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《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是高中生物人教版必修1第4章第2节内容，在本章中共3节内容，前一节“物质跨膜运输的实例”中主要说明细胞膜是选择透过性膜，膜为什么具有选择透过性？这就与膜的结构有关，膜的结构又是解释后一节“物质跨膜运输的方式”的基础。复习时应该以结构与功能相适应这一生命观念为主线来探究生物膜的结构及其特点。

二

学情分析

本节课是一节复习课，学生有一定的基础，如果只是将知识重新讲一遍，不做整合，学生的学习没有增量，这种只有重复，也无法激发学生的学习热情。在学生具备基本的生命观念和逻辑思维的基础上，以问题驱动的形式，进行分析、提问、敢于质疑，并设计实验，交流讨论，

尝试解决生物学问题。

三

设计思路

本节课以“生物膜结构的探索历程”为线索，还原当时科学家做实验的情境，引导学生讨论实验方法和原则，对“膜”构建历程遇到的问题进行分析，运用结构和功能相适应的观念不断完善生物膜的结构模型。

四

教学目标

1.通过阅读教材内容，能理解细胞膜与其它生物膜在结构上的联系。

2.通过对科学家研究资料的分析讨论，能运用生物化学相关知识，认识生物膜的成分。

3.通过进一步对科学家探索生物膜结构的研究资料的分析讨论，能用结构与功能相适应的观念，构建和完善生物膜的流动镶嵌模型，并能利用废旧物品制作生物膜模型。

五

教学实施

1思考与讨论“课题名称”——明确生物膜系统中各种膜的联系

阅读教材，我们发现，虽然课题是“生物膜的流动镶嵌模型”，但所有科学家研究的都是细胞膜，为什么没有选择细胞内的膜?或者直接把课题改成“细胞膜的流动镶嵌模型”? 设计意图 引导学生从实验者的角度分析，从实验选材方面，容易获得，方便操作，也很容易能想到细胞膜是系统的边界。从进一步引导学生对生物膜系统这个核心概念进行理解，细胞膜、细胞器膜和核膜统称为生物膜系统，而细胞内的膜和细胞膜之间有直接或间接的联系，在成分和结构上是很相似的。我们研究的虽然是细胞膜，却可以推导出其他生物膜的结构，所以膜的研究从细胞膜入手。

2分析实验细节——实证与逻辑密不可分 资料1 欧文顿用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。计算一下，我们很容易发现欧文顿当初每种物质基本做了20次。

(1)为什么要做大量重复实验，少做几次不可以吗? 设计意图 能让学生体会科学实验的严谨性，避免某些偶然现象或者人为失误性操作的影响，理解平行重复实验可以使结果更加真实、准确，意识到这是实验操作者必须满足的原

则。这种献身科学、尊重科学的精神是科学工作者的重要品质之一，是培养学生认同社会责任的重要素材。

欧文顿最终做了上万次的实验，得出结论：膜是由脂质组成的。

(2)欧文顿得出的结论是否准确?膜一定是脂质组成的吗?膜只由脂质组成，有没有可能含有其他成分?怎么验证我们的观点呢?(设计实验过程并预测结果) 欧文顿利用“相似相溶”的原理推测膜是由脂质组成的，但学生从现有的化学知识可以推断出易溶于有机溶剂的物质并非都是脂质，所以我们必须对膜的成分做化学鉴定。

学生回忆高中涉及的化学鉴定的方法有:特殊物质的颜色反应、酶解法(酶的专一性)等，并通过分组讨论能设计实验方案:利用哺乳动物的成熟红细胞(说明选材原因)提取细胞膜，用脂质酶或蛋白酶处理，膜会溶解，说明膜含有脂质和蛋白质。

事实上，学生设计的实验方案或者使用的实验材料可能教师想不到。例如，有学生会提出采用双缩脉试剂检测提取的细胞膜，会产生紫色反应，也能说明膜中含有蛋白质。那么，教师应该抓住这样的教学资源，引导学生来评价两种实验方案，分析哪一种检测更准确并说明原因，会让学生对双缩脉试剂检测蛋白质的原理理解得更加透彻。 设计意图 通过这一串问题来渗透“逻辑和实证”相符合的观点，因为只有经得起实证的假说才能成为定律。

