“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)的探究教學(xué)設(shè)計(jì)

陳 云

(江蘇省溧水高級(jí)中學(xué) 211200)

1 教材分析

“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”是人教版必修1《分子與細(xì)胞》第四章“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”第二節(jié)的內(nèi)容，主要介紹了科學(xué)家對(duì)生物膜成分與結(jié)構(gòu)的探索歷程和生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容。之前，學(xué)生已了解了細(xì)胞膜的成分和功能，認(rèn)同了細(xì)胞膜作為系統(tǒng)邊界對(duì)于細(xì)胞生命系統(tǒng)的重要意義；并通過真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型的制作，具備了一定的模型制作基礎(chǔ)。

探究生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型，是本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)；在生物膜成分與結(jié)構(gòu)的探索歷程的教學(xué)中，如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)是難點(diǎn)。本節(jié)教學(xué)中，教師應(yīng)避免直接將生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的內(nèi)容告訴學(xué)生，落入“死記硬背、枯燥無味”的窠臼。而應(yīng)讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)生物膜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，了解知識(shí)的來龍去脈，帶著學(xué)生一起沿著科學(xué)家的足跡，進(jìn)行一次生物膜結(jié)構(gòu)的探索之旅。在教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)現(xiàn)象的推理分析提出假說、自主建模，并及時(shí)提供不斷發(fā)現(xiàn)的“新證據(jù)”， 通過觀察和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，不斷修正原有的觀點(diǎn)或模型。這樣，可以激發(fā)學(xué)生探究的興趣，引導(dǎo)學(xué)生體悟科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo) 簡(jiǎn)述生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容；通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程闡述科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律。

2.2 能力目標(biāo) 嘗試提出問題、作出假設(shè)，根據(jù)已知信息做出判斷并自主構(gòu)建物理模型。

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo) 樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)觀點(diǎn)；初步形成嚴(yán)謹(jǐn)推理和大膽想象的能力；認(rèn)識(shí)技術(shù)的發(fā)展在科學(xué)研究中的作用。

3 教學(xué)過程

3.1 回憶舊知，引入課題 教師投影學(xué)生制作的真核細(xì)胞“三維結(jié)構(gòu)模型”照片，其中細(xì)胞膜材料有塑料袋、普通布和彈力布等。學(xué)生簡(jiǎn)述當(dāng)時(shí)選用該種“細(xì)胞膜”材料的理由，教師提出：細(xì)胞膜真的是一塊布構(gòu)成的嗎？它到底具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢？

由此以學(xué)生的“前概念”為教學(xué)的始發(fā)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念。也激起學(xué)生進(jìn)一步探究的興趣，引導(dǎo)其從“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的角度分析生物學(xué)問題。

3.2 細(xì)胞膜成分的探究 展示科學(xué)家研究細(xì)胞膜成分的資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理分析，做出大膽假設(shè)。

資料1 19世紀(jì)末，歐文頓(E.Overton)用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行上萬次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：凡是可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，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。

提出問題：根據(jù)歐文頓的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，你能否對(duì)細(xì)胞膜的成分做出合理的假設(shè)？細(xì)胞膜由脂質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)，是通過對(duì)現(xiàn)象的推理分析，還是對(duì)膜成分的提取和鑒定取得的？在推理分析得出結(jié)論后，還有必要對(duì)膜成分進(jìn)行提取、分離和鑒定嗎？那為什么一開始不直接對(duì)細(xì)胞膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢？

學(xué)生分組交流、討論并回答，組間相互評(píng)價(jià)、補(bǔ)充，教師總結(jié)并指出：20世紀(jì)初，科學(xué)家才將細(xì)胞膜從哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞中提取出來。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的主要成分就是脂質(zhì)(主要是磷脂)和蛋白質(zhì)，此外，還有少量糖類。

學(xué)生通過對(duì)問題的深入思考與分析，認(rèn)識(shí)到假說是在實(shí)驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)上提出的，還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來證明。同時(shí)，體會(huì)到科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要實(shí)驗(yàn)技術(shù)的支持。

3.3 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索 展示科學(xué)家探究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生嘗試自主構(gòu)建模型，并不斷修正、完善模型。

教師補(bǔ)充：磷脂是一種由甘油、脂肪酸和磷酸等所組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。其結(jié)構(gòu)模式圖(圖1)。

