“生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計

張國權(quán)

(山東省聊城市莘縣實驗高級中學(xué) 聊城 252400)

1 教材分析

“生物膜的流動鑲嵌模型”是人教版必修1《分子與細(xì)胞》第4章第2節(jié)的內(nèi)容。在本模塊第2章已經(jīng)學(xué)習(xí)了磷脂是構(gòu)成生物膜的重要成分，膽固醇是構(gòu)成動物細(xì)胞膜的重要成分；第3章學(xué)習(xí)了細(xì)胞膜的制備、功能及主要成分；第4章第1節(jié)又通過物質(zhì)跨膜運輸實例學(xué)習(xí)了細(xì)胞膜具有選擇性功能的特點。以上學(xué)習(xí)內(nèi)容為本節(jié)的學(xué)習(xí)做了鋪墊，引發(fā)了學(xué)生對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的極大好奇心。對“生物膜流動鑲嵌模型”的本質(zhì)理解，能夠使學(xué)生深刻領(lǐng)悟細(xì)胞膜功能，也為本章第3節(jié)物質(zhì)跨膜運輸方式的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

科學(xué)本質(zhì)是理科學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的一項科學(xué)素養(yǎng)，與2017版普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中“教學(xué)過程重實踐”的基本理念相符，在教學(xué)中理應(yīng)得到重視。生命科學(xué)史蘊含著豐富的科學(xué)本質(zhì)教育素材，本節(jié)教學(xué)嘗試將生物膜結(jié)構(gòu)探索歷程的資料融入其中，促使學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，同時培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)本質(zhì)觀。

2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過對生物膜結(jié)構(gòu)探索歷程資料的分析，構(gòu)建和理解生物膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

(2) 能夠運用生物膜流動鑲嵌模型闡釋變形蟲的運動、細(xì)胞分泌過程等生命現(xiàn)象。

(3) 經(jīng)歷對生物膜結(jié)構(gòu)的探索和模型建構(gòu)過程，體驗科學(xué)發(fā)展過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，養(yǎng)成科學(xué)精神。

3 教學(xué)過程

3.1 文藝導(dǎo)課 “是誰，隔開了原始海洋的動蕩。是誰，奏鳴了生命的交響。是誰，為我日夜守邊防。是誰，為我傳信報安康。啊，偉大的細(xì)胞膜呀！沒有你，我會是何等模樣！”通過對該詩歌的閱讀，讓學(xué)生體會并說出細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及功能特點。進而提出： 細(xì)胞膜有怎樣的結(jié)構(gòu)與其選擇透過性功能相適應(yīng)呢？

設(shè)計意圖： 課堂導(dǎo)入給學(xué)生一種新鮮的文藝感受，激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。利用結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點提出問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。

3.2 生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程和模型建構(gòu) 具體教學(xué)設(shè)計過程如下：

3.2.1 生物膜組成成分的探究 為學(xué)生提供兩則科學(xué)史資料。

資料分析1： 提供歐文頓對植物細(xì)胞的通透性的實驗，詳見教材第65頁。讓學(xué)生從細(xì)胞膜成分方面思考并推測出實驗結(jié)論。

資料分析2： 20世紀(jì)初，科學(xué)家第1次從哺乳動物成熟的紅細(xì)胞中分離出細(xì)胞膜，經(jīng)過化學(xué)方法分析發(fā)現(xiàn)： 細(xì)胞膜的主要成分是磷脂和蛋白質(zhì)[1]。

設(shè)問： 用哺乳動物成熟的紅細(xì)胞做研究材料制備細(xì)胞膜有什么優(yōu)點？你可以用什么實驗方法證明細(xì)胞膜中存在蛋白質(zhì)？其他生物膜的主要組成成分與細(xì)胞膜相同嗎？歐文頓為什么沒有運用化學(xué)分析的方法來驗證自己的假設(shè)？

學(xué)生較容易回答用哺乳動物成熟的紅細(xì)胞制備細(xì)胞膜的優(yōu)點，及可用雙縮脲試劑鑒定蛋白質(zhì)等。教師還可補充酶分解法，并提示細(xì)胞分泌過程中生物膜間的轉(zhuǎn)化以及科學(xué)的發(fā)展受限和依賴于認(rèn)知水平、技術(shù)條件和方法選擇。

