“生物膜的流动镶嵌模型”的教学设计——郑州回中原艳艳

“生物膜的流动镶嵌模型”教学设计
原艳艳（郑州市回民中学河南郑州 450000）
摘要：通过引导学生自主构建模型，体验生物膜结构的探索历程，注重学生自主、合作、探究的学习方式，激发学生的探究欲望，培养学生的逻辑推理和提出假说能力，达成教学目标。

关键词：生物膜流动镶嵌模型教学
1.教材分析
1.1 教材分析“生物膜的流动镶嵌模型”一节是人教版《必修—分子与细胞》第四章“细胞的物质输入和输出”的第二节，是前面第3章“细胞的基本结构”第1节“细胞膜—系统的边界”的一个延伸与拓展，并且和本章第1节“物质跨膜运输的实例”有密切联系，为第三节“物质跨膜运输的方式”的学习做了知识准备，这三节内容的联系主线是：功能（实例）——结构——功能（原理）。

所以，本节在第四章中起着承上启下的作用。

本节课的主要内容有：①科学家探索细胞膜化学成分与结构的科学史；②生物膜的流动镶嵌模型。

前者是适合学生探究性学习的较好素材。

以科学史作为线索，把科学家探索细胞膜的有关实验整理并转化为适合学生课堂探究的小课题，让学生亲历探究过程，体验科学探究的魅力，同时加强了科学方法教育，并且初步归纳并深刻体验科学探究的四大步骤，这条历史线是一条科学探究线。

在借助教具建构模型时培养了学生的批判性思维能力，并体验了科学结论的可修正性与发展性。

经历了一系列主体性探究活动后，对流动镶嵌模型的接受是水到渠成的，这样既避免了传统教学方法导致的死记硬背现象，又能使学生在思维与推理能力上得到发展。

并且学生能够在大量的感知、表象、与再造想象的基础上借助自己的分析与探究实现对流动镶嵌模型的间接理解。

因此，这条活动线是一条能力提升线，两条主线贯穿整个课堂。

1.2 学情分析高中学生具备了一定的观察和认知能力，但是对问题探索的动力主要来自对相关问题的好奇与有趣水平，目的性不十分明确，所以教师的思维导向就显得十分重要。

本节课利用科学史实验资料，设计学生要探究的问题，让学生在问题引导下进行基于资料和问题的课堂探究活动，问题的设计层层深入，按照学生的思维水平和能力达到一定深度，使学生顺利由感性认识向理性认识过度。

2．设计思路
本节课采用“提供资料→提出问题（要求）→做出假设（构建模型）→提供实验验证→得出实验结论”的教学模式。

充分利用科学家的实验以及所提出的假说，有效引导学生对其进行分析与评价，通过“生物膜流动镶嵌模型”的平面模型和立体模型构建，及有关活动设计，让他们充分进行“自主、探究、合作”的学习，在问题引导下积极思维，在合作讨论中有效学习，在模型建构中感受科学家探索历程的艰辛和探索的乐趣，在整个探究性学习中升华知识。

同时对探索历程的内容以小课题的形式以凸显脉络，像“层层剥去笋衣”一样，将问题串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，同时能够描述生物膜流动镶嵌模型的基本内容。

3.学习目标：
3.1通过探究生物膜结构的历程，学生能够说出生物膜流动镶嵌模型的基本内容，提升批判性思维和提出假说的能力。

3.2通过小组合作，动手制作平面模型到立体模型，体会生物膜结构和功能相适应的观点。

3.3通过梳理科学史的思维主线，学生明晰科学理论得出的一般步骤，认同技术进步对科学发展的推动作用，提高生物科学素养。

4.教学重难点：
4.1教学重点：生物膜流动镶嵌模型的基本内容。

4.2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。

5. 教具准备：
多媒体课件，小黑板，生物膜平面模型图片，立体模型构建的橡皮泥，铁丝，海绵等。

6. 教学过程：
6.1 创设情境，引出课题
首先请大家来欣赏一种生命现象——“变形虫的摄食”，它的运动与最外层的什么结构有关？细胞膜，请大家回忆之前学习过的细胞膜的三项功能。

细胞膜之所以有这样复杂的功能是由它的什么决定的呢？对，结构。

结构与功能相适应是生物学中很重要的一项观点，今天我们就来揭开细胞膜结构的神秘面纱，来体验科学家的整个探索历程。

此时给学生明确学习目标。

6.2 资料与构建模型引领，突破重难点
6.2．1 探索细胞膜的化学成分
下述资料全部用多媒体课件呈现。

资料一：欧文顿（E.Overton）的物质通透性实验（1895年）
用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现脂质更容易通过细胞膜。

