張紅梅

1教材分析

本節(jié)課是蘇教版生物“細胞的類型和結(jié)構(gòu)”一節(jié)的第二課時。通過本節(jié)課的學習，學生能從分子水平認識細胞膜的結(jié)構(gòu)、特性和功能，從微觀上理解細胞是活細胞生命活動的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位這一觀點，同時為下面學習細胞的其他結(jié)構(gòu)和功能及物質(zhì)跨膜運輸打下知識基礎(chǔ)。因此本節(jié)課在整個高中生命科學學習中具有重要意義。

本節(jié)課通過學習生物學家探索構(gòu)建細胞膜結(jié)構(gòu)的過程，使學生形成生物結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點，認識到科學技術(shù)的發(fā)展會帶動科學研究的進步，能主動進行探究性學習。

2教學目標

2.1知識與技能

簡述流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，闡述生物膜的結(jié)構(gòu)特點是具有一定的流動性。

2.2過程和方法

分析科學家建模過程，嘗試提出問題、作出假設(shè)，并通過實驗和觀察進一步驗證并完善假設(shè)。

2.3情感、態(tài)度與價值觀

(1)樹立生物結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的辯證觀。

(2)正確認識科學實驗過程中實驗技術(shù)的進步所起的作用。

3教學過程

教師課前制作好PPT課件：為學生提供學習資料，比如科學家對細胞膜研究的一系列探索實驗、細胞膜相關(guān)的圖片等都可作為制作素材。

3.1引入緊扣時事，吸引學生注意

展示：水立方、洋蔥表皮細胞、植物葉橫切面，讓學生比較三者共同之處，向?qū)W生介紹水立方的構(gòu)思，引入到細胞的邊界——細胞膜。

問題：生物膜究竟具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢?科學家們曾經(jīng)也帶有這些疑問!下面讓我們一起體驗科學家探索生物膜結(jié)構(gòu)的歷程。

3.2給出科學實驗過程，引導(dǎo)學生構(gòu)建生物膜結(jié)構(gòu)

3.3體驗生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程

(1)資料一：時間：1895年。

人物：歐文頓。

實驗：用500多種物質(zhì)對植物細胞進行上萬次的通透性實驗，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)更容易通過細胞膜。

思考與討論：你可以得出什么結(jié)論?

分析、得出結(jié)論：根據(jù)相似相溶性原理，細胞膜是由脂質(zhì)組成。

教師用多媒體展示歐文頓的結(jié)論：細胞膜是由一層連續(xù)的脂類物質(zhì)所組成。

設(shè)問：“歐文頓實驗”得出生物膜是由脂質(zhì)組成的結(jié)論，是通過對現(xiàn)象的推理分析還是通過膜成分的提取和鑒定?在推理分析得到結(jié)論之后還有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定嗎?為什么一開始不直接對生物膜進行提取、分離和鑒定呢?

學生交流、討論(略)。

教師引入下一則資料：大家對“一層”的說法有不同意見。到底誰合理呢?我們一起來看一個比歐文頓晚40年的實驗。

(2)資料二：時間：1925年。

人物：荷蘭科學家高特和格倫德。

實驗：從細胞膜中提取脂質(zhì)，鋪成單層分子，發(fā)現(xiàn)面積是細胞膜的2倍。

設(shè)問：如果你是科學家，你會推測出什么樣的結(jié)論?

學生交流、討論(略)。

展示，提出假說：細胞膜中的磷脂是雙層的(使學生認識到科學技術(shù)呈現(xiàn)日新月異的發(fā)展態(tài)勢，要用開放的觀點、發(fā)展的眼光對待；科學技術(shù)的發(fā)展能夠促進科學探索的進程)。

教師講述：磷脂是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。學生以小組為單位討論畫出磷脂分子在以下四種情況下的排列方式：

磷脂分子在空氣——水界面上鋪展成單分子層；

磷脂分子置于水中；

磷脂分子在水槽檔板的空隙中；

磷脂分子在細胞表面的排列。

這個活動可充分調(diào)動學生探究的積極性，激發(fā)學習熱情，也活躍了課堂氣氛，使學生更加明白，由于細胞存在于水溶性的介質(zhì)中，在細胞表面磷脂分子自然會形成脂雙層。

(3)資料三；科學家在實驗中還發(fā)現(xiàn)：細胞膜不但會被溶解脂質(zhì)的物質(zhì)溶解，也會被蛋白酶(能專一地分解蛋白質(zhì)的物質(zhì))分解。根據(jù)實驗現(xiàn)象，你對膜化學成分在種類上的認識是否還有新的結(jié)論?

