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“生物膜的流动镶嵌模型”一节整合科学史的教学设计

李高梅 （广东省佛山市顺德区华侨中学 528333）

1 教材分析
本节内容选自人教版高中生物必修1《分子与细胞》第4章第2节。
该节内容在编排上按时间顺序介绍了科学家对生物膜结构探索历程的一些重要实验和推论，旨在让学生一步一步地分析科学家的实验和结论，使学生宛如亲历科学家探索的历程，自然而然地接受流动镶嵌模型的理论，同时加深对科学过程与方法的理解。
2 教学目标
1）通过对科学史材料的分析与讨论，使学生了解生物膜结构的探索历程，知道生物膜流动镶嵌模型的基本内容，加深对生物膜组成成分和结构特点的理解。
2）了解科学探究的一般方法，树立结构与功能相适应的辨证思想，感受科学研究的艰辛历程。
3 教学重点和难点
1）重点：生物膜的结构特点、科学家探索生物膜结构历程的经典实验。
2）难点：流动镶嵌模型的基本内容、结构与功能相适应的辨证思想。
4 教学过程
4．1 以史实背景设疑，导入新课，让学生感受、学习科学家的创新精神
首先让学生完成填空：细胞膜主要由____和______组成。此外，还有少量的____。
接着提出问题：19世纪末，科学家已经推知细胞膜的主要成分。但细胞膜很薄，光学显微镜观察不到它的结构，电子显微镜又还没诞生；且当时对物质的分离提纯技术也不发达，因此也无法采用分离提纯的方法来测定它的组成。在这样的情况下，你知道科学家当初是怎样得知细胞膜是由这些成分组成的吗？由此引出科学家另劈新径，从生理功能——膜的通透性入手，自然导入新课，同时让学生感受、学习科学家的创新精神。
4．2以史料分析为主线，再现生物膜结构探索历程，让学生自主建构知识
生物膜的流动镶嵌模型是本节课的重点和难点，学生若不理解，就会陷入死记硬背的泥潭。若从科学史入手，循序渐进，让学生了解知识的产生与发展过程，学生就能心领神会，自主完成知识的建构。在教学中我是这样做的，首先出示
资料1：19世纪末欧文顿（E.Overton）用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现凡是溶于脂质的物质比不溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。
提出问题1：根据物质相似相溶原理，分析上述材料，你能得出什么推论？科学家得出什么结论？你的结论与科学家一样吗？改变教材直接呈现科学家结论的做法，让学生体验科学家的思维过程，提升思维能力，自主建构知识。当学生得知自己的想法与科学家一致时，成功的喜悦溢于言表，学习的自信心和内驱力得到加强。
解决问题1后，提出问题2：欧文顿的推论是否正确？最初认识到细胞膜是由脂质组成的，是通过对现象的推理分析得出的。有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？使学生在思考与讨论中初步了解模型建构的一般方法。
提出问题3：欧文顿用500多种物质，通过上万次实验，这些数据又说明了什么？从而让学生感知科学实验的重复性、严谨性、艰巨性，得出的结论应该具有普遍性的道理，从中受到科学精神的熏陶。
提出问题4：细胞膜中除含有脂质外，还有没有其他成分呢？
分析资料2：20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞分离出来，通过化学分析表明，膜的主要成分是脂质和蛋白质。
提出问题5：脂质和蛋白质分子是如何组成细胞膜的呢？激发学生进一步的探究欲望，过渡到资料3的学习。
分析资料3：1925年荷兰科学家Gorter和Grendel用丙酮从人的红细胞膜中提取脂质，在空气－水界面上铺成单层分子，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。
