《生物膜的流动镶嵌模型》教学设计

一、教材分析

  “生物膜的流动镶嵌模型”一节是人教版《必修1—分子与细胞》第四章“细胞的物质输入和输出”的第2节，是第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3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。

二、 学情分析 

 学生之前已经学习过组成细胞的分子和细胞的基本结构，尤其是细胞膜作为系统的边界及其功能等相关知识，为本节课的学习打下基础。

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，培养良好的学习方法。

三、设计思路

1.情景导课，调动学生已有的知识和经验，激发学生的探究欲望。

2.突出科学史的教育。 

3. 自制了磷脂分子和蛋白质分子的模型， 构建生物膜结构模型突破难点。

四、教学目标

1、知识与技能

简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容 ；

举例说明生物膜具有的流动性的特点 ；

通过分析科学家建立生物膜模型的过程阐述科学发展的一般规律 。

2、过程与方法

分析科学家建立生物膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆作出假设 ；

发挥空间想象能力，构建细胞膜的空间立体结构 。

3、情感、态度和价值观

使学生树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点 ；

培养学生严谨的推理和大胆想象能力 ；

认识到技术的发展在科学研究中的作用，尊重科学且用发展的观点看待科学、树立辨证的科学观 。

五、教学重点 和难点

1.教学重点

（1）科学家对生物膜结构的探索历程。

（2）生物膜的流动镶嵌模型学说的基本内容。

2.教学难点

（1）对科学探究过程的分析，如何体现生物膜的结构与功能相统一；

（2）生物膜的空间立体结构；

（3）生物膜的流动性特点。

六、教具准备

1、多媒体演示课件

2、自制磷脂分子、蛋白质分子模型

七、教学流程

情景导课→问题探讨→体验“生物膜结构的探索历程”→阐述“流动镶嵌模型的基本内容”

情景创设

师：首先我们一起来欣赏一首诗歌，一边欣赏的同时，一边想一下，里面描述的是细胞的什么结构。

“是谁，隔开了原始海洋的动荡；是谁，为我日夜守边防；是谁，为我传信报安康。没有你，我——一个小小的细胞，会是何等模样? ”

提问：1.这里的“谁”指的是什么?     细胞膜

2.在这首小诗里提到了细胞膜的三个功能。请问：都是哪三个呢？

学生经过思考，顺利答出：将细胞与外界环境分隔开；控制物质进出细胞；进行细胞间的信息交流。

在生物学中，结构与功能总是相适应的，细胞膜具有这样的功能，那它到底具有怎样的结构呢？我们前边学习过，细胞膜是生物膜的一种，今天我们就以细胞膜为例来探究生物膜的结构。

科学的路上没有平坦大道，科学家们当时历经千辛万苦经过一百多年时间才探索到生物膜的结构。现在让我们一起穿越时空的隧道回到他们所探究的时代，来重温这段漫长的探索历程。

一、对生物膜结构的探索历程

要想研究细胞膜的结构，我们首先要知道它的组成成分。

（一）资料1：欧文顿的假说（推测）

在1895年，欧文顿曾用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样，凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。 

   我们先来了解一个化学上的小知识，叫做“相似相溶”，即分子结构越相似的物质，越是容易相互溶解。

提问：1.根据这个实验现象，你对细胞膜的组成能做出一个怎样的推测？

学生：细胞膜的组成成分是脂质。

教师：大家真的太聪明了，竟然与100多年前的欧文顿不谋而合，他就提出了这样的假说：膜是由脂质组成的。

 补充：这种根据实验现象和有关知识提出的推测叫假说法，是科学研究中经常用到的方法。

2.在提出这个假说后，还有必要进行验证吗？  学生：有必要

教师：是的，实践是检验真理的唯一标准，欧文顿有没有做实验验证？  学生：没有

科学的发展前赴后继，是后人在他的基础上进行验证的。

（二）资料2：细胞膜成分的鉴定

20年过去了，在20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来并加以分析。化学分析表明：膜的主要成分是脂质和蛋白质。

提问：1.这个实验的结果是否验证并完善了欧文顿的假说？    学生：是的。

2.这里有个问题，当初欧文顿为什么不直接把膜的成分提取出来加以鉴定，而要大费周章的用500多种化学物质进行上万次的实验？  

学生：当时的技术条件不够。

 教师：是的，正是由于科学技术条件的限制他没法做这个实验，所以在科学发展的道路上，光有科学理论是不够的，还必须有相应的科学技术，技术的发展推动着科学的发展。

我们已经知道膜的成分了，这些成分是怎么组成细胞膜的呢？膜主要由脂质和蛋白质组成，我们就先来探究一下脂质是怎么组成细胞膜的。

（三）资料3：脂质的排列

1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的成熟红细胞中提取脂质，在空气—水界面上铺成单分子层，并且测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的两倍。

