生物膜的流动镶嵌模型教学设计

《生物膜的流动镶嵌模型》的教学设计
吕海峰 湖北省鄂州市教研室（436000）
纪巧玲 湖北省鄂州高中 （436000）
1 教学设计
1.1设计思想
本节课以《生物课程标准》所倡导的教学理念：面向全体学生、提高生物科学素养、倡导探究性学习为设计指导思想。把培养会学习、具有高度科学文化素养和人文素养的人作为最终教学目标。充分利用现代信息技术和信息资源，科学地安排教学过程的各个环节，以实现教学过程的优化。
1.2设计思路
本节课采用“提供资料→提出问题（要求）→构建模型→提供实验验证”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过程的艰辛。生物膜结构模型的建构历程比较长，这方面的资料也比较多。教材仅选取了部分主要内容，基本按照时间进程排列，未加小标题。要想让学生自己理清脉络并体验结构模型的构建方法还是有一定难度的。教学中对探索历程的内容添加小标题凸显脉络，像层层剥去笋衣一样，将小标题作为思考讨论的切入点一一展开，帮助学生梳理并体验结构模型的建构方法，同时理解并能够描述流动镶嵌模型的基本内容。
“层层剥去笋衣”的过程显现了“结构与功能相适应”的生物学观点以及实验技术的进步对科学模型建立和发展所起的作用。
2 教学分析
2.1 教材分析
人教版必修1第4章共3节内容，第1节《物质跨膜运输的实例》，第2节《生物膜的流动镶嵌模型》，第3节《物质跨膜运输的方式》。第1节主要说明细胞膜是选择透过性膜。膜为什么具有选择透过性？这与膜结构有关，膜结构又是解释物质跨膜运输的方式的基础。这3节内容的内在联系是：功能—结构—功能。由此可见，本节内容在第4章中起着承上启下的作用，有助于帮助学生建立结构与功能相适应的观点。
本节主要包括两个部分内容：1、对细胞膜结构的探索历程。教材中以较多的篇幅介绍了对生物膜的探索历程，并安排了两个“思考与讨论”，让学生在认识生物膜结构的同时，了解这些知识的来龙去脉，认识到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，科学学说并非一成不变，需要不断修正、发展和完善；科学发展与技术有很大的关系，技术的进步可以更好地促进科学的发展。2、生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。学生在对细胞膜结构的探索历程的相关知识讨论之后，就可以归纳总结流动镶嵌模型的基本要素，学生必须展开想象力，通过制作模型等，构建细胞膜的空间立体结构，理解和掌握生物膜的流动镶嵌模型的基本要点。
2.2学情分析
学生已经学习了组成细胞的分子、细胞的基本结构，尤其是细胞膜作为最基本生命系统的边界等相关知识，为本节知识的学习奠定了基础。高中生具备了一定的观察和认知能力，分析思维的目的性、连续性和逻辑性也已初步建立，但还很不完善，对事物的探索好奇，又往往具有盲目性，缺乏目的性，并对探索科学的过程与方法及结论的形成缺乏理性的思考。
2.3教学重点与难点
2.3.1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
2.3.2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。
3 教学目标
3.1知识方面
（1）通过分析科学家建立生物膜模型的过程，阐述科学发现的一般规律。
（2）举例说明生物膜具有流动性特点。
（3）简述生物膜的流动镶嵌模型学说的基本内容，尝试制作生物膜模型
3.2能力方面
（1）通过分析科学家建立生物膜模型的过程，尝试提出问题，作出假设。
（2）发挥空间想象力，通过制作模型，构建细胞膜的空间立体结构。
3.3情感态度与价值观方面
（1）探讨在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步所起的作用。
（2）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。
4 教学策略与手段
4.1设计问题串，引导学生以“自主、探究、合作”的形式进行学习。
4.2采用直观、讨论、演绎、比较等方法实现师生互动、生生互动。
4.3由于本节教学内容属于生物学史，对学习者而言比较枯燥， 因此采用“直观教学”和“学生的研究性学习”相结合的教学模式。通过问题、模型演示、绘图及多媒体手段，引导学生发现问题及提出问题，构建模型，并不断修正评价，进而突破难点；以概念图的构建和动画演示，引导学生更好的理解和构建流动镶嵌模型。
5 教学过程
教师的组织和引导 学生活动 教学意图
[引入]
[问题探讨] 在制作真核细胞三维结构模型的活动中，选用塑料袋、普通布和弹力布三种材料做细胞膜，哪种材料更适于体现细胞膜的功能？ [小组讨论回答] 三种材料的特性：塑料袋不具有通透性，普通布不具有柔变性，而弹力布不仅具有柔变性，还具有一定的通透性。 点燃学生的好奇之火，激发学生对生物膜结构的强烈兴趣和渴望探索的动机。