依然采取改变教材直接呈现科学家结论的做法，给学生提出以下问题：由此，你得出什么结论？科学家得出什么结论？让学生继续体会科学家的思维过程。但这一次没有资料1顺畅，尽管我抓住“磷脂单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍”启发学生思考，但仍有相当部分学生不理解推论，情急之中，我将一张练习纸对折，问学生：“对折前你们看到的纸的面积是对折后的几倍？”——“2倍！”“原来这张纸是单层的，对折后变成几层？”——“2层！”“那么根据材料3推测，脂质分子构成细胞膜应该排列成几层？”——学生豁然开朗答：“2层！”。这样学生顺利从形象思维过度到抽象思维，自然而然得出推论。课后反思时，我把这一灵感记录下来，作为对自己的褒奖。
为了改变学生浅尝辄止的学习习惯，学会将前后知识融会贯通，我以史料3为引子进行变式训练，问学生：1、若将资料3中的“红细胞”改为“口腔上皮细胞”进行实验，测得单分子层的面积仍然恰为口腔上皮细胞表面积的2倍吗？或是大于、小于？为什么？2、若将资料3中的“人”改为“鸡或去壁的原核细胞”进行实验，结果又将怎样呢？为什么？巧借科学史，实现知识的迁移运用，培养学生思维的灵活性、深刻性。
接着提出问题2：两层脂质分子又是如何排列的呢？并请学生在草稿纸上试着画一画。在学生画图的过程中，我提示学生：已知磷脂分子头部是亲水的，尾部是疏水的，而细胞内外都有水，想想该怎样画？当学生画好后，我选取几张有代表性的画法展示出来进行讲评，让学生知道应该怎样画，为什么这样画。
问题3：蛋白质位于脂双层的什么位置呢？
材料4：1959年罗伯特森（J.D.Robertsen）在电镜下看到细胞膜由“暗—亮—暗”的三层结构构成。他大胆提出：生物膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质”的三层结构构成的静态统一结构。
罗伯特森的“三明治”静态结构模型解决了什么问题？有什么不足之处呢？我又以问题的形式启发学生思考，培养学生的批判性思维能力。为了便于学生找出它的不足，我播放质壁分离与质壁分离复原，变形虫吞噬纤毛虫、酵母菌出芽生殖、精卵结合的视频动画，让学生直观地感知细胞膜不是静态的刚性结构，而是一个动态的弹性结构，同时也让学生树立结构要与功能想适应的观点。
有什么证据证明细胞膜中的物质是不断运动的呢？
资料5：图文结合介绍荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验。
问学生：看到了什么现象？这种现象说明了什么？再一次让学生体会科学家的思维过程，让学生自己得出结论。接着我让学生在原来画的脂双层中添加蛋白质，画出自己认为的细胞膜结构模型图。当学生画好后，我让学生把自己画的图与桑格和尼克森提出的流动镶嵌模型进行对照，明确脂双层的排列方式和蛋白质的三种分布情况。请画得比较好、与流动镶嵌模型接近的学生举手，给予充分的肯定，幽默地称他们是当代的桑格、尼克森，并选出代表描述流动镶嵌模型的基本内容。学生的成就感油然而生，课堂气氛轻松活跃。
4．3利用科学史素材，创设糖蛋白学习情景，指导学习方法
教科书的特点是图文并茂、互为补充，文字简练，材料精选。但学生往往不善于图文结合去阅读理解知识。为了养成学生良好的学习习惯，当学生基本理解、接受了“生物膜的流动镶嵌模型”学说后，我提醒学生看黑板，唤起他们的有意注意，接着在“生物膜的流动镶嵌模型”示意图中写上水的分子式并加上一个箭头，问学生：你能告诉我这样表示细胞吸水还是失水吗？大部分学生表现出一脸茫然！只有个别学生怯生生的小声回答：吸水。我及时抓住学生困惑之时机，再设一个问题作铺垫：要判断细胞吸水还是失水，我们必须先判断哪一侧是外侧，哪一侧是内侧，那么根据什么来判断膜的外侧与内侧呢？这样利用科学史素材，创设新的问题情景，将学生的探究欲望再一次激发起来，为糖蛋白的学习创设了有利情景，对培养学生图文结合深刻理解知识的习惯与能力也大有裨益。
4．4课堂小结
为了加深学生对科学过程与方法的理解，在新课结束时，我再次以问题的形式启发学生思考：1、纵观生物膜结构的探索历程，请大家想想科学家建构模型的一般方法是什么？2、在探索生物膜结构的过程中，科学家应用了哪些实验技术？3、实验技术的进步在科学探索中起到了怎样的作用？使学生进一步理解建立模型的一般方法，明确实验技术的进步在科学探索中所起的推动作用。
4．5练习巩固
1）变形虫的任何部位都能伸出伪足，人体某些白细胞能吞噬病菌，这些生理过程的完成都依赖于细胞膜的（ ）
