“細胞膜的結構和功能”的教學設計

陳學大

【關鍵詞】 ?結構與功能 假說 技術

【中圖分類號】 ?G633.91 ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）23-174-02

一、教學目標的確定

根據高中生物課程標準，要能簡述“細胞膜的結構與功能”，要求學生通過細胞膜的亞顯微結構的學習，理解細胞膜結構與功能的關系。其中通過細胞膜成分和結構的探索歷程的學習，能使學生認識到可以通過對現象的推理分析提出假說，假說仍然需要觀察和實驗來驗證，且隨著技術手段的改進，不斷發現新的證據，原有的觀點或理論不斷得到修正。所以本單元的教學目標有三：1.體驗科學家研究細胞膜的歷程，養成科學探究的思維方法，幫助學生提高科學素養。2.簡述流動鑲嵌模型的基本內容。3、說出細胞膜的成分及其功能。

二、教學設計思路

1.對細胞膜的關注最初是從其功能開始，然后才開始探索其有何成分及與之相關的結構。

我們本課的學習尊重科學史實，按照科學探究的順序，選取典型材料，讓學生體驗科學家的探索過程。

2.科學是一個發展的過程，在學習“探索細胞膜成分和結構歷程”的教學中，將第3章第1節與第4章第2節的內容進行了重組，讓學生沿著科學家的探索歷程自主學習，逐步構建細胞膜結構的物理模型。

3.本課的設計要使學生明白從現象中發現問題，在實驗的基礎上提出假說，又通過進一步的實驗來驗證和修正假說的科學方法。同時也使學生明白實驗技術的進步對科學發展有至關重要的作用。

三、教學重點和難點

1.教學重點：細胞膜的功能和流動鑲嵌模型的基本內容

2.教學難點：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。

四、教學過程

（一）細胞膜的功能

問題導入：鑒別動物細胞是否死亡常用臺盼藍染液，用它染色時，死細胞會被染成藍色，而活細胞不會著色。學生討論：1.為什么活細胞不能被染色，而死細胞能被染色？

2.據此推測，細胞膜作為細胞的邊界，應該具有什么功能？

學生活動：因為活細胞有細胞膜，死細胞的細胞膜被破壞。控制物質進出的功能。

教師繼續提問：細胞膜還有其他功能嗎？引導學生閱讀教材，自己總結細胞膜的功能。

老師要對第三個功能（進行細胞間的信息交流）做出講解，對學生可能感到疑惑的專有名詞如“胞間連絲”做出說明。

設計意圖：科學家對細胞膜最初的認識是來自其功能，本課創設問題情境，導入細胞膜功能的學習。

（二）細胞膜成分與結構的探索

1.對細胞膜成分的探索

教師展示【資料1】細胞膜的通透性實驗

時間：19世紀末，1895年

人物：歐文頓（E.Overton）

實驗：用500多種物質對植物細胞進行上萬次的通透性實驗，發現細胞膜對不同物質的通透性不一樣：凡是可以溶于脂質的物質，比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞。

教師提問：歐文頓提出了什么假說？

學生討論：膜是由脂質組成的（物質的相似相容原理）

教師設問：然而，這僅是推測，怎樣才能證明其正確呢？

學生討論：提取和鑒定細胞膜的化學組成

設計意圖：說明限于當時的技術條件，科學家從生理功能入手進行科學探究，根據實驗現象，得出的假說，還需要實驗的驗證

【資料2】細胞膜提取、分離和成分分析

教師引導：研究細胞膜的化學組成，首先要把細胞膜和細胞的其他結構分離開。應該選用什么細胞，采用什么方法獲得細胞膜呢？

材料：人口腔上皮細胞、豬的成熟紅細胞、洋蔥鱗片葉表皮細胞、清水等

學生討論：豬的成熟紅細胞，因為無細胞核和其他細胞器。植物細胞有細胞壁，不選。采用吸水漲破的方法。

教師講述：通過化學分析，得知組成細胞膜的脂質有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。展示磷脂分子，磷脂一端為親水性的頭，兩個脂肪酸一端為疏水性的尾，多個磷脂分子在水中總是自發地形成雙分子層。如何解釋這一現象？同學們能畫出來嗎？

