“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)教學(xué)設(shè)計

劉朝進

摘 要 從激發(fā)興趣、閱讀分析、小組合作、動手模擬、體驗技術(shù)、歸納創(chuàng)新這幾個方面完成“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)的教學(xué)過程，通過探究讓學(xué)生凝聚到學(xué)習(xí)活動中來，實現(xiàn)學(xué)生在知識、能力和情感領(lǐng)域的自主發(fā)展。

關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)成分 結(jié)構(gòu)特點 流動鑲嵌模型 小組合作

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

1 教材分析

“生物膜的流動鑲嵌模型”一課是人教版《分子與細胞》第四章第二節(jié)的內(nèi)容，與第一節(jié)“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗彼从车纳锬ξ镔|(zhì)的進出控制具有選擇性等知識點有一定的聯(lián)系，并作為第三節(jié)“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健钡幕A(chǔ)。整章內(nèi)容表現(xiàn)為“實例——結(jié)構(gòu)——功能”的結(jié)構(gòu)體系，本節(jié)內(nèi)容起承上啟下的作用。高中學(xué)生已具備了一定的觀察、認知和思維能力，對事物的本質(zhì)具有探索的欲望，但往往缺乏思考的連續(xù)性和邏輯性。本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計旨在教師的引導(dǎo)下，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，在實現(xiàn)學(xué)生知識領(lǐng)域發(fā)展的同時，使學(xué)生的能力和情感也得到提升。

2 教學(xué)目標

2.1 知識目標

① 簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容；

② 舉例說明生物膜具有的流動性特點。

2.2 能力目標

① 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，大膽做出假設(shè)；

② 發(fā)揮空間想象能力，構(gòu)建細胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)。

2.3 情感、態(tài)度與價值觀目標

① 形成生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辨證觀點；

② 認同技術(shù)的發(fā)展在科學(xué)研究中的作用，形成用發(fā)展的觀點看待科學(xué)的觀念。

3 教學(xué)重難點

3.1 教學(xué)重點

① 對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程；

② 生物膜的流動鑲嵌模型學(xué)說的基本內(nèi)容。

3.2 教學(xué)難點

① 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；

② 生物膜的流動性特點。

4 教學(xué)過程

4.1 播放動畫，導(dǎo)入新課

教師播放變形蟲攝食視頻，展示教材中“問題探討”欄目列出的三種材料：塑料袋、普通布和彈力布，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度分析哪種材料更加類似于變形蟲的細胞膜。學(xué)生很快回答：彈力布。教師追問原因，引導(dǎo)學(xué)生分析出因為彈力布具有動態(tài)的特點。繼續(xù)追問包括細胞膜在內(nèi)的生物膜的結(jié)構(gòu)到底是怎樣，引出課題。

設(shè)計意圖：通過動畫使學(xué)生的注意力迅速聚焦到課堂，在幾種材料的取舍中，學(xué)生確立了生物膜動態(tài)特點，為課堂教學(xué)的順利開展做好基礎(chǔ)準備。

4.2 閱讀資料，分析結(jié)構(gòu)成分

教師展示資料一：

19世紀末，歐文頓選用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細胞的通透性進行上萬次的研究，發(fā)現(xiàn)脂溶性分子易透過細胞膜；而非脂溶性分子則難以通過。20世紀初，科學(xué)家第一次將細胞膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來，發(fā)現(xiàn)細胞膜不但會被能溶解脂質(zhì)的物質(zhì)溶解，也會被蛋白酶分解。

教師提出問題：閱讀資料，你認為生物膜的成分是什么？為什么這么認為？閱讀后對于科學(xué)研究的過程有何體會？

設(shè)計意圖：資料及問題比較簡單，學(xué)生閱讀分析可自主解答前兩個問題，有利于培養(yǎng)高中生自主學(xué)習(xí)、獲取信息的能力。同時學(xué)生感受到科學(xué)研究的反復(fù)性和艱苦性，體會到崇高的科研精神，對其情感、態(tài)度與價值觀的發(fā)展具有引導(dǎo)作用。

4.3 利用教具，建立結(jié)構(gòu)模型

教師展示資料二：

1925年，荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel用丙酮分離出哺乳動物的紅細胞膜中的脂質(zhì)，在空氣—水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積恰為紅細胞表面積的2倍。