提问:1.根据这个实验数据，你能提出什么样的假说？

学生经过思考，大胆提出：细胞膜中的脂质分子排列为两层。

因为单分子层的面积恰为红细胞表面积的两倍，所以脂质应该是排成连续的两层。

2.细胞膜中的脂质主要是哪一种?    磷脂

通过多媒体课件展示磷脂分子的图示，并让学生观察模型，讲明磷脂分子由头部和尾部组成，头部是亲水的，尾部是疏水的。

【探究活动1】根据资料，你能不能画出磷脂分子在“空气—水”的交界面的排布方式？

请同学们拿出一张纸，画一条黑线代表空气与水的交界面，线上面是空气，线下面是水。尝试着画出磷脂分子在空气-水的交界面的排布形式。并让同学到黑板上用模型模拟磷脂分子的排布。

【探究活动2】细胞膜上磷脂分子又是怎么分布的呢？

请同学们在刚才的纸上画一个圆，代表是细胞膜，用笔画出磷脂分子在细胞膜上的分布。分小组讨论, 并请三位同学到黑板上画。

教师提示：细胞膜应两面都处于水环境中，学生经过讨论可得到正确的排布方式。

教师：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？

（四）资料四：罗伯特森的单位膜模型

时间：1959年

人物：罗伯特森（J.D.Robertsen）

实验：在电镜下看到细胞膜由“蛋白质—脂质—蛋白质”的三层结构构成

提出假说：生物膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质” 的三层结构构成的静态统一结构

教师：罗伯特森的“三明治”结构模型有什么不足？

学生：如果生物膜的结构是静止的、不变的，那膜功能的多样性将无法解释。

教师：确实是这样，罗伯特森把生物膜描述为静态的刚性结构，这显然与膜功能的多样性相矛盾，这一点很快又被新的技术手段下的实验所否定。

教师：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？

教师放映变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂的动画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构。

（五）资料五：荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验

时间：1970年

人物：Larry Frye等

实验：将人和鼠的细胞膜用不同的荧光染料标记后，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，放置一段时间后发现两种荧光均匀分布

提出假说：细胞膜具有流动性

教师：很好，在继承前人的结论基础上，结合新的观察和实验证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型。其中1972年桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

【思考与讨论】回顾整个人们对建立生物膜模型的探索过程，小组讨论一下问题：

1、纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验技术的进步起到怎样的作用？

学生：实验技术的进步起到了关键性的推动作用。

2、分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得到体现的？

学生：在建立生物膜模型的过程中，结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；使人类一步步接近生物膜结构的真相。

3、分析生物膜模型的建立过程，你受到什么启示？

二、流动镶嵌模型的基本内容

（1）磷脂双分子层是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。

（2）蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。

（3）在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结构合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密切联系。

（4）磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。

八、课堂反馈

1、据研究发现，胆固醇、小分子脂肪酸、维生素D等物质较容易优先通过细胞膜，这是因为

A  细胞膜具有一定流动性                   B 细胞膜是选择透过性

C 细胞膜的结构是以磷脂分子层为基本骨架    D 细胞膜上镶嵌有各种蛋白质分子

2、下列哪一种膜结构能通过生物大分子

A  细胞膜           B   核膜       C  线粒体膜         D   叶绿体膜

3、细胞膜上与细胞识别、免疫反应、信息传递和血型决定有着密切关系的化学物质是

A 糖蛋白     B 磷脂     C 脂肪     D 核酸

4、变形虫的任何部位都能伸出伪足，人体某些白细胞能吞噬病菌，这些生理过程的完成都依赖于细胞膜的

A 保护作用         B  一定的流动性     C 主动运输          D  选择透过性

九、课堂小结与反思

这节课我们一方面重温了科学家探索细胞膜结构的历程，这是一个在继承中不断验证、修正和完善发展的过程，这段科学史给予我们很多有用的启示，使我们加深了对科学过程和方法的理解。另一方面我们也重点学习了生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。在众多对细胞膜结构的假说中，细胞膜的流动镶嵌模型是目前人们普遍接受认同的，能较好地解释人们对细胞膜功能的认识，理解和掌握流动镶嵌模型的基本要点，这对于更好的理解下一节物质跨膜运输的方式有很重要的联系。

十、布置作业

利用废旧材料，自制生物膜的流动镶嵌模型