[师生共识] 选择弹力布做细胞膜的材料，相对好一些。
[过渡] 当然，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，才能使它具有上述功能？你还能想出更好的材料做细胞膜？ 今天就让我们一起去亲历科学家的探索历程吧! [效果] 让学生更广泛地调动已有的知识和生活经验，通过联想和想象，进行更广阔和深入的思考，以培养他们发散思维的能力，同时进一步强化探究欲望
[新课]
一．生物膜结构的探索历程
[过渡] 一种物质或物体的结构是指其组成成分之间的组合形式。如：细胞的结构是指细胞膜、细胞质、细胞核之间的组合形式。要弄清某一物质或物体的结构，首先要弄清其化学组成成分。那么，细胞膜的组成成分是什么？[设疑] 探究细胞膜的化学组成成分，为什么不用化学分析的方法呢？ [小组讨论回答] 限于当时的技术条件，科学家们不知道细胞膜的结构，只好从研究细胞膜的生理现象入手来探究其化学组成成分。 开始学习模型建构的方法。
[小标题一] 从细胞膜功能入手的科学探究
[展示资料1] 细胞膜的通透性实验时间： 1895年科学家：欧文顿（E.Overton）实验：物质对细胞膜的通透性问题：①实验的现象是什么？②根据这些实验证据，你能判断出细胞膜的成分是什么？在做出这个判断的时候，你用到了以前学过的什么知识？[设疑] 学生得到了与欧文顿（E.Overton）基本相同的推测，教师同时强调只凭借这些实验，证据似乎不够。这个结论暂时成为假说：膜是由脂质组成的。假说是否还需要进一步的实验和观察来验证和完善？ [展示资料2] 细胞膜提取分离和成分分析时间：20世纪初实验：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。
问题：根据这样的实验结果，我们对细胞膜组成成分有什么新的认识？ [阅读] P65教材正文第二段。[观察] 欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性实验[小组讨论回答]①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。②根据相似相容原理，细胞膜是由脂质构成的。[回答] 需要[阅读] P65教材正文第三段。[小组讨论回答]进一步确定细胞膜是由脂质组成的，同时细胞膜中还有蛋白质成分。 学生对实验结果进行分析，分析时学会利用原有知识，加上目前的实验证据综合做出判断假说是怎样提出的。科学的探索要具备严密的思维。
[小标题二] 单位膜模型的提出
[过渡]科学家后来确定了细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质。细胞膜中的化学成分是怎样有机结合构成细胞膜的呢 教师出示磷脂的分子结构图，讲解结构特点。让学生推测水表面的单层磷脂分子会怎样排列？并尝试用简图表示[展示资料3] 两位荷兰科学家实验过程时间：1925年科学家：荷兰科学家Gorter和Grendel实验：磷脂平铺在空气—水界面问题：①实验的现象是什么？ ②解释为什么磷脂在空气——水界面上铺展成单分子层？③实验结论是什么？④推测细胞膜中的磷脂分子是怎样排列的？尝试用简图表示[展示资料4] “三明治”结构模型时间：1959年科学家：罗伯特森（J.D.Robertsen）实验：罗伯特森电镜下观察到的细胞膜问题：①实验的现象是什么？②罗伯特森提出了什么假说？ ③讨论“三明治”模型的局限性？ [思考并绘图] 说出所绘图形的理由[阅读] P65教材正文第三段[观察] 动画演示两位荷兰科学家实验示意图。[小组讨论回答]①测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。②因为磷脂分子是由磷酸、甘油、脂肪酸组成。其磷酸“头部”是亲水性的，其脂肪酸“尾部”是疏水性的。该结构决定了在空气——水界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，“尾部”则朝向空气一面。③细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层。④思考并绘图[阅读] P66教材正文第一段[观察] 展示罗伯特森电镜下观察到的细胞膜。[小组讨论回答]①在电镜下看到了细胞膜清晰的“暗—亮—暗”三层结构。②所有生物膜都是由“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构构成的静态统一结构。③把生物膜描述为静态的刚性结构，解释不了膜的许多生理功能。 训练学生进行有依据、符合逻辑的推理。建立模型。利用刚获得的知识，进一步建立细胞膜的磷脂分子层的模型技术进步推动了假说的发展。
[小标题三] 新技术带来新模型