A 保护作用 B 一定的流动性 C 主动运输 D 选择透过性
2）细胞膜上与细胞识别、信息传递等功能有着密切关系的化学物质是
A 糖蛋白 B 磷脂 C 脂肪 D 核酸
3）下列关于细胞膜的流动镶嵌模型叙述错误的是（ ）

A、③是磷脂分子，构成了膜的基本骨架，这个支架不是静止的，具有流动性
B、①是糖脂，对细胞具有保护和润滑作用，以及细胞识别作用
C、②是蛋白质分子，有的镶在磷脂双分子层表面，有的嵌入磷脂双分子层表面，有的横跨整个磷脂双分子层
D、大多数蛋白质分子也是可以运动
4）阅读有关生物膜结构探索历程的材料，回答相关问题。
资料1：l 89 5年Overton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，不溶于脂质的物质透过细胞膜十分困难。
资料2：20世纪初，科学家们第一次将细胞膜从某种细胞中分离出来，化学分析表明，它们的主要成分是磷脂和蛋白质。
资料3：1925年荷兰科学家用丙酮从某种细胞中提取脂质，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细胞表面积的2倍。
资料4：1 9世纪30年代初，科学家通过实验发现细胞膜不可能是单纯磷脂分子构成，再通过实验进一步发现可能还有蛋白质，于是提出在磷脂双分子层内外两侧都有蛋白质分子覆盖的假说。
资料5：l 959年，罗伯特森在电镜下看到细胞膜清晰的“暗一亮一暗”的三层结构。
按照“三明治”模型，科学家经过计算认为生物膜至少厚约1 5—20nm。但电镜照片中，实际测得细胞膜的厚度约为7-1Onm。
资料6：1 970年，科学家用荧光标记的小鼠细胞和人细胞等做了一系列相关融合实验。
(1)仅通过对资料l的分析，你能对膜结构提出什么样的假说?
(2)资料2、3中要获得纯净细胞膜，最好选择哺乳动物的哪一类细胞?试简述理由：
(3)从资料3的实验结果可以得出什么结论?
(4)资料4、5中，通过比较分析生物膜的计算厚度和实测厚度，科学家对膜结构模型提出了什么样的假说?
(5)资料6中，科学家最早是用红色荧光染料标记人细胞的膜蛋白，用绿色荧光染料标记小鼠细胞的膜蛋白，进行融合实验。刚融合时，融合细胞一半发绿色荧光，另一半发红色荧光。在37℃下经过40min，两种颜色的荧光均匀分布，这一实验现象表明________________.
(6)1972年，桑格和尼克森综合以上实验，并在新的观察和实验证据基础上，提出了为大多数人所接受的________________模型。
5 板书设计
生物膜的流动镶嵌模型
一、对生物膜结构的探索历程
1）19世纪末推测 膜由脂质组成；
2）20世纪初证实 膜的主要成分是蛋白质和脂质 ；
3）1925年，推测 脂质分子是双层的
4）1959年观察到 暗—亮—暗三层结构，推测是蛋白质—脂质—蛋白质 5）1970年证明了 膜具有流动性；
6）1972年，提出 流动镶嵌模型。
二、流动镶嵌模型的基本内容：
1）磷脂双分子层为基本支架；
2）蛋白质：覆盖表面，镶嵌其内，贯穿其中；
3）具有一定的流动性。
三、糖蛋白：分布在细胞膜的外侧，有保护、润滑、细胞识别等作用。
6 教后反思
该设计是高一年级的新课教学，是我们研究课题中的一个课例。自我评价有五处亮点：
1）以问题为引导，让学生一步一步地分析科学家的实验和结论，体验科学家的思维过程，实现了“在过程中学习，在过程中生成知识”的教学思想。
2）以史料3为引子设计变式训练，将科学史与思维训练有机地结合在一起。
3）将纸对折帮助学生理解荷兰科学家的推论，简单有效。
4）创设问题情境，让学生得出与科学家一致的结论，体验成功的喜悦，激起学习的热情。
5）创造性地利用流动镶嵌模型示意图，加注水的分子式与箭头，问学生：表示细胞吸水还是失水？为糖蛋白的学习创设情景，效果很好，细中见巧。
有人说：课堂教学是一门遗憾的艺术。本节课的教学也不例外，有学生提出：罗伯特森在电镜下看到细胞膜由“暗—亮—暗”的三层结构组成，为什么是蛋白质—脂质—蛋白质？而不是脂质—蛋白质—脂质，磷脂分子不是双层的吗？由于课前预设不足，当时没作详细解释。
7 教学流程图

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