“生物膜流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

康 珍 （河北省燕山大學(xué)附屬中學(xué) 河北秦皇島 066006）

陳兆亮 （河北省秦皇島市第一中學(xué) 河北秦皇島 066006）

“生物膜流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

康 珍 （河北省燕山大學(xué)附屬中學(xué) 河北秦皇島 066006）

陳兆亮 （河北省秦皇島市第一中學(xué) 河北秦皇島 066006）

采用“提出問題→提供資料→構(gòu)建模型→模型修正”的教學(xué)模式，通過“生物膜流動(dòng)鑲嵌模型”的構(gòu)建及有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)學(xué)生“自主、探究、合作”的學(xué)習(xí)方式，感受科學(xué)家探索的歷程和探索過程的艱辛。

生物膜 流動(dòng)鑲嵌模型 教學(xué)設(shè)計(jì)

1 教材分析

（1）本節(jié)是人教版生物第四章第二節(jié)內(nèi)容，之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了細(xì)胞膜的成分和功能，認(rèn)同了細(xì)胞膜作為系統(tǒng)邊界對于細(xì)胞生命活動(dòng)的重要意義，并通過細(xì)胞核三維結(jié)構(gòu)的模型制作，具備了一定的模型制作基礎(chǔ)。

（2）從知識結(jié)構(gòu)分析，主要包括兩部分內(nèi)容：① 利用科學(xué)史教育素材，引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)家們對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程中涉及到的實(shí)驗(yàn)和結(jié)論；② 通過構(gòu)建細(xì)胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)，使學(xué)生理解和掌握生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本要點(diǎn)。

（3）從知識發(fā)生發(fā)展過程分析，以較多的篇幅介紹了對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程，并安排了2個(gè)思考與討論，讓學(xué)生在認(rèn)識細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，了解這些知識的來龍去脈，認(rèn)識到可以通過現(xiàn)象的推理分析，提出假說，構(gòu)建模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說。教師引導(dǎo)學(xué)生隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)發(fā)現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，對原有的觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑、修正和完善，歸納總結(jié)出生物膜模型建構(gòu)的基本方法，從中體驗(yàn)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法，認(rèn)識到在建立生物膜模型的進(jìn)程中，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步所起的作用，并在建立模型的過程中領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)。

（4）從教學(xué)重難點(diǎn)分析，探究生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型是本節(jié)教學(xué)重點(diǎn)；在建立生物膜模型的過程中，領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)是本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識與技能目標(biāo)

簡述生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容；舉例說明生物膜具有流動(dòng)性特點(diǎn)；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。

2.2 過程與方法目標(biāo)

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(xì)胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)。

2.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

樹立生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辨證觀點(diǎn)；形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懴胂蟮哪芰?；認(rèn)識技術(shù)發(fā)展在科學(xué)研究中的作用，樹立辨證的科學(xué)觀。

3 教學(xué)過程

3.1 設(shè)置前概念，引入課題

學(xué)生在制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型時(shí)，遇到過用什么材料做細(xì)胞膜的問題。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。學(xué)生簡述選用彈力布的理由，說明細(xì)胞膜具有一定的彈性。通過這個(gè)問題的討論，學(xué)生會(huì)認(rèn)識到建立細(xì)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(diǎn)出發(fā)來思考。教師提出問題：細(xì)胞膜不可能是由彈力布構(gòu)成的。細(xì)胞膜到底具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢？

教師以此調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，將學(xué)生分析生物學(xué)問題的角度引導(dǎo)到結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)上。

3.2 細(xì)胞膜成分的探究

教師提供歐文頓實(shí)驗(yàn)資料背景，展示動(dòng)畫課件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理分析，做出假設(shè)。

教師提出問題：早期對生物膜結(jié)構(gòu)的探究是從生理功能入手，還是用顯微鏡觀察生物膜去想像它的結(jié)構(gòu)入手？為什么？最初認(rèn)識到細(xì)胞膜是由脂質(zhì)組成的，是通過對現(xiàn)象的推理分析，還是通過對膜成分的提取和鑒定？在推理分析得出結(jié)論后，還有必要對膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定嗎？

