“生物膜的流動鑲嵌模型”一節的教學設計

張國權

(山東省聊城市莘縣實驗高級中學 聊城 252400)

1 教材分析

“生物膜的流動鑲嵌模型”是人教版必修1《分子與細胞》第4章第2節的內容。在本模塊第2章已經學習了磷脂是構成生物膜的重要成分，膽固醇是構成動物細胞膜的重要成分；第3章學習了細胞膜的制備、功能及主要成分；第4章第1節又通過物質跨膜運輸實例學習了細胞膜具有選擇性功能的特點。以上學習內容為本節的學習做了鋪墊，引發了學生對細胞膜結構的極大好奇心。對“生物膜流動鑲嵌模型”的本質理解，能夠使學生深刻領悟細胞膜功能，也為本章第3節物質跨膜運輸方式的學習奠定基礎。

科學本質是理科學習領域中的一項科學素養，與2017版普通高中生物學課程標準中“教學過程重實踐”的基本理念相符，在教學中理應得到重視。生命科學史蘊含著豐富的科學本質教育素材，本節教學嘗試將生物膜結構探索歷程的資料融入其中，促使學生建構結構與功能相適應的生命觀念，同時培養學生的科學思維能力和科學本質觀。

2 教學目標

依據課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過對生物膜結構探索歷程資料的分析，構建和理解生物膜流動鑲嵌模型的基本內容，形成結構與功能相適應的生命觀念。

(2) 能夠運用生物膜流動鑲嵌模型闡釋變形蟲的運動、細胞分泌過程等生命現象。

(3) 經歷對生物膜結構的探索和模型建構過程，體驗科學發展過程，學習科學探究方法，養成科學精神。

3 教學過程

3.1 文藝導課 “是誰，隔開了原始海洋的動蕩。是誰，奏鳴了生命的交響。是誰，為我日夜守邊防。是誰，為我傳信報安康。啊，偉大的細胞膜呀！沒有你，我會是何等模樣！”通過對該詩歌的閱讀，讓學生體會并說出細胞膜的結構及功能特點。進而提出： 細胞膜有怎樣的結構與其選擇透過性功能相適應呢？

設計意圖： 課堂導入給學生一種新鮮的文藝感受，激發學生對生物學學習的興趣。利用結構與功能相適應的觀點提出問題，引導學生深入思考。

3.2 生物膜結構的探索歷程和模型建構 具體教學設計過程如下：

3.2.1 生物膜組成成分的探究 為學生提供兩則科學史資料。

資料分析1： 提供歐文頓對植物細胞的通透性的實驗，詳見教材第65頁。讓學生從細胞膜成分方面思考并推測出實驗結論。

資料分析2： 20世紀初，科學家第1次從哺乳動物成熟的紅細胞中分離出細胞膜，經過化學方法分析發現： 細胞膜的主要成分是磷脂和蛋白質[1]。

設問： 用哺乳動物成熟的紅細胞做研究材料制備細胞膜有什么優點？你可以用什么實驗方法證明細胞膜中存在蛋白質？其他生物膜的主要組成成分與細胞膜相同嗎？歐文頓為什么沒有運用化學分析的方法來驗證自己的假設？

學生較容易回答用哺乳動物成熟的紅細胞制備細胞膜的優點，及可用雙縮脲試劑鑒定蛋白質等。教師還可補充酶分解法，并提示細胞分泌過程中生物膜間的轉化以及科學的發展受限和依賴于認知水平、技術條件和方法選擇。

設計意圖： 體會科學研究的艱辛、嚴謹和科學家持之以恒的科學精神。領會恰當選擇實驗材料對科學研究成功至關重要，假說需通過觀察和實驗進行驗證和完善，科學發展需要技術的支持。

3.2.2 生物膜結構的模型建構 帶領學生建構三個模型。

模型建構1： 生物膜中磷脂分子的排布

資料分析3： 細胞膜中的脂質主要是磷脂。磷脂的結構特點見教材第66頁。

設問： 在水面上磷脂分子將會以什么方式排布？細胞膜兩側都是水溶液，那么膜磷脂分子又是怎樣排布的呢？可以用什么實驗材料和方法驗證你的推測？

學生通過想象在紙上繪圖，教師給予激勵性評價，學生初步形成對生物膜中磷脂分子排布方式的推測。

資料分析4： 1925年，兩位荷蘭科學家用丙酮從人的紅細胞中提取脂質，在水面上鋪展成單分子層，最終測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍[1]。

學生得出結論： 生物膜應該是雙分子層，結合細胞膜兩側都是水溶液這一事實，那么雙層的磷脂分子應該是以尾部相對排布。此時，教師及時提醒學生對在紙上繪的圖進行修正。

設計意圖： 通過遞進問題進行資料分析和推理，得出細胞膜中磷脂分子排布的結論，感受學習過程中挑戰成功的喜悅，并注意到科學研究中科學思維的重要性。

模型建構2： 生物膜中蛋白質分子的分布

資料分析5： 給出膜蛋白分子親水和疏水區域在膜蛋白分子表面分布的4種情況。讓學生大膽猜測膜中蛋白質分子的分布，并畫出示意圖；再思考實驗驗證辦法。教師選出較為典型的示意圖進行展示。

