“生物膜流動鑲嵌模型”一節的探究性教學設計

康 珍 （河北省燕山大學附屬中學 河北秦皇島 066006）

陳兆亮 （河北省秦皇島市第一中學 河北秦皇島 066006）

“生物膜流動鑲嵌模型”一節的探究性教學設計

康 珍 （河北省燕山大學附屬中學 河北秦皇島 066006）

陳兆亮 （河北省秦皇島市第一中學 河北秦皇島 066006）

采用“提出問題→提供資料→構建模型→模型修正”的教學模式，通過“生物膜流動鑲嵌模型”的構建及有關實驗設計，體現學生“自主、探究、合作”的學習方式，感受科學家探索的歷程和探索過程的艱辛。

生物膜 流動鑲嵌模型 教學設計

1 教材分析

（1）本節是人教版生物第四章第二節內容，之前，學生已經學習了細胞膜的成分和功能，認同了細胞膜作為系統邊界對于細胞生命活動的重要意義，并通過細胞核三維結構的模型制作，具備了一定的模型制作基礎。

（2）從知識結構分析，主要包括兩部分內容：① 利用科學史教育素材，引導學生分析科學家們對細胞膜結構的探索歷程中涉及到的實驗和結論；② 通過構建細胞膜的空間立體結構，使學生理解和掌握生物膜流動鑲嵌模型的基本要點。

（3）從知識發生發展過程分析，以較多的篇幅介紹了對生物膜結構的探索歷程，并安排了2個思考與討論，讓學生在認識細胞膜結構的同時，了解這些知識的來龍去脈，認識到可以通過現象的推理分析，提出假說，構建模型，實驗驗證假說。教師引導學生隨著實驗技術的改進發現新的實驗證據，對原有的觀點進行質疑、修正和完善，歸納總結出生物膜模型建構的基本方法，從中體驗科學的實驗思想和實驗方法，認識到在建立生物膜模型的進程中，實驗技術的進步所起的作用，并在建立模型的過程中領悟結構與功能相適應的觀點。

（4）從教學重難點分析，探究生物膜的流動鑲嵌模型是本節教學重點；在建立生物膜模型的過程中，領悟結構與功能相適應的觀點是本節課教學難點。

2 教學目標

2.1 知識與技能目標

簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容；舉例說明生物膜具有流動性特點；通過分析科學家建立生物膜模型的過程闡述科學發展的一般規律。

2.2 過程與方法目標

分析科學家建立生物膜結構模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設；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

樹立生物結構與功能相適應的生物學辨證觀點；形成嚴謹的推理和大膽想象的能力；認識技術發展在科學研究中的作用，樹立辨證的科學觀。

3 教學過程

3.1 設置前概念，引入課題

學生在制作真核細胞的三維結構模型時，遇到過用什么材料做細胞膜的問題。教材中“問題探討”欄目列出了三種材料：塑料袋、普通布和彈力布。學生簡述選用彈力布的理由，說明細胞膜具有一定的彈性。通過這個問題的討論，學生會認識到建立細胞膜的結構模型，必須從結構與功能相適應的觀點出發來思考。教師提出問題：細胞膜不可能是由彈力布構成的。細胞膜到底具有怎樣的結構呢？

教師以此調動學生已有的知識和經驗，激發學生的探究欲望，將學生分析生物學問題的角度引導到結構與功能相適應上。

3.2 細胞膜成分的探究

教師提供歐文頓實驗資料背景，展示動畫課件，引導學生進行合理分析，做出假設。

教師提出問題：早期對生物膜結構的探究是從生理功能入手，還是用顯微鏡觀察生物膜去想像它的結構入手？為什么？最初認識到細胞膜是由脂質組成的，是通過對現象的推理分析，還是通過對膜成分的提取和鑒定？在推理分析得出結論后，還有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定嗎？

學生小組合作，從歐文頓的實驗所得到的信息回答思考與討論，總結出細胞膜的主要成分為脂質，并結合20世紀科學家從哺乳動物紅細胞獲取了細胞膜，分析知其成分還有蛋白質和少量糖類。

學生通過對問題的思考，從而激發思維探究的欲望，引起學習的興趣，培養主動獲取知識的能力、歸納能力及與同學交流信息的能力，并對科學過程和方法的理解能力進一步提高，建立起生物與化學知識的交叉點。

3.3 細胞膜結構探究

教師展示科學家對細胞膜結構探究的事實性資料，引導學生自主構建模型，并修正，完善模型。

教師展示磷脂分子的結構模式圖，并告知學生磷脂分子的組成成分及頭部具有親水性、尾部具有疏水性的特點

教師出示資料：1917年，歐文·朗繆爾將提取的膜質鋪展在水盤的水面上，發現脂質在水面上形成一脂單層。

模型構建1：根據磷脂分子特性，構建磷脂分子在空氣-水界面上的排布模型。

學生分組合作，嘗試各種擺放，畫出模型圖，教師適當點撥，磷脂的頭部和尾部對水的親和力不同，然后請學生展示各組所畫模型圖（圖1），并進行組間評價，最后總結出正確模型（圖1B）。

教師展示“戈特和格倫德爾對血影的研究”材料，兩位科學家分離純化了紅細胞中的脂質，發現提取的脂質鋪展后所測的面積同實際測量的紅細胞的表面積之比為（1.8～2.2）∶1，約為兩倍。