學(xué)生小組合作，從歐文頓的實(shí)驗(yàn)所得到的信息回答思考與討論，總結(jié)出細(xì)胞膜的主要成分為脂質(zhì)，并結(jié)合20世紀(jì)科學(xué)家從哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞獲取了細(xì)胞膜，分析知其成分還有蛋白質(zhì)和少量糖類。

學(xué)生通過對問題的思考，從而激發(fā)思維探究的欲望，引起學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)主動(dòng)獲取知識的能力、歸納能力及與同學(xué)交流信息的能力，并對科學(xué)過程和方法的理解能力進(jìn)一步提高，建立起生物與化學(xué)知識的交叉點(diǎn)。

3.3 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)探究

教師展示科學(xué)家對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)探究的事實(shí)性資料，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建模型，并修正，完善模型。

教師展示磷脂分子的結(jié)構(gòu)模式圖，并告知學(xué)生磷脂分子的組成成分及頭部具有親水性、尾部具有疏水性的特點(diǎn)

教師出示資料：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)脂質(zhì)在水面上形成一脂單層。

模型構(gòu)建1：根據(jù)磷脂分子特性，構(gòu)建磷脂分子在空氣-水界面上的排布模型。

學(xué)生分組合作，嘗試各種擺放，畫出模型圖，教師適當(dāng)點(diǎn)撥，磷脂的頭部和尾部對水的親和力不同，然后請學(xué)生展示各組所畫模型圖（圖1），并進(jìn)行組間評價(jià)，最后總結(jié)出正確模型（圖1B）。

教師展示“戈特和格倫德爾對血影的研究”材料，兩位科學(xué)家分離純化了紅細(xì)胞中的脂質(zhì)，發(fā)現(xiàn)提取的脂質(zhì)鋪展后所測的面積同實(shí)際測量的紅細(xì)胞的表面積之比為（1.8～2.2）∶1，約為兩倍。

圖1 學(xué)生繪制的磷脂分子在空氣-水界面上的排布模型圖

學(xué)生據(jù)數(shù)據(jù)很容易推出：細(xì)胞膜中的磷脂是兩層的。

教師提出問題：那這兩層磷脂分子在細(xì)胞中又是怎樣排布的呢？是頭對頭、尾對尾、還是頭對尾？此時(shí)，學(xué)生的求知欲上升。

模型構(gòu)建2：考慮紅細(xì)胞內(nèi)外的生存的液體環(huán)境，嘗試構(gòu)建細(xì)胞膜中磷脂分子的排布模型。

在學(xué)生構(gòu)建模型時(shí)，教師加以引導(dǎo)，提醒學(xué)生注意，細(xì)胞內(nèi)外是以水為基礎(chǔ)的液體環(huán)境，磷脂分子的頭部具親水性和尾部具疏水性。經(jīng)過指導(dǎo)，學(xué)生很快構(gòu)建出模型，進(jìn)行組間評價(jià)，總結(jié)出正確模型（圖2）。

圖2 磷脂分子在細(xì)胞膜中的排布模型

教師提出問題：蛋白質(zhì)和磷脂的位置關(guān)系又是如何的呢？并展示“羅伯特森的單位膜模型”材料，其用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示厚約7.5 nm的暗—明—暗三層結(jié)構(gòu)，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，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。

模型構(gòu)建3：根據(jù)資料內(nèi)容，嘗試對模型2進(jìn)行修正。

在教師引導(dǎo)下，小組合作，交流，展示修正后模型（圖3）。

圖3 細(xì)胞膜單位膜模型

教師指出：新發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)測量膜蛋白質(zhì)厚度為5～10 nm，磷脂厚度為3.5 nm，一般細(xì)胞膜厚度僅為5～10nm。根據(jù)模型的推算細(xì)胞膜厚度是多少。這說明構(gòu)建的模型與實(shí)際相符嗎？羅伯特森的推斷正確嗎？教師引導(dǎo)學(xué)生分析、思考，培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑的精神。