教師提出問題：“膜內(nèi)的磷脂分子鋪成單層后，面積就會擴大兩遍，對此現(xiàn)象如何解釋”？

學(xué)生在討論后得出膜內(nèi)有兩層磷脂分子的結(jié)論。

教師講解磷脂分子具有親水性頭部和疏水性尾部知識，要求學(xué)生繪制磷脂分子在“空氣—水”界面分布的模擬簡圖（圖1）。

小組合作一：動手設(shè)計膜中磷脂分子的排布方式。

在學(xué)生對于磷脂分子性質(zhì)掌握的基礎(chǔ)之上，分小組討論并利用道具模擬設(shè)計膜內(nèi)磷脂分子的排布方式。

設(shè)計意圖：磷脂分子的排布是微觀的，學(xué)生缺乏形象認識。教師若直接展示結(jié)構(gòu)模型，必然失去探究性學(xué)習(xí)的過程，不能獲得較好的教學(xué)效果。通過教師引導(dǎo)學(xué)生逐步進入探究的殿堂，學(xué)生小組合作探究到兩層磷脂分子的排布方式，既使學(xué)生感受學(xué)習(xí)的樂趣，又增強小組分工合作的能力。學(xué)生對本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)可能會遇到瓶頸。首先學(xué)生不一定能準確的得出“雙層磷脂分子”的結(jié)論，后續(xù)過程將很 難開展，筆者在這種情況下利用學(xué)案的對折和展開的對比分析進行突破。第二個瓶頸是學(xué)生可能會對磷脂分子的性質(zhì)掌握不透徹或者即使在掌握了磷脂分子親疏水性，在設(shè)計膜中磷脂分子的排布方式的環(huán)節(jié)中也會粘貼出“頭部相靠，尾部朝向兩側(cè)”的錯誤模型，所以在小組動手操作之前教師可以以人紅細胞為例介紹膜外和膜內(nèi)的液體環(huán)境。

教師引導(dǎo)：我們共同設(shè)計出細胞膜中磷脂分子的排布模式圖（圖2）。細胞膜的結(jié)構(gòu)完成了嗎？還缺什么？蛋白質(zhì)又是以什么方式排布在膜中的呢？

教師展示資料三：

1959年羅伯特森在電子顯微鏡下看到了細胞膜清晰的暗-亮-暗三層結(jié)構(gòu)。通過課件中語音介紹電子顯微鏡技術(shù)：“電子顯微鏡是用電子束照射被檢樣品，與不同物質(zhì)發(fā)生碰撞而產(chǎn)生不同散射度。因蛋白質(zhì)電子密度高，故顯暗帶，磷脂分子電子密度低則呈亮帶?！?/p>

教師提出問題：羅伯特森提出生物膜是“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)模型，并且描述為靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。對此你認同嗎？

學(xué)生聯(lián)想到開課時所看到的變形蟲的變形，對此模型表示懷疑。

教師追問：是否還有其他的實例可以證明你的懷疑？

設(shè)計意圖：在課堂開始時所播放的“變形蟲”動畫，讓學(xué)生對于生物膜的運動特性有了一定的了解，在看到“靜態(tài)”的觀點時，會感覺到有疑慮。其實這也是對學(xué)生基本的生物學(xué)觀點“結(jié)構(gòu)決定功能、功能反映結(jié)構(gòu)”的檢驗和強化，在生物課堂中應(yīng)逐步建立學(xué)生基本的生物學(xué)思維和素養(yǎng)。

教師展示資料四：

20世紀60年代后，冰凍蝕刻技術(shù)的發(fā)展和電子掃描顯微鏡的發(fā)明使得人們對生物膜結(jié)構(gòu)模型有了進一步的認識。請觀察“小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻的電鏡照片”和“冰凍蝕刻電鏡技術(shù)觀察的蛋白質(zhì)分布模型”。

教師提出問題：通過觀察發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)并不是全部鑲在脂質(zhì)表面，內(nèi)部和中間也有分布，從而推翻了羅伯特森的三層結(jié)構(gòu)模型，那么蛋白質(zhì)到底如何分布呢？

小組合作二：動手設(shè)計膜中蛋白質(zhì)分子的排布方式。

教師要求小組二次合作，各個小組蛋白質(zhì)模型插入到之前設(shè)計的“脂質(zhì)分子排布方式模型”中。

設(shè)計意圖：小組第一次活動設(shè)計模型所取得的成功讓學(xué)生感受到探究的興奮，但第一次設(shè)計的結(jié)果還僅是磷脂雙分子層模型。通過小組二次活動將模型結(jié)構(gòu)完整化。各小組二次設(shè)計的模型不完全一致，可以觀察到有些蛋白質(zhì)鑲在膜外，有些蛋白質(zhì)貫穿磷脂雙分子層，有些是嵌入其中，最后通過師生一起總結(jié)，得出蛋白質(zhì)在生物膜中的排布方式（圖3）。

4.4 學(xué)習(xí)技術(shù)，體驗結(jié)構(gòu)特點

教師展示資料五：

1970年，Larry Frye等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，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