提出问题：①你能得出什么结论？
②生物膜是由脂质组成的，这个结论的依据是对现象的推理分析还是对膜成分的提取和鉴定？
学生代表回答，其他小组进行补充、评价与修正，教师总结。

在这个过程中，学生根据实验结果进行大胆推理和合理想象得出的称为假说，还需要实验来验证。

资料二：20世纪初，科学家首先从哺乳动物成熟红细胞中分离出膜。

研究表明膜的成分主要是脂质和蛋白质。

这个实验验证了刚才的假说。

从科学方法入手，使学生学习了科学假设的提出，并认同假设必须有实验支持，假设经过实验的进一步验证才能成为科学理论。

细胞膜中的脂质怎样排布呢？
6.2.2探索细胞膜中脂质和蛋白质的排布方式
细胞膜中的脂质主要指的是磷脂。

由于学生对磷脂分子一无所知，这个问题应该用讲授法进行教学。

通过多媒体课件展示磷脂分子的结构图，讲解磷脂分子的结构与特性：一个磷脂分子由头部和尾部组成，头部由一分子胆碱、一分子磷酸和一分子甘油组成，尾部由两个脂肪酸分子构成。

头部是亲水的，尾部是疏水的。

通过一个动画，让学生理解磷脂分子的结构特点。

活动一：利用你小组的知识推理和想象，提出假说，构建磷脂分子在水表面（空气－水界面）上的排布模型？
请大家利用手中的平面教具，红色代表磷脂分子，在小黑板上构建。

该问题的解决主要是为学生探究细胞膜内磷脂分子的排布方式做好准备。

学生通过小组合作探究构建出排布模型。

并请小组学生代表展示，并阐述设计理念。

学生评价后，全班共同展示，教师做出评价。

磷脂分子在空气—水界面上的排布方式
细胞膜中的磷脂分子也排列成磷脂单分子层的形式吗？
资料三：两位荷兰科学家Gorter和Grendel的红细胞膜实验（1925年）
两位科学家用丙酮从人的成熟红细胞膜中提取脂类，在空气--水界面上铺成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞膜总面积的两倍。

提出问题：你能得出什么结论？
这个问题能有效训练科学推理能力，可以想到细胞膜中可能是双层脂质分子，顺利提出假说。

细胞膜中的脂质会排列成怎样的两层呢？
活动二：两层磷脂分子在细胞膜中有几种可能的排布方式？尝试根据细胞膜的内外环境，哪一种是最合理的？构建细胞膜中磷脂分子的排布模型。

在课件上给出提示：细胞的生活环境图片。

以小组为单位进行自主探究合作，继续在小黑板上构建。

一般情况下，学生可以构建出四种可能的排布方式，其中最合理的是：
给学生留出充分的讨论探究的时间，然后小组代表回答，其余小组补充、评价、修正，最后教师总结并对学生的探究结果给予肯定。

根据学生的讨论或回答情况，最后教师总结：细胞膜的内、外两侧是怎样的环境？我们把得出的模型称为磷脂双分子层。

在这个探究活动中，学生利用已有的知识进行科学推理与分析，细胞内外都是水溶液，磷脂分子头部亲水而尾部疏水，所以双层磷脂分子的头部朝向细胞膜的两侧，尾部均朝向膜中间，即尾对尾。

这种理解属于深层次理解，达到了知其然更知其所以然。

细胞膜中除了脂质外，还有蛋白质，那蛋白质在磷脂双分子层中怎样排布呢？这时向学生介绍科学实验技术的发展对科学理论的推动，电子显微镜的诞生，人们终于看清楚了膜的结构。

资料四：罗伯特森（J.D.Robertsen）的电镜实验（1959年）
用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构，提出了生物膜的模型：所有的生物膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成，生物膜是静态的结构。

提出问题：你同意他的观点吗？
这个问题学生很容易能回答出来，不同意。

继续提出问题：根据以前所学知识，你能找出三明治模型还有什么不足之处吗？说一说你的理由。

让学生利用已有的知识评价三明治模型，有利于学生批判性思维能力的提高，并且能很好地让学生认同科学理论的可修正性，对于情感态度与价值观目标的达成起到很好的作用。

但是这个问题有一定难度，教师可以提示学生：能不能根据我们所学的知识找到反驳的证据？
学生可以找到有关证据，如变形虫的运动，植物细胞质壁分离与复原的实验，分泌蛋白的分泌过程，白细胞的吞噬作用等。

