细胞膜的成分应该是可以运动的。

老师设问：有实验验证吗？引出下面的实验

【资料6】人鼠细胞融合实验

提问：用什么方法可以观察到细胞膜中脂质和蛋白质的情况呢？

学生讨论：对细胞膜上的脂质和蛋白质成分进行标记后观察。

呈现资料：1970年，科学家所做的荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验。提问：从实验中得到什么结论？

学生讨论：细胞膜上的蛋白质分子是可以运动的。

设计意图：用融合实验说明细胞膜具有流动性。

老师设问：蛋白质分子的膜中的位置如何呢？看的到吗？引出下面的新技术。

【资料7】随着新的技术手段不断运用于生物膜的研究，科学家发现膜蛋白并不是全部平铺在脂质的表面，有的蛋白质镶嵌在脂质双分子层中。

学生活动：请在上述实验证据的基础上，修正所提出的细胞膜结构模型。

设计意图：新技术手段促进科学的发展。自然而然的得到流动镶嵌模型。

1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出的流动镶嵌模型

（三）流动镶嵌模型的基本内容

教师呈现细胞膜的结构模型示意图并讲述其内容。

学生观察示意图，与自己所构建的模型对照，自我评价。

设问：流动镶嵌模型是否完美无缺呢？从生物膜结构的探索历程中，你受到哪些启发？

五、教学反思

本节课主要学习了细胞膜的成分和结构的探索过程，通过介绍科学家反复的 “实验——假说——实验验证和修改“的工作，使学生身临其境，同时也使学生领会科学的严谨和工作的艰辛，也使学生懂得实验技术的进步在推动科学发展中作用。由于在分析典型材料中设计了一系列问题，层层递进，并安排了学生的动手活动，最后的”流动镶嵌模型“的得出是水到渠成了。

[ 参  考  文  献 ]

[1]翟中和，王喜忠，丁明孝，主编.《细胞生物学》第3版，高等教育出版社83，88，94.

[2]高中生物《分子与细胞》2019年新教材， 人民教育出版社.

[3]高中生物《分子与细胞》2007年第2版，人民教育出版社.