张国权

(山东省聊城市莘县实验高级中学 聊城 252400)

1 教材分析

“生物膜的流动镶嵌模型”是人教版必修1《分子与细胞》第4章第2节的内容。在本模块第2章已经学习了磷脂是构成生物膜的重要成分，胆固醇是构成动物细胞膜的重要成分；第3章学习了细胞膜的制备、功能及主要成分；第4章第1节又通过物质跨膜运输实例学习了细胞膜具有选择性功能的特点。以上学习内容为本节的学习做了铺垫，引发了学生对细胞膜结构的极大好奇心。对“生物膜流动镶嵌模型”的本质理解，能够使学生深刻领悟细胞膜功能，也为本章第3节物质跨膜运输方式的学习奠定基础。

科学本质是理科学习领域中的一项科学素养，与2017版普通高中生物学课程标准中“教学过程重实践”的基本理念相符，在教学中理应得到重视。生命科学史蕴含着丰富的科学本质教育素材，本节教学尝试将生物膜结构探索历程的资料融入其中，促使学生建构结构与功能相适应的生命观念，同时培养学生的科学思维能力和科学本质观。

2 教学目标

依据课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过对生物膜结构探索历程资料的分析，构建和理解生物膜流动镶嵌模型的基本内容，形成结构与功能相适应的生命观念。

(2) 能够运用生物膜流动镶嵌模型阐释变形虫的运动、细胞分泌过程等生命现象。

(3) 经历对生物膜结构的探索和模型建构过程，体验科学发展过程，学习科学探究方法，养成科学精神。

3 教学过程

3.1 文艺导课 “是谁，隔开了原始海洋的动荡。是谁，奏鸣了生命的交响。是谁，为我日夜守边防。是谁，为我传信报安康。啊，伟大的细胞膜呀！没有你，我会是何等模样！”通过对该诗歌的阅读，让学生体会并说出细胞膜的结构及功能特点。进而提出： 细胞膜有怎样的结构与其选择透过性功能相适应呢？

设计意图： 课堂导入给学生一种新鲜的文艺感受，激发学生对生物学学习的兴趣。利用结构与功能相适应的观点提出问题，引导学生深入思考。

3.2 生物膜结构的探索历程和模型建构 具体教学设计过程如下：

3.2.1 生物膜组成成分的探究 为学生提供两则科学史资料。

资料分析1： 提供欧文顿对植物细胞的通透性的实验，详见教材第65页。让学生从细胞膜成分方面思考并推测出实验结论。

资料分析2： 20世纪初，科学家第1次从哺乳动物成熟的红细胞中分离出细胞膜，经过化学方法分析发现： 细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质[1]。

设问： 用哺乳动物成熟的红细胞做研究材料制备细胞膜有什么优点？你可以用什么实验方法证明细胞膜中存在蛋白质？其他生物膜的主要组成成分与细胞膜相同吗？欧文顿为什么没有运用化学分析的方法来验证自己的假设？

学生较容易回答用哺乳动物成熟的红细胞制备细胞膜的优点，及可用双缩脲试剂鉴定蛋白质等。教师还可补充酶分解法，并提示细胞分泌过程中生物膜间的转化以及科学的发展受限和依赖于认知水平、技术条件和方法选择。

设计意图： 体会科学研究的艰辛、严谨和科学家持之以恒的科学精神。领会恰当选择实验材料对科学研究成功至关重要，假说需通过观察和实验进行验证和完善，科学发展需要技术的支持。

3.2.2 生物膜结构的模型建构 带领学生建构三个模型。

模型建构1： 生物膜中磷脂分子的排布

资料分析3： 细胞膜中的脂质主要是磷脂。磷脂的结构特点见教材第66页。

设问： 在水面上磷脂分子将会以什么方式排布？细胞膜两侧都是水溶液，那么膜磷脂分子又是怎样排布的呢？可以用什么实验材料和方法验证你的推测？

学生通过想象在纸上绘图，教师给予激励性评价，学生初步形成对生物膜中磷脂分子排布方式的推测。

资料分析4： 1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在水面上铺展成单分子层，最终测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍[1]。

