《生物膜的流動鑲嵌模型》教學設計1、內容和地位

1.1“生物膜的流動鑲嵌模型”一節是人教版《必修1分子與細胞》第四章《細胞的物質輸入和輸出》之第二節，與第一節“物質跨膜運送的實例”所反映的生物膜對物質的進出控制具有選擇性等知識有一定的聯系，并對第三節學習“物質跨膜運送的方式”作了知識準備。所以，這節的內容安排很巧妙，對整個章節的知識起到了承上啟下的作用。

1.2本節重要涉及了兩大部分內容：①.科學家對細胞膜結構的探索歷程。這是一個很好的科學史教育素材，通過引導學生一步一步地分析科學家的實驗和結論，宛如親歷科學家探索的歷程，使學生切身感受科學的魅力，自然而然地接受流動鑲嵌模型的理論，更重要的是讓學生加深對科學過程和方法的理解，明白科學發現的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學家的辛勤工作；科學家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學學說不是一成不變的，需要不斷修正、發展和完善；科學發展與技術有很大的關系，技術的進步可以更好地促進科學的發展。②.細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內容。在眾多對細胞膜結構的假說中，細胞膜的流動鑲嵌模型是目前人們普遍接受認同的，能較好地解釋人們對細胞膜功能的結識，學生必須展開想象力，在頭腦中構建細胞膜的空間結構，理解和掌握流動鑲嵌模型的基本要點，這對于更好的理解下一節物質跨膜運送的方式有很重要的聯系。

2、學情分析

2.1

學生已經了解了細胞、知道了組成細胞的分子、掌握了細胞的基本結構，特別是細胞膜作為最基本生命系統的邊界等相關知識，為本節知識的學習奠定了基礎。

2.2

高中學生具有了一定的觀測和認知能力，分析思維的目的性、連續性和邏輯性也已初步建立，但還很不完善，對事物的探索好奇，又往往具有盲目性，缺少目的性，并對探索科學的過程與方法及結論的形成缺少理性的思考。

3、設計思緒

3.1調動學生已有的知識和經驗，激發學生的探究欲望。

學生在第2章的學習中曾經制作真核細胞的三維結構模型，當時就碰到過用什么材料做細胞膜的問題。本節課可以從這個問題入手，讓學生從結構與功能相適應的角度分析，用什么材料做細胞膜，能更好地體現細胞膜的功能。關于這個問題，學生已有的知識是：細胞膜很薄，是細胞這個生命系統的邊界；細胞膜可以控制物質的進出，讓一部分物質通過，其他物質不能通過；植物細胞質壁分離和復原的實驗告訴學生，細胞可以在一定范圍內漲大和縮小，說明細胞膜具有一定的彈性。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，其中塑料袋只能滿足作為系統邊界的規定，普通布可以滿足系統的邊界和讓一部分物質透過這兩項功能的規定，只有彈力布可以滿足上述三項功能的規定。通過這個問題的討論，學生就會結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。當然，細胞膜不也許是由彈力布構成的。細胞膜到底具有如何的結構，才干使它具有上述功能呢？

3.2本節課在教學設計上重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。老師備課過程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，評價他們的奉獻；要能通過一連串的環環相扣的問題來引導學生思維，要讓學生感到身臨其境，仿佛自己就是那個科學家在思考研究；最后讓學生從中總結出科學發現的一般規律。

3.3生物膜結構模型的構建是本節要突破的一個難點問題。本節課中，教師自制了磷脂分子和蛋白質分子的模型，讓學生根據科學家的實驗現象自己來構建磷脂分子的排列方式、蛋白質與磷脂的組合方式，這樣讓學生不僅形象、直觀的了解了模型構建的過程、也讓他們置身其中、探索奧妙并體驗了成功的喜悅。

3.4細胞膜的流動鑲嵌模型這個難點的講解可通過多媒體課件來突破，有順序和層次地介紹。通過幻燈片放映各個科學家研究的圖片、動畫，增強了這些內容的立體感、豐富了教學內容、使學生在樂趣中學、在輕松中學。