培养学生对心中的疑惑进行认真的思考和分析，这种认真态度、敢于质疑是学习生物学的核心素养之一。

资料2 1925年，荷兰两位科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气一水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。

(1)根据实验结果，尝试构建细胞膜的模型。

根据已学的知识—一细胞内外是以水为主的液体环境，磷脂分子头尾极性不同，结合实验结果出现的2倍关系，引导学生构建出正确的生物膜模型(图1)并给出合理解释。

设计意图 通过构建生物膜模型引导学生理解膜的基本骨架的成分和排列方式，同时训练学生的分析能力和建模能力，有利于培养学生的科学思维。

(2)构建过程中，请大家思考:可以用其他细胞替代人的红细胞做实验吗?如果用其他细胞最终的实验结果仍然还是2倍关系吗?为什么? 选材是否正确是实验成功与否的关键，所以对科学家选材进行评价，能更好地理解选材的重要性。学生在讨论中发现，其他细胞不是有过多的内膜系统就是外部还有细胞壁，而像哺乳动物成熟红细胞这样只有细胞膜结构的细胞是非常适合提取细胞膜。在讨论的过程中还有学生可能会提到其它不具细胞壁的原核生物（支原体），支原体也是和红细胞一样结构简单的细胞，可以替换吗?借此引导学生了解支原体属于病原体，不适合做细胞膜实验，而且相比红细胞取材难度更大。

设计意图 通过对科学家实验选材的评价，引导学生归纳总结实验时选材的原则，尝试解决生物学实验的相关问题，提升社会责任这一核心素养。

资料3 1959年罗伯特森在电子显微镜下看到了细胞膜清晰的“暗一亮一暗”三层结构，而电子显微镜的成像原理是电子束照到大分子物质上呈现黑暗，反之呈现光亮。

(1)根据实验结果，进一步完善细胞膜的模型。

根据电子显微镜的成像原理，学生在之前构建的脂双层膜基础上，很容易想到膜结构是“蛋白质一脂质一蛋白质”，三层结构，并绘制出物理模型(图2) (2)根据绘制的细胞膜结构模型，讨论分析它和细胞膜的哪些生物学功能不一致? 罗伯特森提出的“三明治”结构模型是否和细胞膜的功能相适应的呢?有学生马上就提出，如果蛋白质是均匀地附着在脂质分子的内外两侧，从化学性质推测这些蛋白质很可能是亲水的，那么脂溶性的物质可能就不那么容易透过细胞膜了，这不就和欧文顿做的通透性实验结果矛盾了吗? 设计意图 通过不断渗透“结构和功能相适应的观念”，培养学生敢于质疑的科学态度，同时有利于激发学生的学习热情，也大大促进了学生深度思考和横向比较，利于培养学生的批判性思维。 (3)既然“蛋白质一脂质一蛋白质”三层结构模型和细胞膜的很多功能是矛盾的，那为什么在电子显微镜下看到的膜又显示出是“暗一亮一暗”三层呢?

拓展知识 罗伯特森用电镜观察的材料是经过饿酸染色处理的结果。饿酸染色法是神经科学研究中常用来固定脂质的一种方法。饿酸作为无机染色剂主要作用于磷脂的极性头部，而磷脂的极性头部聚集在膜的两侧，因而在电镜下呈现两条暗线，致使生物膜显示出了“暗一亮一暗”的三明治式图像。蛋白质的密度虽高于磷脂，但在饿酸的高密度对比下则完全可以忽略不计。如果分析正确，我们可以将不含蛋白质的人工脂双层用饿酸染色法处理，在电镜下观察，仍然可以看到“暗一亮一暗”三层结构，这说明逻辑推断是需要满足实证的。

设计意图 这个问题对于只具备高中生物学知识的学生来说是无法解决的，哪怕是明确电子显微镜成像原理的很多教师或者大学生也可能会犯和罗伯森特一样的错误——结果分析忽略了严密的逻辑推断，但却能促进学生批判性思维的养成。

