生物膜的流動鑲嵌模型教學(xué)設(shè)計

1、生物膜的流動鑲嵌模型教學(xué)設(shè)計1、內(nèi)容和地位 1.1 “生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)是人教版必修1分子與細胞第四章細胞的物質(zhì)輸入和輸出之第二節(jié)，與第一節(jié)“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗彼从车纳锬ξ镔|(zhì)的進出控制具有選擇性等知識有一定的聯(lián)系，并對第三節(jié)學(xué)習(xí)“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健弊髁酥R準(zhǔn)備。所以，這節(jié)的內(nèi)容安排很巧妙，對整個章節(jié)的知識起到了承上啟下的作用。 1.2 本節(jié)主要包括了兩大部分內(nèi)容：.科學(xué)家對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。這是一個很好的科學(xué)史教育素材，通過引導(dǎo)學(xué)生一步一步地分析科學(xué)家的實驗和結(jié)論，宛如親歷科學(xué)家探索的歷程，使學(xué)生切身感受科學(xué)的魅力，自然而然地接受流動鑲嵌模型的理論，更

2、重要的是讓學(xué)生加深對科學(xué)過程和方法的理解，明白科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學(xué)家的辛勤工作；科學(xué)家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學(xué)學(xué)說不是一成不變的，需要不斷修正、發(fā)展和完善；科學(xué)發(fā)展與技術(shù)有很大的關(guān)系，技術(shù)的進步可以更好地促進科學(xué)的發(fā)展。.細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。在眾多對細胞膜結(jié)構(gòu)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認識，學(xué)生必須展開想象力，在頭腦中構(gòu)建細胞膜的空間結(jié)構(gòu)，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(jié)物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞接泻苤匾穆?lián)系。 2、學(xué)情分析 2.1

3、0; 學(xué)生已經(jīng)了解了細胞、知道了組成細胞的分子、掌握了細胞的基本結(jié)構(gòu)，尤其是細胞膜作為最基本生命系統(tǒng)的邊界等相關(guān)知識，為本節(jié)知識的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。 2.2  高中學(xué)生具備了一定的觀察和認知能力，分析思維的目的性、連續(xù)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，缺乏目的性，并對探索科學(xué)的過程與方法及結(jié)論的形成缺乏理性的思考。 3、設(shè)計思路 3.1 調(diào)動學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。 學(xué)生在第2章的學(xué)習(xí)中曾經(jīng)制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)時就遇到過用什么材料做細胞膜的問題。本節(jié)課可以從這個問題入手，讓學(xué)生從

4、結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度分析，用什么材料做細胞膜，能更好地體現(xiàn)細胞膜的功能。關(guān)于這個問題，學(xué)生已有的知識是：細胞膜很薄，是細胞這個生命系統(tǒng)的邊界；細胞膜能夠控制物質(zhì)的進出，讓一部分物質(zhì)通過，其他物質(zhì)不能通過；植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的實驗告訴學(xué)生，細胞能夠在一定范圍內(nèi)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(tǒng)邊界的要求，普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和讓一部分物質(zhì)透過這兩項功能的要求，只有彈力布能夠滿足上述三項功能的要求。通過這個問題的討論，學(xué)生就會認識到建立細胞膜的結(jié)構(gòu)模型，必須從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點出發(fā)來思考。當(dāng)然

5、，細胞膜不可能是由彈力布構(gòu)成的。細胞膜到底具有怎樣的結(jié)構(gòu)，才能使它具有上述功能呢？ 3.2 本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計上主要突出科學(xué)史的教育，科學(xué)史的教學(xué)是在新教材中特別強調(diào)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(dǎo)學(xué)生分析不同時期不同科學(xué)家的實驗及假說，評價他們的貢獻；要能通過一連串的環(huán)環(huán)相扣的問題來引導(dǎo)學(xué)生思維，要讓學(xué)生感到身臨其境，仿佛自己就是那個科學(xué)家在思考研究；最后讓學(xué)生從中總結(jié)出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的一般規(guī)律。 3.3 生物膜結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建是本節(jié)要突破的一個難點問題。本節(jié)課中，教師自制了磷脂分子和蛋白質(zhì)分子的模型，讓學(xué)生根據(jù)科學(xué)家的實驗現(xiàn)象自己來