圖1 學生繪制的磷脂分子在空氣-水界面上的排布模型圖

學生據數據很容易推出：細胞膜中的磷脂是兩層的。

教師提出問題：那這兩層磷脂分子在細胞中又是怎樣排布的呢？是頭對頭、尾對尾、還是頭對尾？此時，學生的求知欲上升。

模型構建2：考慮紅細胞內外的生存的液體環境，嘗試構建細胞膜中磷脂分子的排布模型。

在學生構建模型時，教師加以引導，提醒學生注意，細胞內外是以水為基礎的液體環境，磷脂分子的頭部具親水性和尾部具疏水性。經過指導，學生很快構建出模型，進行組間評價，總結出正確模型（圖2）。

圖2 磷脂分子在細胞膜中的排布模型

教師提出問題：蛋白質和磷脂的位置關系又是如何的呢？并展示“羅伯特森的單位膜模型”材料，其用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示厚約7.5 nm的暗—明—暗三層結構，它由厚約3.5 nm的雙層脂質分子和內外表面各為厚約2 nm的蛋白質構成，從而形成蛋白質—磷脂—蛋白質的三層結構，稱之為單位膜。

模型構建3：根據資料內容，嘗試對模型2進行修正。

在教師引導下，小組合作，交流，展示修正后模型（圖3）。

圖3 細胞膜單位膜模型

教師指出：新發現，單獨測量膜蛋白質厚度為5～10 nm，磷脂厚度為3.5 nm，一般細胞膜厚度僅為5～10nm。根據模型的推算細胞膜厚度是多少。這說明構建的模型與實際相符嗎？羅伯特森的推斷正確嗎？教師引導學生分析、思考，培養學生勇于質疑的精神。

教師轉折：新技術帶來了突破……教師展示“冰凍蝕刻技術”材料：將細胞置于液氮中冷凍變成固態，用冷刀驟然將標本斷開，升溫后冰在真空中迅速升華，暴露斷面，并用電鏡觀察（圖4）。

圖4 蛋白質分子在脂質中的分布模式圖

教師引導學生觀察模式圖，提醒特別關注蛋白質在磷脂中山如何分布的？對稱、均勻嗎？

模型構建4：可據圖4觀察分析，再次修正模型。

由圖4學生知，蛋白質在細胞膜中的分布式不均勻的，且是不對稱的，有些蛋白質分子貫穿整個磷脂雙分子層，對如何再次修正模型學生了然于胸。學生展示模型（圖5），教師評價并總結。

圖5 蛋白質分子在脂質中的分布模式圖

在建立細胞膜模型的過程中，實驗技術的進步起到了關鍵性的推動作用。如血影的制取和化學成分的鑒定技術使人們認識膜的化學組成；電子顯微鏡的誕生使人們終于看到了膜的存在；冰凍蝕刻技術和掃描電子顯微鏡技術使人們認識到膜的內外兩側并不對稱。結構與功能相適應的觀點始終引導人們不斷實踐、認識，再實踐、再認識；實驗技術進步和人類對真理的渴求使人類一步步接近事實的真相。

3.4 細胞膜結構特點的探究

單位膜結構模型繼承了前人的有關結論，又成功地利用了先進的電子顯微鏡的觀察結果作為證據。科學家將細胞膜描述為靜態的剛性的結構，這一點很快又被新的技術手段下的實驗所否定。

教師提出問題：有什么證據證明細胞膜中的物質不是靜態的呢？

教師播放變形蟲的變形運動、白細胞吞噬病原體的過程、細胞分裂的動畫，讓學生從感性上認識膜不是剛性結構。教師展示“熒光標記小鼠細胞和人細胞融合實驗”材料，將人和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，雜種細胞一半發紅色熒光、另一半發綠色熒光，放置一段時間后發現兩種熒光抗體均勻分布。

學生對實驗媒體資料的觀察，了解細胞膜具有流動性。教師利用多媒體增加教學的直觀性，促進學生對知識的理解，培養學生主動獲取知識的能力、歸納能力。

3.5 生物膜流動鑲嵌模型的提出

教師展示1972年桑格和尼克森提出的流動鑲嵌模型圖片，并要求沉重結合細胞膜結構的探究歷程述說出生物膜流動鑲嵌模型的基本內容嗎。學生看圖描述出生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容，培養了對知識主動歸納、總結，遷移能力。

3.6 利用概念圖（圖6）對知識總結內化

圖6 生物膜流動鑲嵌模型一節概念圖

4 教學反思

本節課在教學設計上主要突出科學史的教育。科學史的教學是在新教材中特別強調和突出的，在舊教材中涉及不多，要教好不容易。教師在備課時要細致策劃如何有效地引導學生分析不同時期不同科學家的實驗及假說，評價他們的貢獻；要能通過一連串的環環相扣的問題來引導學生思維，要讓學生身臨其境，遵循科學家的研究歷程；最后讓學生從中總結出科學發現的一般規律。

以學生“自主、探究、合作”的學習方式來優化課堂學習與教學，實現課程教學目標。本節課“提出問題→提供資料→構建模型→模型修正”的教學模式，配以多媒體輔助教學，尤其在體驗生物膜的探索歷程上給學生以動態的感覺，使學生在樂趣中學、在輕松中學。

G633.91

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文件編號：1003-7586(2017)10-0019-03