(4)罗伯特森还将“蛋白质一脂质一蛋白质”三层结构模型认为是静态的，很显然，这也和细胞膜的功能是不相适应的。你能够举例说明并设计实验证明细胞膜上的分子是可以运动的吗? 证明细胞膜流动性的实验学生能很快叙述出实验流程，并对结果进行分析。由于经过思维的训练，学生能够针对实验细节提出问题。例如，人和小鼠细胞的细胞膜为什么可以融合，融合的条件是什么?科学家在实验过程中使用了促融剂吗?如果使用了那如何排除促融剂对实验结果的影响，以确保该结果完全是由细胞膜上蛋白质的运动导致?能否使用另外的实验方法证实细胞膜上蛋白质的运动情况? 设计意图 通过引导学生对实验结果的分析，能够启发学生思考，激发学生提出新的问题，这对于师生共同进步和科学发展都是极其重要的。有利于培养学生的科学思维和科学探究的生物学学科素养。 资料4 受限于当时的技术，科学家很难确定蛋白质在细胞膜上的分布，直到冰冻蚀刻技术和电子扫描显微技术的出现。将待测标本置于一100℃的干冰或一196℃的液氮下冰冻，再用冷刀断开(这种技术制样过程中常常是从脂双层的疏水端断裂)，在真空条件下升温，干冰或液氮会迅速升华，暴露断裂面结构。图3即为小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻的电镜照片，

如图所示，能显示膜的断裂面，如质膜的原生质表面( PF)和质膜的细胞外小叶断裂面(EF)。

结合现有的实验结果，联系细胞膜的生理功能，相互讨论，完善膜的模型。（图4）

观察冰冻蚀刻的电镜照片，学生能够修正自己的模型，明确蛋白质在膜上的分布并不是均匀的，有些是嵌人在磷脂双分子层中的;又基于膜的通透性实验知道细胞对离子的跨膜运输都是依赖蛋白质的，学生能提出膜上蛋白质也是有横跨在脂双层中的，具有种类的多样性 设计意图

通过图文结合分析讨论，认识生物膜上的蛋白质的分布特点和种类的多样性，不断完善生物膜模型并能绘画出其结构。进一步培养学生建构模型、阅读材料、分析与概括等理性思维。

资料5 联系应用非常广泛的脂质体，以资料的形式给学生做一个知识延伸:两位荷兰科学家得到的空气一水界面的单分子磷脂层，如果用玻璃棒搅拌之后将成为乳浊液，磷脂分子由于张力的作用在水里会形成一个个的小球，我们将这些小球称作脂质体。结合今天所讲内容，推测这样获得的脂质体种类(图5)?脂质体在医疗方面有广泛的应用，如在动物体内运送药物作用于靶细胞(图6)。请根据资料设计问题，并尝试找出解决方案。

学生能够提出很多有意思的问题，如脂质体可以同时携带脂溶性和水溶性的药物吗?又因为水是可以自由扩散进人细胞膜的，那么脂质体进人人体之后会渗水吗?这样会不会造成药物的稀释或者脂质体的破坏呢?脂质体本身不具备识别靶细胞的功能，那么又如何保证定位的准确性呢?……

设计意图 这对学生和教师的能力要求都是很高的:要求学生在阅读、理解资料后，能够做出合理的判断，与生活联系并发现问题，还要讨论出方案;要求教师对开放性的方案作出理性而恰当的评价，当学生无从下手时，教师可以适当引导。学生提出的一系列问题都是要将理论知识与实际密切联系起来才能提出的。将知识渗透到生活中，以培养学生的创新和应用能力。

六

教学反思

本教学设计充分利用教材和教师补充的素材，从分子水平上讨论生物膜模型的构建，这节课并没有对桑格和尼克森提出的“流动镶嵌模型”的内容进行过多的阐述和强调，不是因为不重要，而是笔者认为流动镶嵌模型在前面相关资料的铺垫下，学生已经能自然而然地推导和建模了。作为一轮复习，我们也需要用好教材中的图，让学生仔细观察膜的流动镶嵌模型，推测是哪种生物膜的模型，其结构如何和功能相适应，将它和细胞内其他生物膜相对比，分析其在成分、结构、功能上有哪些异同点。理解结构和功能相适应的生命观念，训练逻辑和实证相联系的严密思维方式，以问题驱动的方式，让学生在解决问题的同时，也会尝试提出新问题，促进其理性思维的发展。