第2节生物膜的流动镶嵌模型教学创新设计

第2节　生物膜的流动镶嵌… 高中生物       人教2003课标版

     本节课是高中生物必修一第四章的第二节内容。第四章共有3节内容，第一节主要说明细胞膜是选择透过性膜，为什么具有选择透过性。这与膜的结构有关，于是进入第二节内容。而第二节内容又是解释第三节内容“物质跨膜运输的方式”的基础。这三节内容的内在联系是：功能——结构——功能。由此可见，本节“生物膜的流动镶嵌模型”在第四章中起着承上启下的作用，它是架起第一节和第三节的一座桥梁，并体现出了结构决定功能的观点。同时本节内容和前面的第二章中的“化合物”和第三章中的“细胞膜”、“生物膜系统”等内容又有一定的联系。

     本节主要包括了两大部分内容：①.科学家对细胞膜结构的探索历程。  ②.细胞膜的流动镶嵌模型的基本内容。 学生必须展开想象力，在头脑中构建细胞膜的空间结构，理解和掌握流动镶嵌模型的基本要点，这对于更好的理解下一节物质跨膜运输的方式有很重要的联系。

      学生在第三章的学习中曾做真核细胞的三维结构模型，已经了解了细胞、知道了组成细胞的分子、掌握了细胞的基本结构，尤其是细胞膜作为最基本生命系统的边界等相关知识，为本节知识的学习奠定了基础。

      高一学生具备了一定的观察和认知能力，分析思维的目的性、连续性和逻辑性也已初步建立，但还很不完善，对事物的探索好奇，又往往具有盲目性，缺乏目的性，并对探索科学的过程与方法及结论的形成缺乏理性思考。 

   “调动学生已有的知识和经验，激发学生的探究欲望。

    对教材的处理也应该从这两方面入手。首先从现象入手，通过讲授与分析科学家建立生物膜模型的过程，启发学生大胆假设，总结规律。之后从现象过渡到本质，提出生物膜流动镶嵌模型基本内容，充分遵循学生接受知识的一般规律，由浅入深、由表及里，最终让学生达到理解和掌握的目的。

    通过幻灯片放映各个科学家研究的图片、动画，增强了这些内容的立体感、丰富了教学内容、使学生在乐趣中学、在轻松中学。 

4.1知识与技能

(1).简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容；

(2)．举例说明生物膜具有的流动性的特点 ；

(3)．通过分析科学家建立生物膜模型的过程阐述科学发展的一般规律 。

4.2过程与方法

(1).分析科学家建立生物膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆作出假设 ；

(2).发挥空间想象能力，构建细胞膜的空间立体结构 。

4.3情感、态度和价值观

(1).使学生树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点 ；

(2).培养学生严谨的推理和大胆想象能力 ；

(3).认识到技术的发展在科学研究中的作用，尊重科学且用发展的观点看待科学、树立辨证的科学观 。

5.1教学重点

     (1)．科学家对生物膜结构的探索历程。

     (2)．生物膜的流动镶嵌模型学说的基本内容。

5.2教学难点

     (1).对科学探究过程的分析，如何体现生物膜的结构与功能相统一；

     (2) .生物膜的空间立体结构；

     (3).生物膜的流动性特点。

6.1教法：讲述、引导启发、观察分析、对比归纳、联系实例，可配合多媒体教学。 

6.2学法：观察、阅读、思考、分析、讨论、探究

  设问引入→“问题探讨”→体验“生物膜结构的探索历程”→阐述“流动镶嵌模型的基本内容”

教师质疑：

     同学们，在前面我们制作真核细胞的三维结构模型中，遇到过用什么材料做细胞膜的问题，现在有三种材料：塑料袋、普通布和弹力布，你选用哪种材料呢？为什么？

学生活动：

     学生小组讨论,交流,回忆细胞膜的功能,并说出选择的材料和选择的依据

学生:细胞膜很薄，是细胞这个生命系统的边界;可以有选择的让物质进出; 植物细胞的纸币分离和复原现象说明细胞膜具有一定的伸缩性等等…….塑料袋只能满足作为系统边界的要求，普通布能够满足系统的边界和让一部分物质透过这两项功能的要求，只有弹力布能够满足前面提到的三项功能的要求。

 教师质疑：

     大家进行选择的依据是利用了细胞膜的功能，这体现了什么样的生物学思想呢？

学生：生物体结构和功能相适应的思想。

 补充并引出课题：

      实际上，弹力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料，我们还需要对细胞膜的结构有更深的认识。今天将循着科学家的脚步重温细胞膜结构的探索历程!

