第2节“生物膜的流动镶嵌模型”的教学设计
吴江市芦墟中学 马育国 牛军锐
1【设计思想】
1.1突出科学史的教育。科学史的教学是在新教材中特别强调和突出的，在旧教材中涉及不多，要教好不容易。备课过程老师要细致策划如何有效地引导学生分析不同时期不同科学家的实验及假说，评价他们的贡献；要能通过一连串的环环相扣的问题来引导学生思维，要让学生感到身临其境，仿佛自己就是那个科学家在思考研究；最后让学生从中总结出科学发现的一般规律。 1.2 生物膜结构模型的构建是本节要突破的一个难点问题。本节课中，利用蛋白质分子和磷脂分子的特点，让学生根据科学家的实验现象自己来构建磷脂分子的排列方式、蛋白质与磷脂的组合方式，这样让学生不但形象、直观的了解了模型构建的过程、也让他们置身其中、探索奥妙并体验了成功的喜悦。 对于本节课的另一难点---细胞膜的流动性特点通过多媒体课件突破，通过幻灯片放映各个科学家研究的图片、动画，增强了这些内容的立体感、丰富了教学内容、使学生在乐趣中学、在轻松中学，学的有效。 2【教学三维目标】 1．知识与技能
1）简述生物膜流动镶嵌模型的基本内容 2）举例说明生物膜具有流动性的特点。 3）尝试利用废旧物制作生物膜模型
4）通过分析科学家建立生物膜模型的过程，阐述科学发现的一般规律。 2．过程与方法
1）通过分析科学家建立生物膜模型的过程，尝试提出问题，做出假设。 2）发挥空间想象力，通过制作模型，尝试构建细胞膜的空间立体结构。 3．情感态度与价值观
1）生物膜结构的研究是立足于生物膜所具有的功能特点上开展的，树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点。
2）正确认识科学价值观，理解假说的提出要有实验和观察的依据，需要有严谨的推理和大胆的想象，并通过实验进一步验证 3）正确认识技术在科学研究中所起的作用 3.教学重点：① 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
4教学难点：1．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 2．生物膜的流动性特点
5.教具准备：1．与生物膜结构探索过程相关的科学家图片及其实验图片资料 2．磷脂分子、蛋白质分子模型，生物膜流动镶嵌模型的多媒体课件 6.教学过程
6.1 教学导入过程，创设问题情景
创设问题：细胞膜是由哪些成份构成的？生物膜对物质进出为什么具有选择性呢？根据结构和功能相适应的特点，科学家又是怎样确定生物膜的呢？
设计意图：通过设计的问题，使学生通过回忆已熟知的知识，激起探究新问题欲望----科学家是如何研究生物膜的。 6.2 互动探究过程，拨开知识迷雾
6.2.1 分析资料，进行科学探究和讨论交流，体验生物膜结构的探索历程
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教师：人们对事物的认识是有一个过程的，科学家当年正是怀着对物质跨膜运输现象产生的疑问，开始了对生物膜结构的孜孜以求地探索，历经了一百多年时间，走过了一条曲折的道路，直到现在仍有许多科学家在继续深入研究。下面让我们一起重温这段历史，和科学家一起探究生物膜的结构。限于当时的技术条件，人们还不能亲眼看到生物膜，无法想像它的结构是什么样的，只知道物质的跨膜运输具有选择性，那么，我们通过什么办法进行第一步的探究呢？
当时科学家就是从生理功能入手来进行探究实验的，假设我们就是那个时代的科学家，我们和欧文顿他们一起进行了如下实验，，那么你根据实验的现象会提出什么样的理论模型呢？ 板书：一、生物膜的探究历程
板书：1．从细胞膜功能入手的科学探究 多媒体展示：[小资料1] 细胞膜的通透性实验：
1895年科学家Overton在研究各种未受精卵细胞的透性时，发现脂溶性物质易透过细胞膜，不溶于脂类的物质透过细胞膜十分困难。这一事实说明了什么？
[小资料2] 细胞膜提取分离和成分分析实验
20世纪初，随着科学技术的发展，科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞膜不但会被溶解脂质的溶剂溶解，也会被蛋白酶分解。你从该实验中能得出什么结论？
学生活动：讨论回答下列问题：
①资料1的实验现象是什么？ ②根据资料1和资料2的实验现象，你能提出细胞膜是由哪些化学成分构成吗？
教师：同学们和欧文顿一样聪明，推测出膜由脂质组成的。资料1和资料2的实验中我们得出，膜的主要成分是脂质和蛋白质，并且知道技术的发展对科学研究具有重要作用。那么，脂质在细胞膜中是如何排布的呢？
板书 2.单位膜模型的提出 多媒体：[小资料3] 两位荷兰科学家戈特和格伦德对血影的研究
1925年，荷兰科学家 E. Gorter & F. Grendel ，将红细胞膜的磷脂分子抽提出来，在空气/水界面上排成单分子层. 测得脂质展开的单分子层面积恰为红细胞表面积的二倍。