教師轉(zhuǎn)折：新技術(shù)帶來了突破……教師展示“冰凍蝕刻技術(shù)”材料：將細(xì)胞置于液氮中冷凍變成固態(tài)，用冷刀驟然將標(biāo)本斷開，升溫后冰在真空中迅速升華，暴露斷面，并用電鏡觀察（圖4）。

圖4 蛋白質(zhì)分子在脂質(zhì)中的分布模式圖

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察模式圖，提醒特別關(guān)注蛋白質(zhì)在磷脂中山如何分布的？對稱、均勻嗎？

模型構(gòu)建4：可據(jù)圖4觀察分析，再次修正模型。

由圖4學(xué)生知，蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜中的分布式不均勻的，且是不對稱的，有些蛋白質(zhì)分子貫穿整個(gè)磷脂雙分子層，對如何再次修正模型學(xué)生了然于胸。學(xué)生展示模型（圖5），教師評價(jià)并總結(jié)。

圖5 蛋白質(zhì)分子在脂質(zhì)中的分布模式圖

在建立細(xì)胞膜模型的過程中，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵性的推動(dòng)作用。如血影的制取和化學(xué)成分的鑒定技術(shù)使人們認(rèn)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(rèn)識到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對稱。結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)始終引導(dǎo)人們不斷實(shí)踐、認(rèn)識，再實(shí)踐、再認(rèn)識；實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步和人類對真理的渴求使人類一步步接近事實(shí)的真相。

3.4 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的探究

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(jìn)的電子顯微鏡的觀察結(jié)果作為證據(jù)?？茖W(xué)家將細(xì)胞膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)很快又被新的技術(shù)手段下的實(shí)驗(yàn)所否定。

教師提出問題：有什么證據(jù)證明細(xì)胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)的呢？

教師播放變形蟲的變形運(yùn)動(dòng)、白細(xì)胞吞噬病原體的過程、細(xì)胞分裂的動(dòng)畫，讓學(xué)生從感性上認(rèn)識膜不是剛性結(jié)構(gòu)。教師展示“熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)”材料，將人和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

學(xué)生對實(shí)驗(yàn)媒體資料的觀察，了解細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。教師利用多媒體增加教學(xué)的直觀性，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識的能力、歸納能力。

3.5 生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的提出

教師展示1972年桑格和尼克森提出的流動(dòng)鑲嵌模型圖片，并要求沉重結(jié)合細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探究歷程述說出生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容嗎。學(xué)生看圖描述出生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容，培養(yǎng)了對知識主動(dòng)歸納、總結(jié)，遷移能力。

3.6 利用概念圖（圖6）對知識總結(jié)內(nèi)化

圖6 生物膜流動(dòng)鑲嵌模型一節(jié)概念圖

4 教學(xué)反思

本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)和突出的，在舊教材中涉及不多，要教好不容易。教師在備課時(shí)要細(xì)致策劃如何有效地引導(dǎo)學(xué)生分析不同時(shí)期不同科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)及假說，評價(jià)他們的貢獻(xiàn)；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)生身臨其境，遵循科學(xué)家的研究歷程；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。

以學(xué)生“自主、探究、合作”的學(xué)習(xí)方式來優(yōu)化課堂學(xué)習(xí)與教學(xué)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。本節(jié)課“提出問題→提供資料→構(gòu)建模型→模型修正”的教學(xué)模式，配以多媒體輔助教學(xué)，尤其在體驗(yàn)生物膜的探索歷程上給學(xué)生以動(dòng)態(tài)的感覺，使學(xué)生在樂趣中學(xué)、在輕松中學(xué)。

G633.91

B

文件編號：1003-7586(2017)10-0019-03