[教學目的

1、知識與技能

①簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容

；

②舉例說明生物膜具有的流動性的特點

；

③通過度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、過程與方法

①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

；

②發揮空間想象能力，構建細胞膜的空間立體結構

。3、情感、態度和價值觀

①使學生樹立生物結構與功能相適應的生物學辨證觀點

；

②培養學生嚴謹的推理和大膽想象能力

；③結識到技術的發展在科學研究中的作用，尊重科學且用發展的觀點看待科學、樹立辨證的科學觀

。教學重點

1、科學家對生物膜結構的探索歷程。

2、生物膜的流動鑲嵌模型學說的基本內容。

教學難點

1、對科學探究過程的分析，如何體現生物膜的結構與功能相統一；

2、生物膜的空間立體結構；

3、生物膜的流動性特點。

教具準備

1、生物膜流動鑲嵌模型的多媒體演示課件

2、自制磷脂分子、蛋白質分子模型

教學流程

設問引入→“問題探討”→體驗“生物膜結構的探索歷程”→闡述“流動鑲嵌模型的基本內容”

教學過程

（一）情景創設

教師：同學們，在前面我們制作真核細胞的三維結構模型中，碰到過用什么材料做細胞膜的問題，現在有三種材料：塑料袋、普通布和彈力布，你選用哪種材料呢？為什么？

學生：細胞膜很薄，是細胞這個生命系統的邊界。

學生：細胞膜是選擇透過性膜，可以控制物質的進出，讓一部分物質通過，其他物質不能通過。

學生：植物細胞質壁分離和復原的實驗告訴我們，細胞可以在一定范圍內脹大和縮小，說明細胞膜具有一定的彈性。

學生：塑料袋只能滿足作為系統邊界的規定，普通布可以滿足系統的邊界和讓一部分物質透過這兩項功能的規定，只有彈力布可以滿足前面提到的三項功能的規定。

教師：大家進行選擇的依據是運用了細胞膜的功能，這體現了什么樣的生物學思想呢？

學生：生物體結構和功能相適應的思想。

教師：事實上，彈力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料，我們還需要對細胞膜的結構有更深的結識。

（二）師生互動

1、對生物膜結構的探索歷程

教師：人們對事物的結識是有一個過程的，科學家當年正是懷著對物質跨膜運送現象產生的疑問，開始了對生物膜結構的孜孜以求地探索，歷經了一百數年時間，走過了一條曲折的道路，直到現在仍有許多科學家在繼續進一步研究。讓我們一起重溫一下這段歷史，會讓大家對科學過程和本質的理解有所啟發。我想讓大家穿過時空隧道，回到一百數年前，假想一下：假如你是當時的一位科學家，你會如何去研究細胞膜的結構？（提醒學生，引導他們明白限于當時的技術條件，還不能親眼看到生物膜，無法想像它的結構是什么樣的，通過什么辦法進行第一步的探究呢？引導學生看教材后明白當時科學家是從生理功能入手來探究的，通過實驗觀測，科學家才有嚴謹的推理，提出膜是由脂質組成這一假說，提醒學生作出科學探究過程中作出假設后的環節是什么（通過實驗來驗證假設），從而進入下面的學習。

學生：可以從現象入手，去進行推測。

教師：這就是生物學研究上常用的一種科學方法——假說法。這也是我們今天探究生物膜的結構的一個重要的方法，下面，就讓我們沿著科學家的足跡，和科學家一起來研究這個問題。

問題（1）：探究細胞膜的組成成分是什么？

展示材料①：歐文頓的實驗及其相關的圖片

時間：19世紀末

1895年

人物：歐文頓（E.Overton）

實驗：用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行過上萬次的實驗，發現細胞膜對不同物質的通透性是不同樣的：凡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：根據實驗，你能提出什么假說？