6、構(gòu)建磷脂分子的排列方式、蛋白質(zhì)與磷脂的組合方式，這樣讓學(xué)生不但形象、直觀的了解了模型構(gòu)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(xué)家研究的圖片、動畫，增強了這些內(nèi)容的立體感、豐富了教學(xué)內(nèi)容、使學(xué)生在樂趣中學(xué)、在輕松中學(xué)。 教學(xué)目標(biāo) 1、知識與技能  簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容 ； 舉例說明生物膜具有的流動性的特點 ； 通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程闡述科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律&#

7、160;。2、過程與方法   分析科學(xué)家建立生物膜結(jié)構(gòu)模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設(shè) ； 發(fā)揮空間想象能力，構(gòu)建細胞膜的空間立體結(jié)構(gòu) 。3、情感、態(tài)度和價值觀  使學(xué)生樹立生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辨證觀點 ； 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹?shù)耐评砗痛竽懴胂竽芰?#160;；認識到技術(shù)的發(fā)展在科學(xué)研究中的作用，尊重科學(xué)且用發(fā)展的觀點看待科學(xué)、樹立辨證的科學(xué)觀 。教學(xué)重點 1、科學(xué)家對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。 2、生物膜的流動鑲嵌模型學(xué)說的基本內(nèi)容。 教學(xué)難點 

8、;1、對科學(xué)探究過程的分析，如何體現(xiàn)生物膜的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一； 2、生物膜的空間立體結(jié)構(gòu)； 3、生物膜的流動性特點。 教具準(zhǔn)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(zhì)分子模型 教學(xué)流程 設(shè)問引入“問題探討”體驗“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”闡述“流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容” 教學(xué)過程 （一）情景創(chuàng)設(shè) 教師：同學(xué)們，在前面我們制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型中，遇到過用什么材料做細胞膜的問題，現(xiàn)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(xué)生：細胞膜很薄，

9、是細胞這個生命系統(tǒng)的邊界。 學(xué)生：細胞膜是選擇透過性膜，能夠控制物質(zhì)的進出，讓一部分物質(zhì)通過，其他物質(zhì)不能通過。 學(xué)生：植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的實驗告訴我們，細胞能夠在一定范圍內(nèi)脹大和縮小，說明細胞膜具有一定的彈性。 學(xué)生：塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)邊界的要求，普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和讓一部分物質(zhì)透過這兩項功能的要求，只有彈力布能夠滿足前面提到的三項功能的要求。 教師：大家進行選擇的依據(jù)是利用了細胞膜的功能，這體現(xiàn)了什么樣的生物學(xué)思想呢？ 學(xué)生：生物體結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的思想。 教師：實際上，彈力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料

10、，我們還需要對細胞膜的結(jié)構(gòu)有更深的認識。 （二）師生互動 1、對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程 教師：人們對事物的認識是有一個過程的，科學(xué)家當(dāng)年正是懷著對物質(zhì)跨膜運輸現(xiàn)象產(chǎn)生的疑問，開始了對生物膜結(jié)構(gòu)的孜孜以求地探索，歷經(jīng)了一百多年時間，走過了一條曲折的道路，直到現(xiàn)在仍有許多科學(xué)家在繼續(xù)深入研究。讓我們一起重溫一下這段歷史，會讓大家對科學(xué)過程和本質(zhì)的理解有所啟發(fā)。我想讓大家穿過時空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是當(dāng)時的一位科學(xué)家，你會怎樣去研究細胞膜的結(jié)構(gòu)？（提示學(xué)生，引導(dǎo)他們明白限于當(dāng)時的技術(shù)條件，還不能親眼看到生物膜，無法想像它的結(jié)構(gòu)是什么樣的，通過什么辦法進行