学生讨论：①该实验的结论是什么？细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层 ②细胞膜中的脂质为什么会排列为连续的两层呢？
多媒体：[小资料4]1917年欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂层亲水的头朝向水面，疏水的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。
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教师：下面请大家分组讨论，利用手中的磷脂分子模型摆出下面两种情况下磷脂的分布情况①在空气-水界面上②完全浸没在水中 ③生物膜的磷脂分子是怎样组成双磷脂分子层的？
学生活动：小组讨论交流，练习本上绘制磷脂分子的排布图，小组代表发表小组讨论结果，实物投影演示部分同学的成果。
教师：生物膜的内外两侧都有水溶液，那么，生物膜中的双层磷脂分子的排布到底应该是哪一种呢？
学生思考、板画或本子上画得出一致答案：
教师：上面的学习我们已经知道，生物膜中还有蛋白质等，那么，蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？
多媒体展示[小资料5] 罗伯特森的“三明治”结构模型 时间：1959年
科学家：罗伯特森（J.D.Robertsen）
实验：罗伯特森用超薄切片技术在电镜下观察到细胞膜，获得了清晰的细胞膜电镜照片，看到了暗－亮－暗的三层结构。
（补充小知识：蛋白质：电子密度高，显黑色发暗 磷脂分子：电子密度低，发亮）
学生讨论问题：①根据实验结果你能提出什么假说？
教师：我们和罗伯特森一样，做出了生物膜是由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构组成的，并且罗伯特森把生物膜描述成静态的统一结构。那么，就我们现有的知识，大家思考讨论生物膜的“三明治”模型有没有不足之处呢？
学生讨论：变形虫的摄食过程，人体白细胞吞噬病原体的过程，细胞的生长等 教师：大家的例子很好，那么，蛋白质和脂质到底是怎样分布的呢？随着新技术手段不断运用于生物膜的研究，科学家做了如下实验。
板书 3.新技术带来新模型----流动镶嵌模型 [小资料6] 免疫荧光技术细胞融合实验
实验：1970年，弗雷(Frye)和埃迪登(Edidin)将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。 人细胞 40分钟后 诱导
荧光标记 融合 蛋白质 37C
鼠细胞
学生讨论并回答问题：①本实验的现象是什么？ ②实验结论是什么？
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③例举细胞膜具有流动性？
④细胞膜的流动性可能和哪些因素有关？当把温度降到0℃时结果会怎样？ 教师：通过上述实验我们推知细胞膜具有一定的流动性，并且其流动性和温度有关，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。
[设疑]从生物膜结构的探索历程中，你受到哪些启发？纵观对建立生物膜模型的探索过程，实验技术的进步起到了怎样的作用呢？ 从整个人们对建立生物膜模型的探索过程，生物膜的流动镶嵌模型是否已完美无缺呢？ 学生讨论作答：（答案要点） 1．科学研究是要在实验和观察的基础上，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说；科学研究依赖于技术的进步；科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作；科学发现的过程不是一帆风顺的，往往是在继承的基础上不断验证、修正和完善发展的；科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要不断完善。
2．在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；荧光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。
3．生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。
6．3 问题导读，教师总结，自主学习流动镶嵌模型的基本内容
教师：的确，流动镶嵌模型虽是目前人们普遍认同的，但它无法完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格镶嵌模型；Jain和White于1977年提出板块镶嵌模型等，迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多，生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的。其要点和特点基本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征。 那么，生物膜的流动镶嵌模型的基本内容又是什么呢？ （设计意图：过度作用，承上启下）