學生：提出假說：膜是由脂質構成的。

教師：在得出結論之后，尚有沒有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？

學生：有必要，通過鑒定能更準確地說明問題。

教師：那為什么一開始不直接對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？

學生：當時的技術不能實現。

教師：這說明什么問題呢？

學生：這說明技術對科學研究的重要作用。

教師：直至20世紀初，科學家才干第一次將細胞膜從哺乳動物紅細胞中分離出來，化學分析表白，膜的重要成分的確是磷脂和蛋白質。從而以實驗說明了歐文頓的假說是成立的。也就是說假說是在實驗與觀測的基礎上提出來的，同時又需要更進一步的實驗來證明。

問題（2）：探究這些物質是如何組成膜的？

出示資料②：192023歐文·朗繆爾將提取的膜質鋪展在水盤的水面上，發現脂在水面上形成一薄層，單脂層親水的頭朝向水面，疏水的尾背離水面。于是他提出：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，結構既有疏水基團（尾部），又有親水基團（頭部）。由于磷脂分子的“頭部”親水，所以在水—空氣界面上磷脂分子是“頭部”向下與水面接觸，尾部則朝向空氣一面。這樣磷脂分子可以在空氣和水的界面上展開為一層。

教師：大家分組討論，運用手中的磷脂分子模型擺出下面兩種情況下磷脂的分布情況①在空氣-水界面上②完全浸沒在水中

學生：小組代表上黑板演示

展示材料③：戈特和格倫德對血影的研究

時間：1925年

人物：荷蘭科學家Gorter和Grendel

實驗：兩位科學分離純化了紅細胞，從一定數量的紅細胞中抽提脂類，按Langmuir的方法進行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據體積所推算的總面積，發現提取的脂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。

教師：假如你是當時的科學家，當你做實驗時發現單分子的磷脂分子正好是紅細胞的兩倍時，大膽地展開你的想象力，你能做出什么假說？

學生：細胞膜中的磷脂是兩層的。

教師：那這兩層磷脂分子在細胞中又是如何排布的呢？再分小組討論、運用你手中的模型擺出來吧。

學生：分組討論，共可有六種排布方式，并提出細胞膜應兩面都處在水環境中，所以討論得到對的的排布方式。

問題（3）：那蛋白質和磷脂的位置關系又是如何的呢？

展示材料④：羅伯特森的單位膜模型

時間：1959年

人物：J.D.Robertson羅伯特森

實驗：用超薄切片技術獲得了清楚的細胞膜照片，顯示暗—明—暗三層結構，厚約7.5nm，它由厚約3.5nm的雙層脂質分子和內外表面各為厚約2nm的蛋白質構成。

提出假說：連續的脂質雙分子層組成膜的主體，磷脂的非極性端朝向膜內側，極性端朝向膜外兩側，蛋白質以單層肽鏈的厚度，通過靜電作用與磷脂極性端相結合，從而形成蛋白質—磷脂—蛋白質的三層結構，稱之為單位膜。他提出真核細胞與原核細胞具有相同的膜結構。單位膜模型的重要局限性在于：把生物膜的結構描述成靜止的、不變的，這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。

單位膜結構模型繼承了前人的有關結論，又成功地運用了先進的電子顯微鏡的觀測結果作為證據。但是他將生物膜描述為靜態的剛性的結構，這一點不久又被新的技術手段下的實驗所否認。

問題（4）：有什么證據證明細胞膜中的物質不是靜態的呢？

教師放映變形蟲的變形運動、白細胞吞噬病原體、細胞分裂的動畫，讓學生從感性上結識膜不是剛性結構。展示材料⑤：熒光標記小鼠細胞和人細胞融合實驗

時間：1970年

人物：LarryFrye等

實驗：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。

提出假說：細胞膜具有流動性。

教師：很好，在繼承前人的結論基礎上，結合新的觀測和實驗證據，又有科學家提出一些關于生物膜的分子結構模型。其中1972年桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出的流動鑲嵌模型為大多數人所接受。