學生討論：嘗試構建細胞膜的磷脂雙分子層

設計意圖：學生通過選擇材料，構建磷脂雙分子層，培養學生的理性思維。

老師設問：同學們所構建的磷脂雙分子層是否正確呢？有沒有實驗來支持呢？引出下面的科學實驗。

【資料3】兩位荷蘭科學家的實驗過程

時間：1925年

人物：荷蘭科學家戈特（E.Gorter）和格倫德爾（F.Grendel）

實驗：用丙酮從人的紅細胞中提取脂質，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兩倍。

教師設問：根據磷脂分子的特點，你能解釋單分子層嗎？戈特和格倫德爾會做出什么推斷？

學生討論：細胞膜中的脂質分子必然排列為連續的兩層。

設計意圖：戈特（E.Gorter）和格倫德爾（F.Grendel）的實驗支持了上述的模型構建。

教師設問：構成細胞膜的蛋白質分子有何位置關系呢？引出下面的科學實驗

【資料4】英國學者的實驗探索

時間：1935年

任務：英國丹尼利（J.F.Daniclli）和戴維森（H.Davson）

實驗：研究了細胞膜的張力。他們發現細胞的表面張力明顯低于油——水界面的表面張力。當時人們已發現油脂滴表面如果吸附有蛋白質成分則表面張力會降低。

教師提問：請你推斷：丹尼利和戴維森會做出怎樣的推測？

學生討論：可能附有蛋白質分子。學生可以試著構建出細胞膜的物理模型即磷脂雙分子層的表面覆蓋蛋白質。

設計意圖：油滴和磷脂分子有相似性，由此推測磷脂分子表面也可能有蛋白質，是可以做這樣類比推理的，但不一定正確。有什么實驗來只支持其假設呢？引出下面的羅伯特森的實驗。

2.對細胞膜結構的探索

教師講述：對細胞膜成分的研究發現，細胞膜主要由脂質和蛋白質組成的，此外，還有少量的糖類。其中脂質約占細胞膜總質量的50%，蛋白質約占40%，糖類占2-10%。設問：脂質和蛋白質等成分是如何組成細胞膜的呢？

“三明治”結構模型（單位膜模型的提出）

【資料5】20世紀40年代，曾經有學者推測脂質兩邊各覆蓋著蛋白質。1959年，羅伯特森（J.D.Robertson）在看到了細胞膜清晰的暗——亮——暗的三層結構。展示細胞膜結構的電鏡照片。請問：①羅伯特森提出了什么假說？②討論“三明治”模型的局限性。

學生討論：蛋白質——脂質——蛋白質，把生物膜描述為靜態的統一結構。

設計意圖：電鏡照片能支持丹尼利（J.F.Daniclli）和戴維森（H.Davson）的推測。但

羅伯特森的假說完全正確嗎？引出單位膜模型不能解釋的問題

教師呈現變形蟲運動的動態圖。設問：想想細胞膜是靜止的嗎？

學生討論：細胞膜不應是靜止的，構成細胞膜的成分應該是可以運動的。

老師設問：有實驗驗證嗎？引出下面的實驗

【資料6】人鼠細胞融合實驗

提問：用什么方法可以觀察到細胞膜中脂質和蛋白質的情況呢？

學生討論：對細胞膜上的脂質和蛋白質成分進行標記后觀察。

呈現資料：1970年，科學家所做的熒光標記的小鼠細胞和人細胞融合實驗。提問：從實驗中得到什么結論？

學生討論：細胞膜上的蛋白質分子是可以運動的。

設計意圖：用融合實驗說明細胞膜具有流動性。

老師設問：蛋白質分子的膜中的位置如何呢？看的到嗎？引出下面的新技術。

【資料7】隨著新的技術手段不斷運用于生物膜的研究，科學家發現膜蛋白并不是全部平鋪在脂質的表面，有的蛋白質鑲嵌在脂質雙分子層中。

學生活動：請在上述實驗證據的基礎上，修正所提出的細胞膜結構模型。

設計意圖：新技術手段促進科學的發展。自然而然的得到流動鑲嵌模型。

1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出的流動鑲嵌模型

（三）流動鑲嵌模型的基本內容

教師呈現細胞膜的結構模型示意圖并講述其內容。

學生觀察示意圖，與自己所構建的模型對照，自我評價。

設問：流動鑲嵌模型是否完美無缺呢？從生物膜結構的探索歷程中，你受到哪些啟發？

五、教學反思

本節課主要學習了細胞膜的成分和結構的探索過程，通過介紹科學家反復的 “實驗——假說——實驗驗證和修改“的工作，使學生身臨其境，同時也使學生領會科學的嚴謹和工作的艱辛，也使學生懂得實驗技術的進步在推動科學發展中作用。由于在分析典型材料中設計了一系列問題，層層遞進，并安排了學生的動手活動，最后的”流動鑲嵌模型“的得出是水到渠成了。

[ 參 ?考 ?文 ?獻 ]

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

[2]高中生物《分子與細胞》2019年新教材， 人民教育出版社.

[3]高中生物《分子與細胞》2007年第2版，人民教育出版社.