 设计意图：

      引起学生的注意，使其产生强烈的求知欲，对上课的内容产生浓厚的兴趣，从而方便后面的教学，有利于提高学习的效率。

1、对生物膜结构的探索历程

教师引导：我想让大家穿过时空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是当时的一位科学家，你会怎样去研究细胞膜的结构？

学生：可以从现象入手，去进行推测。

教师补充：这就是生物学研究上常用的一种科学方法——假说法。这也是我们今天探究生物膜的结构的一个重要的方法，下面，就让我们沿着科学家的足迹，和科学家一起来研究这个问题。

      问题（1）探究细胞膜的组成成分是什么？

      材料①展示：欧文顿的实验及其相关的图片

      实验：用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

动画展示 :欧文顿的实验原理 ~~~~~~~~~(形象直观,)

师生互动

       质疑①：根据实验，你能提出什么假说？

       学生：提出假说：膜是由脂质构成的。

       质疑②：在得出结论后，还有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

       学生：有必要，通过鉴定能更准确地说明问题。

       质疑③：那为什么一开始不直接对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

       学生：当时的技术不能实现。

       质疑④：这说明什么问题呢？

       学生：这说明技术对科学研究的重要作用。

教师总结：直至20世纪初，科学家才能第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分的确是磷脂和蛋白质。从而以实验说明了欧文顿的假说是成立的。也就是说假说是在实验与观察的基础上提出来的，同时又需要更进一步的实验来证明。

设计意图：让学生自己根据实验现象提出结论更容易让同学们接受，而且锻炼了学生观察现象、分析现象、总结规律的能力，并让学生学会根据假说设计实验来验证。

      问题（2）：探究这些物质是如何组成膜的？

      资料②展示：1917年欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂  层亲水的头朝向水面，疏水的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。

（图示磷脂分子的结构）

学生活动：画出下面两种情况下磷脂的分布情况：①在空气-水界面上②完全浸没在水中

学生展示：小组代表上黑板演示

       材料③展示：戈特 和格伦德对血影的研究

       实验：两位科学分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。

师生互动

      教师质疑①：假如你是当时的科学家，当你做实验时发现单分子的磷脂分子正好是红细胞的两倍时，大胆地展开你的想象力，你能做出什么假说？

      学生：细胞膜中的磷脂是两层的。

     教师质疑②：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？再分小组讨论、画出磷脂分子在细胞膜上的分布。

      学生：分组讨论，并提出细胞膜应两面都处于水环境中，所以讨论得到正确的排布方式。

设计意图：以小组讨论的方式教学，培养了学生团结合作的能力，并学会利用模型来演示自己的想法。

        问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？

        材料④展示：罗伯特森的单位膜模型

        实验：用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构，厚约7.5 nm，它由厚约3.5 nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2 nm的蛋白质构成。 

        问题（4）：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？ 

教师放映变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂的动画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构

        材料⑤展示：荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验

        实验：将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

学生提出假说：细胞膜具有流动性。

教师：很好，在继承前人的结论基础上，结合新的观察和实验证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型。其中1972年桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

设计意图：激励学生根据试验中的现象总结规律。

教师：那流动镶嵌模型的具体内容是如何的呢？

2、学生：总结基本内容。

（1）磷脂双分子层是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。

（2）蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。

（3）在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结构合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密切联系。

（4）磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。

设计意图：这部分内容基本上来源于前面的几个实验的结论，因此这种设计有利于学生对前面所学的实验内容的回顾。同时也有利于培养学生的口语表达能力和概括归纳的能力，并能检验这节课的教授效果。 