學生推測膜中還含有蛋白質(zhì)。

教師講述：知道了脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)，那么蛋白質(zhì)又處于什么位置呢?有人提出脂質(zhì)兩邊覆蓋蛋白質(zhì)的理論。

(4)資料四：時間：1959年。

人物：羅伯特森。

實驗：在電鏡下看到細胞膜由“蛋白質(zhì)——脂質(zhì)——蛋白質(zhì)”的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

提出假說：生物膜是由“蛋白質(zhì)——脂質(zhì)——蛋白質(zhì)”的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的靜態(tài)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

教師設(shè)問：靜態(tài)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)有什么不足?

展示：細胞分裂、草履蟲的運動和分裂、成熟植物細胞的質(zhì)壁分裂與復(fù)原現(xiàn)象。

教師講述：把生物膜描述為靜態(tài)的剛性結(jié)構(gòu)，這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。20世紀60年代，有人對此靜態(tài)觀點提出異議，并隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對蛋白質(zhì)的位置也提出了準確的說法，指出蛋白質(zhì)不是全部平鋪在脂質(zhì)的表面，有的鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中。

(5)資料五：時間：1970年。

人物：Larry Frye等。

實驗：將人和鼠的細胞膜用不同的熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，雜交細胞的一半發(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。

設(shè)問：對“熒光染料標記實驗”進行觀察，將得到怎樣的動態(tài)現(xiàn)象?推出什么結(jié)論?說明了什么?

學生交流、討論(略)。

教師講述：細胞膜的流動性是與細胞膜的成分——磷脂分子和蛋白質(zhì)分子的運動分不開的。白細胞吞噬細菌、變形蟲運動等例子更強有力地說明細胞膜具有流動性。

資料：冰凍蝕刻電子顯微法：標本用干冰等冰凍后用冷刀斷開，升溫后暴露斷裂面。

蛋白質(zhì)在膜中的分布是不對稱的：蛋白質(zhì)鑲在、嵌入、橫跨在磷脂雙分子層中。

教師引述：1972年，桑格和尼克森通過觀察和實驗，并在繼承前人的研究成果基礎(chǔ)上，提出了生物膜分子模型，即流動鑲嵌模型，并被人們所接受。

設(shè)問：此生物膜的流動鑲嵌模型是不是完美無缺呢?

學生：回答(略)。

教師講述：科學家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學學說不是一成不變的，需要后人不斷修正和完善；時時刻刻要認識到科學技術(shù)在科學探索的過程中所起的關(guān)鍵作用；并要以發(fā)展的觀點看待科學。根據(jù)這個實驗?zāi)憧梢缘贸鍪裁唇Y(jié)論?

學生回答：蛋白質(zhì)分子可以運動。

教師展示蛋白質(zhì)分子運動的動畫。

教師講述：在體驗探索歷程過程中，我們要通過對現(xiàn)象的觀察分析，推測生物膜的結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點，一步一步地探討生物膜的結(jié)構(gòu)(由淺入深地講述質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型的確立過程，激發(fā)學生不斷探究未知科學的熱情；讓學生自己去質(zhì)疑，認識到科學結(jié)論的獲得需要大量實驗的支持)。

3.4生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容

教師：通過以上學習，可以得出哪些有關(guān)細胞膜結(jié)構(gòu)的結(jié)論?

結(jié)合生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程，學生展開想象，結(jié)合生物膜的組分，自我構(gòu)建細胞膜的三維立體結(jié)構(gòu)。教師再通過課件展示“細胞膜的結(jié)構(gòu)”，有層次地闡述基本內(nèi)容：生物膜的組成，即主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，

還含少量的糖類。生物膜的基本骨架：磷脂雙分子層(親水性頭部朝向兩側(cè)，疏水性尾部朝向內(nèi)側(cè))。蛋白質(zhì)分子存在形態(tài)：有鑲在表面、嵌入、橫跨三種，外側(cè)的蛋白質(zhì)分子與糖類結(jié)合形成糖被。生物膜具有不對稱性。生物膜的結(jié)構(gòu)特點：流動性(磷脂分子和大多數(shù)蛋白質(zhì)分子都是運動的)。生物膜的功能特點：選擇透過性。這就是細胞膜的流動鑲嵌模型的主要內(nèi)容。

教師提問與學生討論回答：

①你認為細胞膜的兩層是對稱的嗎?