11、第一步的探究呢？引導(dǎo)學(xué)生看教材后明白當(dāng)時科學(xué)家是從生理功能入手來探究的，通過實驗觀察，科學(xué)家才有嚴(yán)謹?shù)耐评?，提出膜是由脂質(zhì)組成這一假說，提示學(xué)生作出科學(xué)探究過程中作出假設(shè)后的步驟是什么（通過實驗來驗證假設(shè)），從而進入下面的學(xué)習(xí)。 學(xué)生：可以從現(xiàn)象入手，去進行推測。 教師：這就是生物學(xué)研究上常用的一種科學(xué)方法假說法。這也是我們今天探究生物膜的結(jié)構(gòu)的一個重要的方法，下面，就讓我們沿著科學(xué)家的足跡，和科學(xué)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：歐文頓的實驗及其相關(guān)的圖片 時間：19世紀(jì)末  1895年&#

12、160;人物：歐文頓（E. Overton） 實驗：用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細胞的通透性進行過上萬次的實驗，發(fā)現(xiàn)細胞膜對不同物質(zhì)的通透性是不一樣的：凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細胞膜進入細胞。  教師：根據(jù)實驗，你能提出什么假說？ 學(xué)生：提出假說：膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。 教師：在得出結(jié)論之后，還有沒有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？ 學(xué)生：有必要，通過鑒定能更準(zhǔn)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(xué)生：當(dāng)時的技術(shù)不能實現(xiàn)。 教師：這說明

13、什么問題呢？ 學(xué)生：這說明技術(shù)對科學(xué)研究的重要作用。 教師：直至20世紀(jì)初，科學(xué)家才能第一次將細胞膜從哺乳動物紅細胞中分離出來，化學(xué)分析表明，膜的主要成分的確是磷脂和蛋白質(zhì)。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察的基礎(chǔ)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(zhì)是如何組成膜的？ 出示資料：1917年歐文·朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)既有疏水基

14、團（尾部），又有親水基團（頭部）。因為磷脂分子的“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，利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在空氣-水界面上完全浸沒在水中 學(xué)生：小組代表上黑板演示 展示材料：戈特 和格倫德對血影的研究 時間：1925年 人物：荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel 實驗：兩位科學(xué)分離純化了紅細胞，從一定數(shù)量的紅細胞中抽提脂類，

15、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(jù)體積所推算的總面積，發(fā)現(xiàn)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（1.82.2）1，約為兩倍。 教師：假如你是當(dāng)時的科學(xué)家，當(dāng)你做實驗時發(fā)現(xiàn)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(xué)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怎樣排布的呢？再分小組討論、利用你手中的模型擺出來吧。 學(xué)生：分組討論，共可有六種排布方式，并提出細胞膜應(yīng)兩面都處于水環(huán)境中，所以討論得到正確的排布方式。 問題（3）：那蛋白質(zhì)和磷脂

16、的位置關(guān)系又是如何的呢？ 展示材料：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(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗明暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5 nm，它由厚約3.5 nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面各為厚約2 nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。 提出假說：連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成膜的主體，磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè)，極性端朝向膜外兩側(cè)，蛋白質(zhì)以單層肽鏈的厚度，通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合，從而形成蛋白質(zhì)磷脂蛋白質(zhì)的三層結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。單位膜模型

17、的主要不足在于：把生物膜的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型繼承了前人的有關(guān)結(jié)論，又成功地利用了先進的電子顯微鏡的觀察結(jié)果作為證據(jù)。但是他將生物膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu)，這一點很快又被新的技術(shù)手段下的實驗所否定。 問題（4）：有什么證據(jù)證明細胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)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(xué)生從感性上認識膜不是剛性結(jié)構(gòu)。展示材料：熒光標(biāo)記小鼠細胞和人細胞融合實驗 時間：1970年 人物：Larry Frye等 實驗：將人和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓

18、兩種細胞融合，雜種細胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)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(jié)論基礎(chǔ)上，結(jié)合新的觀察和實驗證據(jù)，又有科學(xué)家提出一些關(guān)于生物膜的分子結(jié)構(gòu)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(shù)人所接受。 好，學(xué)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

19、缺了呢？請說說你的看法。 學(xué)生：生物膜的流動鑲嵌模型不可能完美無缺。人類對自然界的認識永無止境，隨著實驗技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進，對膜的研究將更加細致入微，對膜結(jié)構(gòu)的進一步認識將能更完善地解釋細胞膜的各種功能，不斷完善和發(fā)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(jié)構(gòu)模型達幾十種之多，生物膜的結(jié)構(gòu)模型雖然有很多種，但被廣泛接受的結(jié)構(gòu)模型基本內(nèi)容是趨向一致的。其要點和特點基本相同

20、，主要包括膜的分子組成和結(jié)構(gòu)特征。 （2）縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程，你能談?wù)剬嶒灱夹g(shù)的進步起到怎樣的作用？ 學(xué)生：在建立生物膜模型的過程中，實驗技術(shù)的進步起到了關(guān)鍵性的推動作用。如血影的制取和化學(xué)成分的鑒定技術(shù)使人們認識膜的化學(xué)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(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)使人們認識到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對稱；熒光標(biāo)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(shù)的支持，人類的認識便不能發(fā)展。 （3）分析生物膜模型的建立過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是如何得到體現(xiàn)的？  學(xué)生：在建立生物膜模型

21、的過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點始終引導(dǎo)人們不斷實踐、認識，再實踐、再認識；使人類一步步接近生物膜結(jié)構(gòu)的真相。例如，不同生物膜的功能是有差異的。在生命系統(tǒng)中，一般來說，功能的不同常伴隨著結(jié)構(gòu)的差異，而早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。還有，不同膜的厚度也不完全一樣。由此促進學(xué)者們重新研究脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用的問題。一些學(xué)者使用了更加先進的技術(shù)，運用紅外光譜等技術(shù)證明，膜蛋白主要為球形結(jié)構(gòu)。冰凍蝕刻電鏡技術(shù)又證明，脂雙層中分布有蛋白質(zhì)顆粒，這樣又發(fā)展了生物膜模型。生物膜中存在不同種類的蛋白質(zhì)，以及蛋白質(zhì)在生物膜中的不同分布情況，恰能較好地

22、解釋不同結(jié)構(gòu)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(xué)生：科學(xué)研究是要在實驗和觀察的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)謹?shù)耐评砗痛竽懙南胂?，提出假說，再通過實驗進一步地驗證假說。 學(xué)生：科學(xué)研究依賴于技術(shù)的進步，技術(shù)進步了，可以得到更多新的實驗數(shù)據(jù)。 學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學(xué)家的辛勤工作。 學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程不是一帆風(fēng)順的，往往是在繼承的基礎(chǔ)上不斷驗證、修正和完善發(fā)展的。 學(xué)生：科學(xué)家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學(xué)學(xué)說不是一成不變的，需要不斷完善。 教師：那流動

23、鑲嵌模型的具體內(nèi)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(cè)，疏水性的尾部相對朝向內(nèi)側(cè)。  （2）蛋白質(zhì)分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部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(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外的不對稱性。  （3）在細胞膜的外側(cè)，有一層由細胞膜上的蛋白質(zhì)與糖類結(jié)構(gòu)合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被與細胞識別、細胞間的信息交流有密切聯(lián)系。  （4）磷脂分子是可以運動的，具有流動性。大多數(shù)的蛋白質(zhì)也是可以運動的，也體現(xiàn)了膜的流動性。 評價反饋  1、精選練習(xí) （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，這些生理活動的完成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        &