(3) 微電網(wǎng)集各種分布式電源、負(fù)載、儲(chǔ)能于一體,是對(duì)能源的產(chǎn)生、分配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化的能源產(chǎn)供銷一體化社區(qū)綜合能源系統(tǒng),是能源互聯(lián)網(wǎng)的終端載體之一。微電網(wǎng)與普通分布式電源的主要區(qū)別在于微電網(wǎng)內(nèi)部存在可控的分布式電源和可控負(fù)載,其公共連接點(diǎn)的功率也可控,可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以孤島運(yùn)行。微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)具有平等的法律和商業(yè)地位,且在公共電網(wǎng)的支撐下其運(yùn)行可以取得更好的收益。

圖1 磷脂分子結(jié)構(gòu)模式圖

資料2 1917年，朗姆瓦(Langmuir)用苯將細(xì)胞膜中的磷脂分子提取出來，然后把磷脂的苯溶液鋪在水面上。當(dāng)苯揮發(fā)后，留下的磷脂分子在水面上形成脂單層。

模型構(gòu)建1 根據(jù)磷脂分子特點(diǎn)，構(gòu)建磷脂分子在空氣—水界面的排布模型。

學(xué)生分組討論并嘗試畫出模型圖。在討論、交流的過程中，教師適時(shí)點(diǎn)撥：磷脂分子的不同部位與水的親和力不同。然后請(qǐng)學(xué)生展示構(gòu)建的模型，教師及時(shí)評(píng)價(jià)、總結(jié)并投影模型(圖2)。

圖2 磷脂分子在空氣—水界面上的排布

資料3 1925年，荷蘭科學(xué)家戈特(E.Gorter)和格倫德爾(F.Grendel)用丙酮從人的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，在空氣—水界面上鋪展成單分子層，測(cè)得單分子層的面積恰好為紅細(xì)胞表面積的2倍。

學(xué)生根據(jù)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易推斷出：細(xì)胞膜中的脂質(zhì)(磷脂)分子必然排列為連續(xù)的兩層。可磷脂分子是怎樣排列的呢？是頭對(duì)頭、尾對(duì)尾，還是頭對(duì)尾？這是個(gè)問題呀！(此時(shí)，學(xué)生的探究欲望高漲)

模型構(gòu)建2 思考紅細(xì)胞膜所處的環(huán)境，嘗試構(gòu)建細(xì)胞膜中磷脂分子的排布模型。

圖3 磷脂分子在細(xì)胞膜中的排布

教師提出問題：細(xì)胞膜中磷脂分子的排列方式解決了，可蛋白質(zhì)分子又是如何分布的呢？

資料4 1959年羅伯特森(J.D.Robertson)在電鏡下觀察到細(xì)胞膜的暗-亮-暗三層結(jié)構(gòu)。根據(jù)成像原理：在電鏡下電子密度高的如蛋白質(zhì)，顯暗色；電子密度低的如磷脂，顯亮色。

展示細(xì)胞膜的電鏡照片，由學(xué)生根據(jù)資料中所給信息推測(cè)蛋白質(zhì)在膜中的分布情況(培養(yǎng)學(xué)生提取、歸納信息的能力，鼓勵(lì)學(xué)生大膽假設(shè))。

模型構(gòu)建3 根據(jù)對(duì)上述資料的分析，嘗試對(duì)模型2進(jìn)行完善。

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生大膽假設(shè)：細(xì)胞膜中亮-暗-亮的三層結(jié)構(gòu)就是蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(新模型的構(gòu)建水到渠成)。學(xué)生展示、交流，教師評(píng)價(jià)并投影模型(圖4)。

圖4 細(xì)胞膜的單位膜模型

教師指出：同學(xué)們構(gòu)建的模型就是羅伯特森提出的“單位膜模型”。他認(rèn)為：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，是靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)(居然和科學(xué)家想到一塊兒去了，學(xué)生內(nèi)心喜悅，科學(xué)探究竟是如此有趣)。

然而， 新的發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)为?dú)測(cè)量膜蛋白質(zhì)厚度約為5～10nm，磷脂層厚度約3.5nm，人們發(fā)現(xiàn)一般細(xì)胞膜的厚度僅為5～10nm。根據(jù)我們的模型推算細(xì)胞膜的厚度是多少呢？這說明構(gòu)建的模型與實(shí)際情況相符嗎？羅伯特森的推斷正確嗎？(展現(xiàn)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與假設(shè)之間的矛盾，引導(dǎo)學(xué)生分析、反思，培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑的精神)教師轉(zhuǎn)折：新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)帶來了突破……