設(shè)計意圖： 體會科學(xué)研究的艱辛、嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)家持之以恒的科學(xué)精神。領(lǐng)會恰當(dāng)選擇實驗材料對科學(xué)研究成功至關(guān)重要，假說需通過觀察和實驗進行驗證和完善，科學(xué)發(fā)展需要技術(shù)的支持。

3.2.2 生物膜結(jié)構(gòu)的模型建構(gòu) 帶領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)三個模型。

模型建構(gòu)1： 生物膜中磷脂分子的排布

資料分析3： 細(xì)胞膜中的脂質(zhì)主要是磷脂。磷脂的結(jié)構(gòu)特點見教材第66頁。

設(shè)問： 在水面上磷脂分子將會以什么方式排布？細(xì)胞膜兩側(cè)都是水溶液，那么膜磷脂分子又是怎樣排布的呢？可以用什么實驗材料和方法驗證你的推測？

學(xué)生通過想象在紙上繪圖，教師給予激勵性評價，學(xué)生初步形成對生物膜中磷脂分子排布方式的推測。

資料分析4： 1925年，兩位荷蘭科學(xué)家用丙酮從人的紅細(xì)胞中提取脂質(zhì)，在水面上鋪展成單分子層，最終測得單分子層的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍[1]。

學(xué)生得出結(jié)論： 生物膜應(yīng)該是雙分子層，結(jié)合細(xì)胞膜兩側(cè)都是水溶液這一事實，那么雙層的磷脂分子應(yīng)該是以尾部相對排布。此時，教師及時提醒學(xué)生對在紙上繪的圖進行修正。

設(shè)計意圖： 通過遞進問題進行資料分析和推理，得出細(xì)胞膜中磷脂分子排布的結(jié)論，感受學(xué)習(xí)過程中挑戰(zhàn)成功的喜悅，并注意到科學(xué)研究中科學(xué)思維的重要性。

模型建構(gòu)2： 生物膜中蛋白質(zhì)分子的分布

資料分析5： 給出膜蛋白分子親水和疏水區(qū)域在膜蛋白分子表面分布的4種情況。讓學(xué)生大膽猜測膜中蛋白質(zhì)分子的分布，并畫出示意圖；再思考實驗驗證辦法。教師選出較為典型的示意圖進行展示。

資料分析6： 提供羅伯特森(J.D. Robertson)看到的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)電鏡照片(教材第66頁圖4-4)。設(shè)問：“根據(jù)觀察到的“暗—亮—暗”現(xiàn)象，生物膜會是怎樣的結(jié)構(gòu)？”學(xué)生此時會對前面的猜測產(chǎn)生質(zhì)疑，而認(rèn)同羅伯特森提出的靜態(tài)的單位膜模型。

資料分析7： 提供冰凍蝕刻電鏡下細(xì)胞膜示意圖。學(xué)生看到圖示后，又對羅伯特森的生物膜模型提出質(zhì)疑。教師此時說明：“暗—亮—暗”的兩條暗線是蛋白質(zhì)和脂質(zhì)親水端經(jīng)鋨酸染色后，密度大所致，并非蛋白質(zhì)[2]。然后讓學(xué)生據(jù)圖對自己的猜測予以評價和修正，并建構(gòu)生物膜結(jié)構(gòu)模型。

設(shè)計意圖： 通過對兩種實驗現(xiàn)象的分析及與自己推測結(jié)果的比對過程，親身體驗對生物膜認(rèn)識的變化，感受技術(shù)對科學(xué)發(fā)展的推動作用和科學(xué)知識是逐步修正發(fā)展的。

模型建構(gòu)3： 生物膜流動鑲嵌模型

資料分析8： 播放變形蟲運動視頻、吞噬細(xì)胞胞吞視頻、細(xì)胞分泌過程動畫。設(shè)問：“生物膜是靜止不動的嗎？羅伯特森提出的生物膜模型能解釋這些現(xiàn)象嗎？”學(xué)生依據(jù)現(xiàn)象得出否定的觀點，并形成“生物膜并不是靜止的，而應(yīng)具有流動性”的正確認(rèn)識。

資料分析9： 演示不同溫度下經(jīng)不同顏色熒光染料標(biāo)記膜蛋白的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞的融合過程。學(xué)生得出“生物膜中的蛋白質(zhì)分子是可以運動的，并且受溫度的影響”這一結(jié)論。教師指出熒光標(biāo)記比同位素標(biāo)記更易于觀察和操作，再設(shè)問：“組成生物膜的分子都是可以運動的嗎？”