教師提問：通過此實驗，你感覺到細胞膜是運動的還是靜止的？總結(jié)系列探究實驗中運用的技術(shù)手段。

設(shè)計意圖：通過變形蟲的運動、細胞融合實驗以及細胞分裂、胞吞胞吐、受精作用等過程，使學(xué)生感受到生物膜“流動性”這一結(jié)構(gòu)特點，這比教師通過講述法強加給學(xué)生的效果要好很多。教師在教學(xué)中需要真正發(fā)揮學(xué)生的主體作用，而不能生硬地將知識“強行告知”，“將學(xué)生當(dāng)成電子儲存器”。教師適時的總結(jié)可以讓學(xué)生體驗到科學(xué)技術(shù)對生物學(xué)發(fā)展的重要作用。

4.5 歸納創(chuàng)新，掌握流動鑲嵌模型

教師展示資料六：

1972年桑格和尼克森在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了“流動鑲嵌模型”。

設(shè)計意圖：本段內(nèi)容是本節(jié)課的重點，但是通過前面探究資料的分析，學(xué)生對模型結(jié)構(gòu)的掌握程度比較好，教師可以讓學(xué)生在經(jīng)過思考之后回答圖中的空格內(nèi)容（圖4）。這樣既是對課堂知識的檢測，又是對本節(jié)課內(nèi)容的一個歸納。在學(xué)生進行小結(jié)之后，教師可以趁勢引導(dǎo)學(xué)生觀察膜外的糖蛋白結(jié)構(gòu)，分析糖被的相關(guān)作用。

4.6 課堂反饋（略），拓展延伸、引導(dǎo)創(chuàng)新

教師：由于科學(xué)技術(shù)的推動、科學(xué)家的孜孜以求，科學(xué)的發(fā)展是永無止境的。生物膜的結(jié)構(gòu)、功能還將進一步被揭示，而這依賴于同學(xué)們打好基礎(chǔ)將來為科學(xué)發(fā)展貢獻自己的一份力量。

教師提出課外拓展：

① 生物膜中除了磷脂分子和蛋白質(zhì)分子外，還有其他物質(zhì)嗎？請收集這方面更多的信息。

② 制作生物膜模型有沒有更好的設(shè)計方法和更合適的實驗材料，請嘗試制作立體模型。

設(shè)計意圖：中學(xué)生時代除了學(xué)習(xí)好基礎(chǔ)的文化知識之外，更是培養(yǎng)能力、情感、形成價值觀的重要階段，需要教師為學(xué)生搭建合適的平臺。網(wǎng)絡(luò)搜索技能在現(xiàn)今社會中越來越重要，拓展①可以積極培養(yǎng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力；而拓展②是對學(xué)生知識、動手及設(shè)計等綜合能力的挑戰(zhàn)和培養(yǎng)。

5 教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)設(shè)計對科學(xué)史進行整合，分為結(jié)構(gòu)成分、結(jié)構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)特點三小塊內(nèi)容展開探究，最后通過總結(jié)的方式對“流動鑲嵌模型”進行重點分析。對前面三小塊內(nèi)容的分析是根據(jù)內(nèi)容的復(fù)雜程度，設(shè)計不同的教學(xué)手段：探究結(jié)構(gòu)成分主要采用閱讀資料、自主分析；在探究膜中兩種成分的排布方式即結(jié)構(gòu)模型時，由于內(nèi)容較為抽象，設(shè)計了兩次遞進式的小組合作活動；在講解生物膜的流動性的特點時，則是通過動畫展示科學(xué)技術(shù)、學(xué)生舉例等手段，既讓學(xué)生感受到科技手段對生物學(xué)發(fā)展的促進作用，又對流動性的特點有了直接的感官體驗。

本節(jié)課中應(yīng)用了多種教學(xué)輔助手段，如多媒體課件、分組材料、自制模型教具、板書等。傳統(tǒng)與現(xiàn)代技術(shù)的有機結(jié)合要做到恰到好處，多媒體課件承擔(dān)每一段探究資料的陳述，分組材料則讓學(xué)生能夠在課堂中盡情的通過自制的方式探究生物膜的結(jié)構(gòu)模型，板書則承擔(dān)起這節(jié)課整體知識框架的構(gòu)建任務(wù)。課后拓展要求學(xué)生自制立體模型則可以讓學(xué)生建立空間形象思維。

為了使得整節(jié)課的知識體系更加清晰完整，使學(xué)生有一個整體的細胞觀，在課前準備教具的時候教師可以將8個小組的設(shè)計圖整合成一個圓環(huán)（注意外環(huán)和內(nèi)環(huán)的大?。?，課堂中8個小組展示后拼接起來剛好是一個圓環(huán)代表著細胞膜，既整潔美觀又避免凌亂和占用黑板太多的空間。黑板上最后留下的就是學(xué)生自制的模型和板書，模型是學(xué)生合作成果的展示，板書既是本節(jié)課開展探究的流程，又是本節(jié)內(nèi)容完整的知識框架。