資料5 冰凍蝕刻技術(shù)：將細(xì)胞置于-196℃液氮中，讓細(xì)胞膜變成固態(tài)。用冷刀驟然將標(biāo)本斷開，升溫后冰在真空條件下迅速升華，暴露出斷面結(jié)構(gòu)。在電鏡下觀察(圖5)。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)模式圖進(jìn)行觀察，要求學(xué)生先分別找出磷脂分子和蛋白質(zhì)分子，再特別關(guān)注蛋白質(zhì)在磷脂中如何分布？是否對(duì)稱、均勻？

模型構(gòu)建4 根據(jù)觀察分析的結(jié)果，嘗試修改原來的模型。

通過觀察，學(xué)生知道蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜中的分布是不均勻的，或鑲或嵌或貫穿于磷脂雙分子層。如何修改模型學(xué)生已經(jīng)了然于胸。學(xué)生展示模型，教師評(píng)價(jià)并投影模型(圖6)。

教師引導(dǎo)學(xué)生再次觀察圖5：細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)分子上還有一些鏈狀結(jié)構(gòu)，那是糖類分子。它們常常與蛋白質(zhì)結(jié)合成糖蛋白，分布在細(xì)胞膜的外側(cè)，具有細(xì)胞識(shí)別作用。并要求學(xué)生進(jìn)一步完善模型。

圖6 蛋白質(zhì)分子在脂雙層上的分布模型

在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索過程中，將科學(xué)史演繹為探究素材，引導(dǎo)學(xué)生合作探究，自主建模。學(xué)生在建模的過程中不斷地深化對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)是經(jīng)過不斷認(rèn)識(shí)、修正、再認(rèn)識(shí)，最終一步步接近事實(shí)真相的。

3.4 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的探索 羅伯特森認(rèn)為生物膜是靜止的，但我們?cè)陲@微鏡下常可以看到這樣的現(xiàn)象(展示變形蟲運(yùn)動(dòng)、吞噬細(xì)胞吞噬細(xì)菌的動(dòng)畫，要求學(xué)生特別關(guān)注細(xì)胞膜)。看來細(xì)胞膜不可能是靜止的。

資料6 (熒光標(biāo)記技術(shù))1970年，科學(xué)家用熒光標(biāo)記的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)(教材中熒光標(biāo)記的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)示意圖)。

資料7 科學(xué)家經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：動(dòng)物細(xì)胞吸水時(shí)，磷脂雙分子層的厚度會(huì)變小。

教師提問過渡：思考上述資料，你能得到怎樣的啟示？由此說明，細(xì)胞膜具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？(培養(yǎng)學(xué)生提取、歸納信息的能力)

3.5 生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的提出 展示資料8：1972年，桑格(S.J.Singer)和尼克森(G.Nicolson)在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了流動(dòng)鑲嵌模型，投影展示教材的生物膜結(jié)構(gòu)模型示意圖。

教師提問：你能結(jié)合我們對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程說說流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容嗎？細(xì)胞膜具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？

3.6 課堂總結(jié) 教師對(duì)學(xué)生自主探索構(gòu)建的生物膜模型進(jìn)行充分的肯定，強(qiáng)調(diào)和突出本節(jié)主要內(nèi)容——“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”所包含的三個(gè)方面：分子組成(脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、糖類)、分子分布(磷脂雙分子層、蛋白質(zhì)：鑲、嵌、貫穿)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(具有流動(dòng)性)，形成知識(shí)的整體性。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課以“生物膜結(jié)構(gòu)的探究歷程”為線索，以嘗試構(gòu)建模型為方式，讓學(xué)生充分參與到科學(xué)的發(fā)現(xiàn)和思考之中，不斷地進(jìn)行分析推理，構(gòu)建模型，又不斷地修正和完善模型。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)了科學(xué)研究方法：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象→分析推理→做出假設(shè)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→得出結(jié)論，體驗(yàn)了科學(xué)探究的樂趣和艱辛，也認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)科學(xué)發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。同時(shí)，也培養(yǎng)了科學(xué)探究的能力。