不對稱。糖蛋白只存在細胞膜的外表面，蛋白質(zhì)內(nèi)外兩側(cè)不均勻分布，脂雙層中兩層也并不完全相同(教師補充內(nèi)外兩側(cè)分布的磷脂含量比例也不相同)。

②細胞膜的結(jié)構(gòu)特點和功能特點分別是什么?

結(jié)構(gòu)特點：細胞膜具有一定的流動性；功能特點：細胞膜有選擇透過性。

③用光學顯微鏡觀察細胞，我們是否能直接看到細胞膜?所有細胞的細胞膜都位于最外層嗎?

學生閱讀教科書、討論，教師適當解釋，最后共同得出：

磷脂雙分子層是膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，使許多分子和離子不能隨意出入；有些膜蛋白控制某些分子和離子的出入；有些膜蛋白起著生物催化劑的作用；有些膜蛋白起著細胞標志物的作用，這些標志物中有些能識別來自細胞內(nèi)外的化學物質(zhì)，有的能識別其他細胞，有的則與病原體作斗爭有關(guān)。所以，可以認為細胞膜在細胞控制和細胞通訊方面都有重要作用。

因為細胞膜很薄，只有在電子顯微鏡下才能真正看到一層厚約8 m的膜(光學顯微鏡只是觀察到細胞膜內(nèi)外的物質(zhì)被分隔開來)，細胞膜也并非都是位于細胞最外層，像植物細胞的細胞和膜外面還有細胞壁。我們可以觀察到的是細胞壁，細胞膜并不能直接看到而是我們推測出緊貼細胞壁的一層是細胞膜(根據(jù)細胞膜的結(jié)構(gòu)來分析細胞膜的功能，強調(diào)生物體結(jié)構(gòu)和功能相統(tǒng)一的觀點)。

教師總結(jié)：人類對自然界的認識永無止境，隨著實驗技術(shù)的不斷進步，對細胞膜的認識將更加精細，細胞膜的模型將不斷被完善和發(fā)展。2003年諾貝爾化學獎授予美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別表彰他們發(fā)現(xiàn)細胞膜水通道，以及對離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究作出的開創(chuàng)性貢獻。他們研究的細胞膜通道就是人們以前猜測的“城門”。下節(jié)課我們將學習物質(zhì)的跨膜運輸及其與膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系(及時進行德育滲透)。

4教學反思

本節(jié)課通過對細胞膜科學研究歷史的回顧、現(xiàn)代研究成果和研究方法的拓展性介紹、對關(guān)于細胞膜科學研究實驗的解讀，幫助學生建立科學的精神和探究精神，促進學生較好地理解生物科學的本質(zhì)以及形成科學的態(tài)度和價值觀。教師通過對科研實驗材料的解讀、教材的自主閱讀，較好地組織了學生的自主探究和課內(nèi)的討論；引導(dǎo)學生主動參與、樂于探究、勤于動手，逐步培養(yǎng)學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力，以及交流與合作的能力等，突出創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，在宏觀上體現(xiàn)了生物學科新課程理念。教師使學生了解國內(nèi)外細胞膜研究的基本現(xiàn)狀，使學生的科學精神和科學素養(yǎng)得到了較好的熏陶。通過對實驗文本的解讀與分析，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、一定的探索精神和創(chuàng)新意識。在師生互動、生生互動的探究活動中像科學家一樣探索生物膜的結(jié)構(gòu)，學生親身經(jīng)歷了知識產(chǎn)生、發(fā)展和形成的過程，體現(xiàn)了教師是主導(dǎo)、學生是主體的教學思想，學生真正成為了學習的主人，同時也體現(xiàn)了“用教材教，而不是教教材”。但是在教學的微觀層面需要進一步的精細化，增加師生互動的頻率和互動的有效性。