板书 二、生物膜流动镶嵌模型的基本内容 学生活动：自主阅读P68教材第一段，讨论回答问题并尝试自己绘出细胞膜的亚显微结构示意图。
[问题讨论]①生物膜的基本支架是什么？②蛋白质分子有哪几种存在形态？③膜分子是静止的，还是运动的？
[绘图能力] 绘制细胞膜的亚显微结构示意图
1．准确绘制出细胞膜的基本支架、蛋白质的三种位置和糖被。 2．准确标注出各部分的结构名称，
学生回答，教师结合多媒体演示生物膜流动镶嵌模型概括：
（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。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
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糖被。 （3）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。 教师边概括边投影逐步呈现下图
实物投影几位学生绘制的细胞膜亚显微结构模式图，指出绘制中存在的错误问题。对于细胞膜来讲，只有膜的外侧分布有糖被，与细胞间的识别，信息交流有密切关系。
6．4 课堂小结 绘制生物膜的概念图
今天我们重温了科学家探索细胞膜结构的历程，也重点学习了生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。下面我们一起结合本节课完成生物膜的概念图。 先由学生讨论思考，然后教师多媒体呈现下列概念图，让学生完成①②③④的填写，使学生对生物膜具有一个总体概念。（设计意图：培养学生绘概念图的能力，系统巩固学生本节课知识）
生物膜
结构特点 功能特性 ④ 选择透过性 ③ 流动性
决定 ① 磷脂双层 ② 膜蛋白
结构探究历程 结构组成 7．【评价反馈】
1．提出生物膜流动镶嵌模型的时间和科学家分别是 ( ) A．1959年，罗伯特森 B．1972年，桑格和尼克森 C．19世纪，施旺和施莱登 D．19世纪，欧文顿
2．生物膜的流动镶嵌模型认为生物膜是 ( ) ①以磷脂双分子层为基本骨架 ②蛋白质一脂质一蛋白质的三层结构 ③静止的 ④流动的
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
3．变形虫表面的任何部位都能伸为伪足，人体内的一些白细胞可以吞噬病菌和
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异物。上述生理过程的完成依赖于细胞膜具有 ( ) A．选择透过性 B．一定的流动性 C．保护性 D．主动运输
4．1985年，Oerton在研究各种未受精卵细胞的透性时，发现脂溶性物质容易透过细胞膜，不溶解于脂质的物质透过细胞膜十分困难。这表明组成细胞膜的主要成分中有 。
5．1925年，Gorter Grendel用丙酮提取细胞膜的磷脂，并将它在空气——水界面上展开时，这个单层分子的面积相当于原来细胞表面积的两倍，由此可以认为细胞膜由 组成。如果单层磷脂分子的面积为S，则该细胞表面积为 。
6．用不同荧光染料标记的抗体，分别与小鼠细 胞和人细胞的细胞膜上的一种抗原结合，两类细 胞则分别产生绿色荧光和红色荧光。将两类细胞融合成一个细胞时，其一半呈绿色，一半呈红色。在370C下保温40 min后，细胞上两种荧光点呈均匀分布(如图所示)，试问：
(1)人和鼠细胞膜表面的抗原属于构成膜结构的起受体作用的 。。
(2)融合细胞表面的两类荧光染料分布的动态变化，可以证实关于细胞膜结构“模型”的_____________________观点是成立的。 (3)融合细胞表面的两类荧光染料最终均匀分布，原因是构成膜结构的磷脂分子和蛋白质分子都是运动的，这表明膜的结构具有一定的 。
1.B 2.C 3. B 4.脂质物质 5.两层 S／2
6. (1)糖蛋白 (2) 膜物质分子能够运动 (3) 流动性
作业布置：利用生活上找得到的废弃物做一个细胞膜的流动镶嵌模型。
教学反思：本节课是我校对外开课的一节公开课，通过多次讨论修改，最终把本节课定位在培养学生的科学素养----实验设计及分析能力、小组合作学习能力（通过生物膜结构的探究历程来实现），自主学习能力（生物膜流动镶嵌模型的基本内容的学习），知识归纳总结能力（通过构建概念图）及动手操作能力（课下利用生活材料构建生物膜的流动镶嵌模型）上。总体来讲，本节课比较成功，对学生进行了较高的能力培养，充分体现了高中生物新课标的要求。
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生物膜的流动镶嵌模型教学案