      通过今天的学习，一方面：我们重温了科学家探索细胞膜结构的历程，这是一个在继承中不断验证、修正和完善发展的过程，这段科学史给予我们很多有用的启示，使我们加深了对科学过程和方法的理解。另一方面：我们也重点学习了生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。在众多对细胞膜结构的假说中，细胞膜的流动镶嵌模型是目前人们普遍接受认同的，能较好地解释人们对细胞膜功能的认识，理解和掌握流动镶嵌模型的基本要点，这对于更好的理解下一节物质跨膜运输的方式有很重要的联系。

一．生物膜结构的探索历程

二．流动镶嵌模型的基本内容

    1、膜主要由脂质和蛋白质组成

    2、磷脂分子层是膜的基本支架

    3、膜具有一定的流动性和选择透过性

     本节课对细胞膜结构的发现过程的相关科学史内容进行了学习，通过六个材料的展示，层层递进，让学生讨论分析，总结归纳，最终获得新知识。但是学生在小组讨论时，稍显混乱，有个别学生没有充分参与讨论。

1.磷脂是组成细胞膜的重要成分，这与磷脂分子的头部亲水、尾部疏水的性质有关。某研究小组发现植物种子细胞以小油滴的方式贮存油，每个小油滴都由磷脂膜包被着，该膜最可能的结构是(  A   )

A．由单层磷脂分子构成，磷脂的尾部向着油滴内

B．由单层磷脂分子构成，磷脂的头部向着油滴内

C．由两层磷脂分子构成，结构与细胞膜完全相同

D．由两层磷脂分子构成，两层磷脂的头部相对

第2节　生物膜的流动镶嵌模型　

第2节　生物膜的流动镶嵌模型　

教师质疑：

     同学们，在前面我们制作真核细胞的三维结构模型中，遇到过用什么材料做细胞膜的问题，现在有三种材料：塑料袋、普通布和弹力布，你选用哪种材料呢？为什么？

学生活动：

     学生小组讨论,交流,回忆细胞膜的功能,并说出选择的材料和选择的依据

学生:细胞膜很薄，是细胞这个生命系统的边界;可以有选择的让物质进出; 植物细胞的纸币分离和复原现象说明细胞膜具有一定的伸缩性等等…….塑料袋只能满足作为系统边界的要求，普通布能够满足系统的边界和让一部分物质透过这两项功能的要求，只有弹力布能够满足前面提到的三项功能的要求。

 教师质疑：

     大家进行选择的依据是利用了细胞膜的功能，这体现了什么样的生物学思想呢？

学生：生物体结构和功能相适应的思想。

 补充并引出课题：

      实际上，弹力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料，我们还需要对细胞膜的结构有更深的认识。今天将循着科学家的脚步重温细胞膜结构的探索历程!

 设计意图：

      引起学生的注意，使其产生强烈的求知欲，对上课的内容产生浓厚的兴趣，从而方便后面的教学，有利于提高学习的效率。

1、对生物膜结构的探索历程

教师引导：我想让大家穿过时空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是当时的一位科学家，你会怎样去研究细胞膜的结构？

学生：可以从现象入手，去进行推测。

教师补充：这就是生物学研究上常用的一种科学方法——假说法。这也是我们今天探究生物膜的结构的一个重要的方法，下面，就让我们沿着科学家的足迹，和科学家一起来研究这个问题。

      问题（1）探究细胞膜的组成成分是什么？

      材料①展示：欧文顿的实验及其相关的图片

      实验：用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

动画展示 :欧文顿的实验原理 ~~~~~~~~~(形象直观,)

师生互动

       质疑①：根据实验，你能提出什么假说？

       学生：提出假说：膜是由脂质构成的。

       质疑②：在得出结论后，还有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

       学生：有必要，通过鉴定能更准确地说明问题。

       质疑③：那为什么一开始不直接对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

       学生：当时的技术不能实现。

       质疑④：这说明什么问题呢？

       学生：这说明技术对科学研究的重要作用。

教师总结：直至20世纪初，科学家才能第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分的确是磷脂和蛋白质。从而以实验说明了欧文顿的假说是成立的。也就是说假说是在实验与观察的基础上提出来的，同时又需要更进一步的实验来证明。