此时，教师可以通过多媒体展示图片。

但这只是细胞膜流动性现象，不足以证明细胞膜流动性。

资料五：Larry Frye等的人、鼠细胞融合实验（1970年）
利用免疫荧光染色技术，将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体染料标记后，让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，37℃条件下培养40分钟，发现两种荧光均匀分布。

提出问题：该实验结果说明了什么问题？
学生通过思考很容易得出结论：细胞膜上的蛋白质不是静止的，而是具有一定的流动性。

后来科学家用实验也验证了磷脂分子也是运动的。

我们把它总结为细胞膜的结构特点----具有一定的流动性。

我们再来回顾罗伯特森的三明治结构模型，蛋白质全分布于脂双层的两侧，且对称分布。

随着科技的不断发展，人们对膜的研究更加深入，有人质疑：蛋白质只分布于膜两侧且对称分布吗？不一定，请大家大胆想象，合理推测脂双层中蛋白质的分布方式有哪些?
活动三：依据你现在掌握的知识，构建脂双层中蛋白质的分布方式，并做出相应阐述。

学生利用手中的平面教具，以小组为单位继续构建模型。

学生构建结束后，并请学生代表展示，并阐述排布方式有哪些。

学生修正完善后，教师做出评价。

那是科学家正确还是大家正确呢？要靠实验来验证。

新的技术手段不断发展，教师介绍冰冻蚀刻电子显微法技术，利用这一技术在电镜下看到的照片表明蛋白质在脂双层中的分布是不对称的，还分布于中间。

此时教师总结这实际上就是生物膜的平面结构模型。

引导学生总结出蛋白质在脂双层中的三种排布：贯穿，覆盖，嵌入。

还有少量的糖类，与蛋白质结合形成糖蛋白。

6.2．3 构建立体模型，描述流动镶嵌模型基本要点。

活动四：利用现在掌握的知识，小组合作构建生物膜立体结构模型。

并从生物膜的化学组成，结构方式，特点三方面对你建构的模型进行阐述。

学生利用教师课前准备的材料：橡皮泥，铁丝，海绵等以小组为单位构建立体模型。

这一活动调动了学生的积极思维，激发了学生的探究欲望，小组合作，充分发挥想象力，动手制作立体模型。

教师在旁边作指导，让学生一步步走向成功，体验成功的乐趣。

模型构建后小组代表阐述，并从三方面总结模型的要点。

教师修正完善，并请所有小组代表上台共同展示，并总结出每个小组的模型组合到一起，将是一个大的细胞膜结构模型，而真实的细胞膜模型是流动性的，我们由于材料限制，做出的是静态的。

但每个小组的独特设计却是流动镶嵌模型中每一个动态的瞬间。

此时，很自然地告诉学生，大家与科学家的思路不谋而合。

1972年，桑格和尼克森通过观察和实验，并在继承前人研究成果的基础上，提出了生物膜流动镶嵌模型，并被人们所接受。

经历了前面的探究过程，学生接受流动镶嵌模型是水到渠成的。

播放视频，学生进一步总结流动镶嵌模型基本要点。

6.3 课堂小结情感提升
教师引导学生回顾科学家的探索历程，梳理整个探究的主线，即为科学理论探究的一般
步骤：现象→假说→实证→结论。

这是一个在继承中不断验证，修正和完善发展的过程，除此之外，你还有哪些收获呢？教师看学生实际情况，请学生谈谈自己的收获。

教师总结实验技术推动科技的发展，生物学中结构与功能相适应的生物学观点等。

继续深入提出问题：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。

教师指出流动镶嵌模型是目前大多数人接受的生物膜模型了，但是，在不久的将来，会不会再出现一个更完美的模型来取代他呢？就像他取代三明治模型一样？我们也不知道，我们只知道，人类对自然界的认识永无止境。

科学的思想和一颗好奇的心始终引导人们不断探索，认识，再实践，再认识，才使得人类不断超越个人认知的局限性，一步步接近事实的真相，而我们也有今天的机会，觅着科学家的足迹，感受科学带给我们的无穷魅力！有利于学生批判性思维能力的发展，并且促进学生认同科学结论的可修正性与发展性，顺利达成情感态度与价值观目标。

6.4布置作业引导课后探究
课后搜集相关资料，想象生物膜的应用前景等。

课外制作：有没有更好的材料制作生物膜模型。