資料分析6： 提供羅伯特森(J.D. Robertson)看到的細胞膜結構電鏡照片(教材第66頁圖4-4)。設問：“根據觀察到的“暗—亮—暗”現象，生物膜會是怎樣的結構？”學生此時會對前面的猜測產生質疑，而認同羅伯特森提出的靜態的單位膜模型。

資料分析7： 提供冰凍蝕刻電鏡下細胞膜示意圖。學生看到圖示后，又對羅伯特森的生物膜模型提出質疑。教師此時說明：“暗—亮—暗”的兩條暗線是蛋白質和脂質親水端經鋨酸染色后，密度大所致，并非蛋白質[2]。然后讓學生據圖對自己的猜測予以評價和修正，并建構生物膜結構模型。

設計意圖： 通過對兩種實驗現象的分析及與自己推測結果的比對過程，親身體驗對生物膜認識的變化，感受技術對科學發展的推動作用和科學知識是逐步修正發展的。

模型建構3： 生物膜流動鑲嵌模型

資料分析8： 播放變形蟲運動視頻、吞噬細胞胞吞視頻、細胞分泌過程動畫。設問：“生物膜是靜止不動的嗎？羅伯特森提出的生物膜模型能解釋這些現象嗎？”學生依據現象得出否定的觀點，并形成“生物膜并不是靜止的，而應具有流動性”的正確認識。

資料分析9： 演示不同溫度下經不同顏色熒光染料標記膜蛋白的小鼠細胞和人細胞的融合過程。學生得出“生物膜中的蛋白質分子是可以運動的，并且受溫度的影響”這一結論。教師指出熒光標記比同位素標記更易于觀察和操作，再設問：“組成生物膜的分子都是可以運動的嗎？”

資料分析10： 在細胞膜的胞質側上，有些膜蛋白質分子連接到細胞骨架被固定。在細胞膜外側，有些膜蛋白質分子連接到胞外基質的纖絲上被固定[3]。科學研究表明，生物膜中的磷脂分子有多種運動方式(圖1)。

圖1 膜中磷脂分子運動方式示意圖

學生得出“生物膜中磷脂分子和多數蛋白質分子的運動，使得生物膜具有一定的流動性”的結論。教師指出： 生物膜的流動性受到溫度的影響，其實質是分子運動受溫度影響。

再讓學生觀察生物膜的結構模型示意圖(教材第68頁圖4-6)，自學糖被的內容后，概括生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容，運用流動鑲嵌模型解釋細胞運動、細胞分泌等現象，對自己繪制的生物膜結構模型進行補充和修正。

設計意圖： 使學生認識到科學理論或模型應能解釋自然現象，形成結構與功能相適應的生命觀念。通過現象觀察、實驗驗證等，強化科學知識基于實驗證據，技術對科學知識的推動作用，體驗科學知識的發展性。

3.3 對生物膜的進一步認識 提供資料分析11： 提供1988年K. Simons等人提出的脂筏模型。學生再進一步完善對生物膜結構模型的認知和建構。

設計意圖： 感知生物膜結構的復雜性以及人們對科學本質認識的漸進性，激發對生物膜“真相”的探究欲望。感悟科學是不斷發展的，不承認有終極的真理，不斷創新趨向真理。

3.4 課堂小結 設問： ①生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容有哪些？②縱觀科學家對生物膜結構的探索歷程，你受到什么啟示？

學生總結生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容，繪制生物膜的概念圖，可參考圖2。最后，教師總結生物膜結構的探索歷程中蘊含的科學本質。

設計意圖： 突出本節課的主旨。重點是加深理解生物膜的流動鑲嵌模型，將已有知識系統化；形成對科學的正確認知，理解科學本質，發展科學素養。

3.5 課外延伸 給學生布置兩個活動： ①搜索生物膜研究的最新進展及應用，并進行交流。②利用廢舊物品制作生物膜結構模型，相互評價其仿真性和藝術性。

圖2 生物膜的概念圖

設計意圖： 活動1滿足學生對生物膜的探索欲望，發展信息素養和自主學習能力，學習科學方法和領悟科學思維，促進學生對STS的認識和形成正確的科學價值觀。活動2加深生物膜流動鑲嵌模型基本內容的理解，培養學生的合作意識、創新精神，以及事物真實性為基礎的藝術美化創作能力。

4 教學反思

本節課運用結構與功能相適應的觀點，采用資料分析、動手繪圖等，讓學生根據已有知識和實驗現象進行演繹推理、提出假設后，進一步思考實驗方法，再通過科學家的有關實驗驗證，逐步建立、修正、完善生物膜結構模型。整堂課圍繞生物膜結構模型的建構，滲透科學本質教育。學生在體驗科學研究的過程中，形成敢于質疑、勇于創新、重視合作的科學探究精神和品質，認識到科學發現的過程是一個長期而艱辛的過程；領悟到科學認識應來自實驗和實踐，應重視科學研究方法的改進和創新；理解科學知識是開放的和不斷發展的，應具有國際視野，注重學科間的相互滲透以及與技術的相互推動作用。