设计意图：让学生自己根据实验现象提出结论更容易让同学们接受，而且锻炼了学生观察现象、分析现象、总结规律的能力，并让学生学会根据假说设计实验来验证。

      问题（2）：探究这些物质是如何组成膜的？

      资料②展示：1917年欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂  层亲水的头朝向水面，疏水的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。

（图示磷脂分子的结构）

学生活动：画出下面两种情况下磷脂的分布情况：①在空气-水界面上②完全浸没在水中

学生展示：小组代表上黑板演示

       材料③展示：戈特 和格伦德对血影的研究

       实验：两位科学分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。

师生互动

      教师质疑①：假如你是当时的科学家，当你做实验时发现单分子的磷脂分子正好是红细胞的两倍时，大胆地展开你的想象力，你能做出什么假说？

      学生：细胞膜中的磷脂是两层的。

     教师质疑②：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？再分小组讨论、画出磷脂分子在细胞膜上的分布。

      学生：分组讨论，并提出细胞膜应两面都处于水环境中，所以讨论得到正确的排布方式。

设计意图：以小组讨论的方式教学，培养了学生团结合作的能力，并学会利用模型来演示自己的想法。

        问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？

        材料④展示：罗伯特森的单位膜模型

        实验：用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构，厚约7.5 nm，它由厚约3.5 nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2 nm的蛋白质构成。 

        问题（4）：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？ 

教师放映变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂的动画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构

        材料⑤展示：荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验

        实验：将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

学生提出假说：细胞膜具有流动性。

教师：很好，在继承前人的结论基础上，结合新的观察和实验证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型。其中1972年桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

设计意图：激励学生根据试验中的现象总结规律。

教师：那流动镶嵌模型的具体内容是如何的呢？

2、学生：总结基本内容。

（1）磷脂双分子层是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。

（2）蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。

（3）在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结构合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密切联系。

（4）磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。

设计意图：这部分内容基本上来源于前面的几个实验的结论，因此这种设计有利于学生对前面所学的实验内容的回顾。同时也有利于培养学生的口语表达能力和概括归纳的能力，并能检验这节课的教授效果。 

      通过今天的学习，一方面：我们重温了科学家探索细胞膜结构的历程，这是一个在继承中不断验证、修正和完善发展的过程，这段科学史给予我们很多有用的启示，使我们加深了对科学过程和方法的理解。另一方面：我们也重点学习了生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。在众多对细胞膜结构的假说中，细胞膜的流动镶嵌模型是目前人们普遍接受认同的，能较好地解释人们对细胞膜功能的认识，理解和掌握流动镶嵌模型的基本要点，这对于更好的理解下一节物质跨膜运输的方式有很重要的联系。

一．生物膜结构的探索历程

二．流动镶嵌模型的基本内容

    1、膜主要由脂质和蛋白质组成

    2、磷脂分子层是膜的基本支架

    3、膜具有一定的流动性和选择透过性

     本节课对细胞膜结构的发现过程的相关科学史内容进行了学习，通过六个材料的展示，层层递进，让学生讨论分析，总结归纳，最终获得新知识。但是学生在小组讨论时，稍显混乱，有个别学生没有充分参与讨论。

1.磷脂是组成细胞膜的重要成分，这与磷脂分子的头部亲水、尾部疏水的性质有关。某研究小组发现植物种子细胞以小油滴的方式贮存油，每个小油滴都由磷脂膜包被着，该膜最可能的结构是(  A   )

A．由单层磷脂分子构成，磷脂的尾部向着油滴内

B．由单层磷脂分子构成，磷脂的头部向着油滴内

C．由两层磷脂分子构成，结构与细胞膜完全相同

D．由两层磷脂分子构成，两层磷脂的头部相对