《生物膜的流動鑲嵌模型》教學(xué)實錄與評析

陳蘭桂 呂鏡珍

本課內(nèi)容為人教版高中生物必修1《分子與細(xì)胞》第4章《細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出》第二節(jié)的內(nèi)容。本課教學(xué)目標(biāo)為簡述生物膜的結(jié)構(gòu)，探討建立生物膜模型的過程如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點，旨在培養(yǎng)學(xué)生善學(xué)、篤學(xué)、樂學(xué)的品質(zhì)及生命觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、以舊引新，問題導(dǎo)學(xué)

師：（課件展示各組學(xué)生制作的真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型）大家都非常認(rèn)真地制作了真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型，且完成得都很好。如果老師讓你們再次制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型，你會選用塑料袋、普通布和彈力布中的哪一種材料來制作？選擇它的理由是什么？還有其他更好的材料嗎？

生1：我選擇彈力布。因為塑料袋不具有通透性，普通布不具有柔變性，彈力布既具有柔變性又具有一定的通透性。

生2：我覺得可以用玻璃紙，因為它是一種半透膜。

師：其實，選擇什么材料制作細(xì)胞膜，與生物膜本身的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。那么生物膜的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？這些結(jié)構(gòu)是怎么被人們發(fā)現(xiàn)的？接下來，我們就通過閱讀科學(xué)史，去“親歷”科學(xué)家的探索歷程。請同學(xué)們用4分鐘時間閱讀課本第65—68頁相關(guān)內(nèi)容，然后討論并嘗試解決下列問題。

教師課件出示下列問題：①細(xì)胞膜具有哪些成分？②細(xì)胞膜成分是如何分布的？③細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)具有什么特點？

學(xué)生自主閱讀教材內(nèi)容，同桌之間展開討論。

【評析】點評作業(yè)，以舊引新，執(zhí)教老師的表揚很好地激發(fā)了學(xué)生的探究興趣。三個導(dǎo)學(xué)問題由淺入深，引導(dǎo)學(xué)生基于教材進(jìn)行文本閱讀，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和溝通能力。

二、步步為營，展評提升

（一）生物膜的成分

師：任何物質(zhì)的結(jié)構(gòu)都體現(xiàn)了其成分間的組合形式。明確某物質(zhì)的化學(xué)成分是認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的前提。那么，細(xì)胞膜的成分是什么呢？當(dāng)時科學(xué)家為什么不直接用化學(xué)分析的方法來探究細(xì)胞膜的化學(xué)成分呢？

生1：限于當(dāng)時的技術(shù)條件，那個時候人們還沒有對細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)分析，科學(xué)家們只能從研究細(xì)胞膜的生理現(xiàn)象入手，探究其化學(xué)組成成分。

師：的確如此，我們看看當(dāng)時的科學(xué)家是如何從生理現(xiàn)象入手來進(jìn)行探究的。（課件出示資料1有關(guān)細(xì)胞膜的通透性實驗，以及實驗動態(tài)圖，如圖1）現(xiàn)在大家來討論兩個問題：一是資料中的實驗現(xiàn)象是什么？二是歐文頓提出了什么假說？（學(xué)生分組討論）誰來說說？

生2：實驗現(xiàn)象是，凡是可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，都比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞;歐文頓提出的假說是，膜是由脂質(zhì)組成的。

師：觀察非常細(xì)致，準(zhǔn)確地描述了實驗現(xiàn)象。當(dāng)時的科學(xué)家通過實驗觀察，才有了以上的推理和想象。但是，假說仍需進(jìn)一步的實驗和觀察來驗證和完善。直至20世紀(jì)初，科學(xué)家才第一次從哺乳動物的紅細(xì)胞中分離出細(xì)胞膜，化學(xué)分析表明，脂質(zhì)僅是細(xì)胞膜的主要成分之一。那么，細(xì)胞膜的主要成分還有哪些呢？請同學(xué)們閱讀資料2，教材第69頁基礎(chǔ)題第2題（科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)：脂溶性物質(zhì)能夠優(yōu)先通過細(xì)胞膜，并且細(xì)胞膜會被溶解脂質(zhì)的溶劑溶解，也會被蛋白酶分解。這些事實說明，組成細(xì)胞膜的物質(zhì)中有 ? ? ?）。

學(xué)生通過進(jìn)一步閱讀資料2，可以得出結(jié)論：組成細(xì)胞膜的物質(zhì)中既有脂質(zhì)也有蛋白質(zhì)。

（二）生物膜成分的分布狀態(tài)

師：研究表明，細(xì)胞膜中的脂質(zhì)主要是磷脂。細(xì)胞內(nèi)外都是有水的環(huán)境。那么，磷脂分子是如何排列的呢？請同學(xué)們完成教材第66頁的思考與討論第3題（磷脂是一種由甘油、脂肪酸和磷酸組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。請運用相關(guān)化學(xué)知識，解釋為什么磷脂在空氣—水界面上鋪展成單分子層，而科學(xué)家是如何從這一現(xiàn)象推導(dǎo)出“脂質(zhì)在細(xì)胞膜中必然排列為連續(xù)的兩層”這一結(jié)論的），通過畫圖來表示磷脂分子的排列。

生1：我們組研究出來的磷脂分子的排列一共有三種情況。（展示本組學(xué)習(xí)成果，如圖2）

生2：我們組認(rèn)為磷脂分子的排列方式只有“排列三”這種方式。因為磷脂分子的“頭”部是親水的，“尾”部是疏水的，而且細(xì)胞內(nèi)外都是有水的環(huán)境，于是我們猜想，細(xì)胞膜的磷脂分子應(yīng)該是像“排列三”這樣排列，才符合細(xì)胞生存環(huán)境的要求。

師：點評非常到位！下面我們來看看科學(xué)家的實驗結(jié)果，請同學(xué)們閱讀資料3，教材第65頁第三段。

生閱讀教材中有關(guān)兩位荷蘭科學(xué)家的實驗;師演示該實驗的動態(tài)實驗結(jié)果（如圖3），加深學(xué)生對細(xì)胞膜磷脂分子雙層排列的認(rèn)識。

師：接下來請閱讀資料4，教材第66頁倒數(shù)第二段。羅伯特森在電鏡下觀察到的細(xì)胞膜是一種“三明治”結(jié)構(gòu)模型（如圖4）。請大家討論羅伯特森提出的生物膜模型是怎樣的？這個模型有什么局限性？

學(xué)生小組討論后得出一致結(jié)論：所有生物膜都是由“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的靜態(tài)統(tǒng)一結(jié)構(gòu);該模型的局限性體現(xiàn)在，如果把生物膜描述為靜態(tài)的剛性結(jié)構(gòu)，則解釋不了膜的許多生理功能。

師：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們從新的實驗現(xiàn)象入手，對細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)做出了新的判斷。（課件展示“資料5”：20世紀(jì)60年代，科學(xué)家用掃描電鏡技術(shù)和冰凍蝕刻技術(shù)揭示了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的蛋白顆粒。標(biāo)本用干冰等冰凍后用冷刀斷開，升溫后暴露斷裂面，實驗結(jié)果如圖5）。請同學(xué)們仔細(xì)觀察示意圖，然后描述蛋白質(zhì)分子是怎樣排布在細(xì)胞膜上的？

生3：蛋白質(zhì)并非全部平鋪在磷脂雙分子層表面，有的是部分或全部嵌入磷脂雙分子層中，有的則貫穿在磷脂兩分子層。