好，學到這里，縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程，我們有些話題想讓大家思考討論。

以討論小組的形式開展課堂討論交流。

（1）生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請說說你的見解。

學生：生物膜的流動鑲嵌模型不也許完美無缺。人類對自然界的結識永無止境，隨著實驗技術的不斷創新和改善，對膜的研究將更加細致入微，對膜結構的進一步結識將能更完善地解釋細胞膜的各種功能，不斷完善和發展流動鑲嵌模型。

的確，流動鑲嵌模型是目前人們普遍認同的，但它無法完美地回答生物膜的所有功能。所以后來不斷提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格鑲嵌模型；Jain和White于1977年提出板塊鑲嵌模型等，迄今為止，已提出的生物膜結構模型達幾十種之多，生物膜的結構模型雖然有很多種，但被廣泛接受的結構模型基本內容是趨向一致的。其要點和特點基本相同，重要涉及膜的分子組成和結構特性。

（2）縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程，你能談談實驗技術的進步起到如何的作用？

學生：在建立生物膜模型的過程中，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結識膜的化學組成；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結識到膜的內外兩側并不對稱；熒光標記小鼠細胞與人細胞的融合實驗又證明了膜的流動性等。沒有這些技術的支持，人類的結識便不能發展。

（3）分析生物膜模型的建立過程中，結構與功能相適應是如何得到體現的？

學生：在建立生物膜模型的過程中，結構與功能相適應的觀點始終引導人們不斷實踐、結識，再實踐、再結識；使人類一步步接近生物膜結構的真相。例如，不同生物膜的功能是有差異的。在生命系統中，一般來說，功能的不同常隨著著結構的差異，而初期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，這顯然與不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。尚有，不同膜的厚度也不完全同樣。由此促進學者們重新研究脂質和蛋白質互相作用的問題。一些學者使用了更加先進的技術，運用紅外光譜等技術證明，膜蛋白重要為球形結構。冰凍蝕刻電鏡技術又證明，脂雙層中分布有蛋白質顆粒，這樣又發展了生物膜模型。生物膜中存在不同種類的蛋白質，以及蛋白質在生物膜中的不同分布情況，恰能較好地解釋不同結構的生物膜具有不同的生理功能。

（4）分析生物膜模型的建立過程，你受到什么啟示？

學生：科學研究是要在實驗和觀測的基礎上，通過嚴謹的推理和大膽的想象，提出假說，再通過實驗進一步地驗證假說。

學生：科學研究依賴于技術的進步，技術進步了，可以得到更多新的實驗數據。

學生：科學發現的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學家的辛勤工作。

學生：科學發現的過程不是一帆風順的，往往是在繼承的基礎上不斷驗證、修正和完善發展的。

學生：科學家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學學說不是一成不變的，需要不斷完善。

教師：那流動鑲嵌模型的具體內容是如何的呢？

（1）磷脂雙分子層是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的親水性頭部朝向兩側，疏水性的尾部相對朝向內側。

（2）蛋白質分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的部分或所有嵌入磷脂雙分子層中，有的橫跨整個磷脂雙分子層。這里體現了膜結構內外的不對稱性。

（3）在細胞膜的外側，有一層由細胞膜上的蛋白質與糖類結構合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被與細胞辨認、細胞間的信息交流有密切聯系。

（4）磷脂分子是可以運動的，具有流動性。大多數的蛋白質也是可以運動的，也體現了膜的流動性。

［評價反饋］

1、精選練習

（1）變形蟲的任何部位能伸出偽足，人體的某些白細胞能吞噬病菌，這些生理活動的完畢說明細胞膜具有下列哪一特點

A.選擇透過性

B.一定的流動性

C.保護作用

D.細胞辨認

（2）1985年Overton在研究各種未受精卵細胞的透性時，發現