[过渡] 随着科学技术的进步，人们从新的实验现象入手对细胞膜的分子结构作出了新的判断。[展示资料5] 免疫荧光技术细胞融合实验时间：1970年科学家：弗雷(Frye)和埃迪登(Edidin)实验：人鼠细胞融合问题：①实验的现象是什么？②实验结论是什么？③例举细胞膜具有流动性？[智慧升华] 1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）通过观察和实验，并在继承前人的研究成果基础上，提出了什么样的生物膜分子模型并被人们所接受。 [阅读] P67教材正文第二段[观察]动画演示小鼠细胞和人细胞的融合过程。[小组讨论回答]①两种颜色的荧光均匀分布。②细胞膜具有流动性（膜分子是运动的）。③白细胞吞噬细菌、变形虫运动。[形成共识]1972年，桑格和尼克森提出了最具代表性的生物膜模型——流动镶嵌模型。 随着技术进步，假说不断被修正和完善。突出模型建构方法：实验、推理想像→提出假说→进一步验证完善→不断发展。总结结构与功能相适应的观点。人类对自然的认识是永无止境的。
[科学精神和科学品质渗透]纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，有些话题想让大家思考讨论。（1）生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请说说你的看法（2）纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验技术的进步起到怎样的作用？（3）分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得到体现的？ 学生以讨论小组的形式开展课堂讨论交流。达成共识： 生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型； 在建立生物膜模型的过程中，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；荧光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。没有这些技术的支持，人类的认识便不能发展。在建立生物膜模型的过程中，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；使人类一步步接近生物膜结构的真相。在生命系统中，一般来说，功能的不同常伴随着结构的差异，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，这显然与不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。还有，不同膜的厚度也不完全一样。由此促进学者们重新研究脂质和蛋白质相互作用的问题。一些学者使用了更加先进的技术，运用红外光谱等技术证明，膜蛋白主要为球形结构，这样又发展了生物膜模型。生物膜中存在不同种类的蛋白质，以及蛋白质在生物膜中的不同分布情况，恰能较好地解释不同结构的生物膜具有不同的生理功能。 实现“情感、态度与价值观”课程目标。
二、流动镶嵌模型的基本内容
[动画演示] 细胞膜的亚显微结构模型[自学问题]①生物膜的基本支架是什么？②蛋白质分子有哪几种存在形态？③膜分子是静止的，还是运动的？[知识拓展] 磷脂分子的运动方式。1侧向扩散 2旋转运动 3摆动运动4翻转运动 5伸缩震荡 6旋转异构 [阅读] P68教材正方第一段[观察] 三维立体动画演示生物膜的流动镶嵌模型[小组讨论回答]①磷脂双分子层。（亲水性头部朝向两侧，疏水性尾部朝向内侧）② 蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的嵌入磷脂双分子层中，有的横跨磷脂双分子层。（体现了生物膜的不对称性）③磷脂分子和大多数蛋白质分子都是运动的。（体现了生物膜的结构特点具有流动性）[能力提升] 通过观看磷脂分子的运动方式，进一步加深分子运动的直观感受。 通过动画演示和直观图片，强化生物膜“流动镶嵌模型”的基本内容。
[小结]
[师生合作] 共同绘制生物膜的概念图 运用绘“概念图”，将已有知识系统化、网络化
[巩固]
[绘图] 绘制细胞膜的亚显微结构示意图[要求]1．准确绘制出细胞膜的基本支架、蛋白质的三种位置和糖被。2．准确标注出各部分的结构名称，且用平行线。 [生生合作] 复习强化“流动镶嵌模型”的基本内容，突出教学学重点。
[课后拓展]
1.请利用互联网搜索科学家对生物膜研究的最新进展资料，并通过自己的加工将资料整理出来，拿到班上相互交流。参考网页：www.labsky.comwww. www. www.www.www.xssc.ac.cn ( http: / / www.21cnjy.com / " \o "欢迎登陆21世纪教育网 )2．利用废旧物品制作生物膜模型 培养学生对问题的科学思维方法和探究精神，帮助学生提高对信息技术运用的熟练程度，发展学生的信息素养。
6、教学反思 （略）