“生物膜的流動鑲嵌模型”一節教學設計

劉朝進

摘 要 從激發興趣、閱讀分析、小組合作、動手模擬、體驗技術、歸納創新這幾個方面完成“生物膜的流動鑲嵌模型”一節的教學過程，通過探究讓學生凝聚到學習活動中來，實現學生在知識、能力和情感領域的自主發展。

關鍵詞 結構成分 結構特點 流動鑲嵌模型 小組合作

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

1 教材分析

“生物膜的流動鑲嵌模型”一課是人教版《分子與細胞》第四章第二節的內容，與第一節“物質跨膜運輸的實例”所反映的生物膜對物質的進出控制具有選擇性等知識點有一定的聯系，并作為第三節“物質跨膜運輸的方式”的基礎。整章內容表現為“實例——結構——功能”的結構體系，本節內容起承上啟下的作用。高中學生已具備了一定的觀察、認知和思維能力，對事物的本質具有探索的欲望，但往往缺乏思考的連續性和邏輯性。本節內容的教學設計旨在教師的引導下，激發學生的探究欲望，培養學生的探究能力，在實現學生知識領域發展的同時，使學生的能力和情感也得到提升。

2 教學目標

2.1 知識目標

① 簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容；

② 舉例說明生物膜具有的流動性特點。

2.2 能力目標

① 分析科學家建立生物膜結構模型過程，嘗試提出問題，大膽做出假設；

② 發揮空間想象能力，構建細胞膜的空間立體結構。

2.3 情感、態度與價值觀目標

① 形成生物結構與功能相適應的生物學辨證觀點；

② 認同技術的發展在科學研究中的作用，形成用發展的觀點看待科學的觀念。

3 教學重難點

3.1 教學重點

① 對生物膜結構的探索歷程；

② 生物膜的流動鑲嵌模型學說的基本內容。

3.2 教學難點

① 探討建立生物膜模型的過程，如何體現結構與功能相適應的觀點；

② 生物膜的流動性特點。

4 教學過程

4.1 播放動畫，導入新課

教師播放變形蟲攝食視頻，展示教材中“問題探討”欄目列出的三種材料：塑料袋、普通布和彈力布，引導學生從結構與功能相適應的角度分析哪種材料更加類似于變形蟲的細胞膜。學生很快回答：彈力布。教師追問原因，引導學生分析出因為彈力布具有動態的特點。繼續追問包括細胞膜在內的生物膜的結構到底是怎樣，引出課題。

設計意圖：通過動畫使學生的注意力迅速聚焦到課堂，在幾種材料的取舍中，學生確立了生物膜動態特點，為課堂教學的順利開展做好基礎準備。

4.2 閱讀資料，分析結構成分

教師展示資料一：

19世紀末，歐文頓選用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行上萬次的研究，發現脂溶性分子易透過細胞膜；而非脂溶性分子則難以通過。20世紀初，科學家第一次將細胞膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來，發現細胞膜不但會被能溶解脂質的物質溶解，也會被蛋白酶分解。

教師提出問題：閱讀資料，你認為生物膜的成分是什么？為什么這么認為？閱讀后對于科學研究的過程有何體會？

設計意圖：資料及問題比較簡單，學生閱讀分析可自主解答前兩個問題，有利于培養高中生自主學習、獲取信息的能力。同時學生感受到科學研究的反復性和艱苦性，體會到崇高的科研精神，對其情感、態度與價值觀的發展具有引導作用。

4.3 利用教具，建立結構模型

教師展示資料二：

1925年，荷蘭科學家E.Gorter和F.Grendel用丙酮分離出哺乳動物的紅細胞膜中的脂質，在空氣—水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍。

教師提出問題：“膜內的磷脂分子鋪成單層后，面積就會擴大兩遍，對此現象如何解釋”？

學生在討論后得出膜內有兩層磷脂分子的結論。

教師講解磷脂分子具有親水性頭部和疏水性尾部知識，要求學生繪制磷脂分子在“空氣—水”界面分布的模擬簡圖（圖1）。

小組合作一：動手設計膜中磷脂分子的排布方式。

在學生對于磷脂分子性質掌握的基礎之上，分小組討論并利用道具模擬設計膜內磷脂分子的排布方式。

設計意圖：磷脂分子的排布是微觀的，學生缺乏形象認識。教師若直接展示結構模型，必然失去探究性學習的過程，不能獲得較好的教學效果。通過教師引導學生逐步進入探究的殿堂，學生小組合作探究到兩層磷脂分子的排布方式，既使學生感受學習的樂趣，又增強小組分工合作的能力。學生對本部分內容的學習可能會遇到瓶頸。首先學生不一定能準確的得出“雙層磷脂分子”的結論，后續過程將很 難開展，筆者在這種情況下利用學案的對折和展開的對比分析進行突破。第二個瓶頸是學生可能會對磷脂分子的性質掌握不透徹或者即使在掌握了磷脂分子親疏水性，在設計膜中磷脂分子的排布方式的環節中也會粘貼出“頭部相靠，尾部朝向兩側”的錯誤模型，所以在小組動手操作之前教師可以以人紅細胞為例介紹膜外和膜內的液體環境。

教師引導：我們共同設計出細胞膜中磷脂分子的排布模式圖（圖2）。細胞膜的結構完成了嗎？還缺什么？蛋白質又是以什么方式排布在膜中的呢？

教師展示資料三：

1959年羅伯特森在電子顯微鏡下看到了細胞膜清晰的暗-亮-暗三層結構。通過課件中語音介紹電子顯微鏡技術：“電子顯微鏡是用電子束照射被檢樣品，與不同物質發生碰撞而產生不同散射度。因蛋白質電子密度高，故顯暗帶，磷脂分子電子密度低則呈亮帶。”