資料分析10： 在細(xì)胞膜的胞質(zhì)側(cè)上，有些膜蛋白質(zhì)分子連接到細(xì)胞骨架被固定。在細(xì)胞膜外側(cè)，有些膜蛋白質(zhì)分子連接到胞外基質(zhì)的纖絲上被固定[3]。科學(xué)研究表明，生物膜中的磷脂分子有多種運動方式(圖1)。

圖1 膜中磷脂分子運動方式示意圖

學(xué)生得出“生物膜中磷脂分子和多數(shù)蛋白質(zhì)分子的運動，使得生物膜具有一定的流動性”的結(jié)論。教師指出： 生物膜的流動性受到溫度的影響，其實質(zhì)是分子運動受溫度影響。

再讓學(xué)生觀察生物膜的結(jié)構(gòu)模型示意圖(教材第68頁圖4-6)，自學(xué)糖被的內(nèi)容后，概括生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，運用流動鑲嵌模型解釋細(xì)胞運動、細(xì)胞分泌等現(xiàn)象，對自己繪制的生物膜結(jié)構(gòu)模型進行補充和修正。

設(shè)計意圖： 使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)理論或模型應(yīng)能解釋自然現(xiàn)象，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。通過現(xiàn)象觀察、實驗驗證等，強化科學(xué)知識基于實驗證據(jù)，技術(shù)對科學(xué)知識的推動作用，體驗科學(xué)知識的發(fā)展性。

3.3 對生物膜的進一步認(rèn)識 提供資料分析11： 提供1988年K. Simons等人提出的脂筏模型。學(xué)生再進一步完善對生物膜結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)知和建構(gòu)。

設(shè)計意圖： 感知生物膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及人們對科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的漸進性，激發(fā)對生物膜“真相”的探究欲望。感悟科學(xué)是不斷發(fā)展的，不承認(rèn)有終極的真理，不斷創(chuàng)新趨向真理。

3.4 課堂小結(jié) 設(shè)問： ①生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容有哪些？②縱觀科學(xué)家對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程，你受到什么啟示？

學(xué)生總結(jié)生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容，繪制生物膜的概念圖，可參考圖2。最后，教師總結(jié)生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程中蘊含的科學(xué)本質(zhì)。

設(shè)計意圖： 突出本節(jié)課的主旨。重點是加深理解生物膜的流動鑲嵌模型，將已有知識系統(tǒng)化；形成對科學(xué)的正確認(rèn)知，理解科學(xué)本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。

3.5 課外延伸 給學(xué)生布置兩個活動： ①搜索生物膜研究的最新進展及應(yīng)用，并進行交流。②利用廢舊物品制作生物膜結(jié)構(gòu)模型，相互評價其仿真性和藝術(shù)性。

圖2 生物膜的概念圖

設(shè)計意圖： 活動1滿足學(xué)生對生物膜的探索欲望，發(fā)展信息素養(yǎng)和自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)科學(xué)方法和領(lǐng)悟科學(xué)思維，促進學(xué)生對STS的認(rèn)識和形成正確的科學(xué)價值觀。活動2加深生物膜流動鑲嵌模型基本內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識、創(chuàng)新精神，以及事物真實性為基礎(chǔ)的藝術(shù)美化創(chuàng)作能力。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課運用結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點，采用資料分析、動手繪圖等，讓學(xué)生根據(jù)已有知識和實驗現(xiàn)象進行演繹推理、提出假設(shè)后，進一步思考實驗方法，再通過科學(xué)家的有關(guān)實驗驗證，逐步建立、修正、完善生物膜結(jié)構(gòu)模型。整堂課圍繞生物膜結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)，滲透科學(xué)本質(zhì)教育。學(xué)生在體驗科學(xué)研究的過程中，形成敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新、重視合作的科學(xué)探究精神和品質(zhì)，認(rèn)識到科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期而艱辛的過程；領(lǐng)悟到科學(xué)認(rèn)識應(yīng)來自實驗和實踐，應(yīng)重視科學(xué)研究方法的改進和創(chuàng)新；理解科學(xué)知識是開放的和不斷發(fā)展的，應(yīng)具有國際視野，注重學(xué)科間的相互滲透以及與技術(shù)的相互推動作用。