教師提出問題：羅伯特森提出生物膜是“蛋白質—脂質—蛋白質”構成的三層結構模型，并且描述為靜態的統一結構。對此你認同嗎？

學生聯想到開課時所看到的變形蟲的變形，對此模型表示懷疑。

教師追問：是否還有其他的實例可以證明你的懷疑？

設計意圖：在課堂開始時所播放的“變形蟲”動畫，讓學生對于生物膜的運動特性有了一定的了解，在看到“靜態”的觀點時，會感覺到有疑慮。其實這也是對學生基本的生物學觀點“結構決定功能、功能反映結構”的檢驗和強化，在生物課堂中應逐步建立學生基本的生物學思維和素養。

教師展示資料四：

20世紀60年代后，冰凍蝕刻技術的發展和電子掃描顯微鏡的發明使得人們對生物膜結構模型有了進一步的認識。請觀察“小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻的電鏡照片”和“冰凍蝕刻電鏡技術觀察的蛋白質分布模型”。

教師提出問題：通過觀察發現蛋白質并不是全部鑲在脂質表面，內部和中間也有分布，從而推翻了羅伯特森的三層結構模型，那么蛋白質到底如何分布呢？

小組合作二：動手設計膜中蛋白質分子的排布方式。

教師要求小組二次合作，各個小組蛋白質模型插入到之前設計的“脂質分子排布方式模型”中。

設計意圖：小組第一次活動設計模型所取得的成功讓學生感受到探究的興奮，但第一次設計的結果還僅是磷脂雙分子層模型。通過小組二次活動將模型結構完整化。各小組二次設計的模型不完全一致，可以觀察到有些蛋白質鑲在膜外，有些蛋白質貫穿磷脂雙分子層，有些是嵌入其中，最后通過師生一起總結，得出蛋白質在生物膜中的排布方式（圖3）。

4.4 學習技術，體驗結構特點

教師展示資料五：

1970年，Larry Frye等將人和鼠的細胞膜用不同的熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，放置一段時間后發現兩種熒光抗體均勻分布。

教師提問：通過此實驗，你感覺到細胞膜是運動的還是靜止的？總結系列探究實驗中運用的技術手段。

設計意圖：通過變形蟲的運動、細胞融合實驗以及細胞分裂、胞吞胞吐、受精作用等過程，使學生感受到生物膜“流動性”這一結構特點，這比教師通過講述法強加給學生的效果要好很多。教師在教學中需要真正發揮學生的主體作用，而不能生硬地將知識“強行告知”，“將學生當成電子儲存器”。教師適時的總結可以讓學生體驗到科學技術對生物學發展的重要作用。

4.5 歸納創新，掌握流動鑲嵌模型

教師展示資料六：

1972年桑格和尼克森在總結前人研究的基礎上，創新性地提出了“流動鑲嵌模型”。

設計意圖：本段內容是本節課的重點，但是通過前面探究資料的分析，學生對模型結構的掌握程度比較好，教師可以讓學生在經過思考之后回答圖中的空格內容（圖4）。這樣既是對課堂知識的檢測，又是對本節課內容的一個歸納。在學生進行小結之后，教師可以趁勢引導學生觀察膜外的糖蛋白結構，分析糖被的相關作用。

4.6 課堂反饋（略），拓展延伸、引導創新

教師：由于科學技術的推動、科學家的孜孜以求，科學的發展是永無止境的。生物膜的結構、功能還將進一步被揭示，而這依賴于同學們打好基礎將來為科學發展貢獻自己的一份力量。

教師提出課外拓展：

① 生物膜中除了磷脂分子和蛋白質分子外，還有其他物質嗎？請收集這方面更多的信息。

② 制作生物膜模型有沒有更好的設計方法和更合適的實驗材料，請嘗試制作立體模型。

設計意圖：中學生時代除了學習好基礎的文化知識之外，更是培養能力、情感、形成價值觀的重要階段，需要教師為學生搭建合適的平臺。網絡搜索技能在現今社會中越來越重要，拓展①可以積極培養學生的網絡應用能力；而拓展②是對學生知識、動手及設計等綜合能力的挑戰和培養。

5 教學反思

本節教學設計對科學史進行整合，分為結構成分、結構模型、結構特點三小塊內容展開探究，最后通過總結的方式對“流動鑲嵌模型”進行重點分析。對前面三小塊內容的分析是根據內容的復雜程度，設計不同的教學手段：探究結構成分主要采用閱讀資料、自主分析；在探究膜中兩種成分的排布方式即結構模型時，由于內容較為抽象，設計了兩次遞進式的小組合作活動；在講解生物膜的流動性的特點時，則是通過動畫展示科學技術、學生舉例等手段，既讓學生感受到科技手段對生物學發展的促進作用，又對流動性的特點有了直接的感官體驗。

本節課中應用了多種教學輔助手段，如多媒體課件、分組材料、自制模型教具、板書等。傳統與現代技術的有機結合要做到恰到好處，多媒體課件承擔每一段探究資料的陳述，分組材料則讓學生能夠在課堂中盡情的通過自制的方式探究生物膜的結構模型，板書則承擔起這節課整體知識框架的構建任務。課后拓展要求學生自制立體模型則可以讓學生建立空間形象思維。

為了使得整節課的知識體系更加清晰完整，使學生有一個整體的細胞觀，在課前準備教具的時候教師可以將8個小組的設計圖整合成一個圓環（注意外環和內環的大小），課堂中8個小組展示后拼接起來剛好是一個圓環代表著細胞膜，既整潔美觀又避免凌亂和占用黑板太多的空間。黑板上最后留下的就是學生自制的模型和板書，模型是學生合作成果的展示，板書既是本節課開展探究的流程，又是本節內容完整的知識框架。