学生得出结论： 生物膜应该是双分子层，结合细胞膜两侧都是水溶液这一事实，那么双层的磷脂分子应该是以尾部相对排布。此时，教师及时提醒学生对在纸上绘的图进行修正。

设计意图： 通过递进问题进行资料分析和推理，得出细胞膜中磷脂分子排布的结论，感受学习过程中挑战成功的喜悦，并注意到科学研究中科学思维的重要性。

模型建构2： 生物膜中蛋白质分子的分布

资料分析5： 给出膜蛋白分子亲水和疏水区域在膜蛋白分子表面分布的4种情况。让学生大胆猜测膜中蛋白质分子的分布，并画出示意图；再思考实验验证办法。教师选出较为典型的示意图进行展示。

资料分析6： 提供罗伯特森(J.D. Robertson)看到的细胞膜结构电镜照片(教材第66页图4-4)。设问：“根据观察到的“暗—亮—暗”现象，生物膜会是怎样的结构？”学生此时会对前面的猜测产生质疑，而认同罗伯特森提出的静态的单位膜模型。

资料分析7： 提供冰冻蚀刻电镜下细胞膜示意图。学生看到图示后，又对罗伯特森的生物膜模型提出质疑。教师此时说明：“暗—亮—暗”的两条暗线是蛋白质和脂质亲水端经锇酸染色后，密度大所致，并非蛋白质[2]。然后让学生据图对自己的猜测予以评价和修正，并建构生物膜结构模型。

设计意图： 通过对两种实验现象的分析及与自己推测结果的比对过程，亲身体验对生物膜认识的变化，感受技术对科学发展的推动作用和科学知识是逐步修正发展的。

模型建构3： 生物膜流动镶嵌模型

资料分析8： 播放变形虫运动视频、吞噬细胞胞吞视频、细胞分泌过程动画。设问：“生物膜是静止不动的吗？罗伯特森提出的生物膜模型能解释这些现象吗？”学生依据现象得出否定的观点，并形成“生物膜并不是静止的，而应具有流动性”的正确认识。

资料分析9： 演示不同温度下经不同颜色荧光染料标记膜蛋白的小鼠细胞和人细胞的融合过程。学生得出“生物膜中的蛋白质分子是可以运动的，并且受温度的影响”这一结论。教师指出荧光标记比同位素标记更易于观察和操作，再设问：“组成生物膜的分子都是可以运动的吗？”

资料分析10： 在细胞膜的胞质侧上，有些膜蛋白质分子连接到细胞骨架被固定。在细胞膜外侧，有些膜蛋白质分子连接到胞外基质的纤丝上被固定[3]。科学研究表明，生物膜中的磷脂分子有多种运动方式(图1)。

图1 膜中磷脂分子运动方式示意图

学生得出“生物膜中磷脂分子和多数蛋白质分子的运动，使得生物膜具有一定的流动性”的结论。教师指出： 生物膜的流动性受到温度的影响，其实质是分子运动受温度影响。

再让学生观察生物膜的结构模型示意图(教材第68页图4-6)，自学糖被的内容后，概括生物膜的流动镶嵌模型的基本内容，运用流动镶嵌模型解释细胞运动、细胞分泌等现象，对自己绘制的生物膜结构模型进行补充和修正。

设计意图： 使学生认识到科学理论或模型应能解释自然现象，形成结构与功能相适应的生命观念。通过现象观察、实验验证等，强化科学知识基于实验证据，技术对科学知识的推动作用，体验科学知识的发展性。

3.3 对生物膜的进一步认识 提供资料分析11： 提供1988年K. Simons等人提出的脂筏模型。学生再进一步完善对生物膜结构模型的认知和建构。

设计意图： 感知生物膜结构的复杂性以及人们对科学本质认识的渐进性，激发对生物膜“真相”的探究欲望。感悟科学是不断发展的，不承认有终极的真理，不断创新趋向真理。

3.4 课堂小结 设问： ①生物膜的流动镶嵌模型的基本内容有哪些？②纵观科学家对生物膜结构的探索历程，你受到什么启示？

学生总结生物膜的流动镶嵌模型的基本内容，绘制生物膜的概念图，可参考图2。最后，教师总结生物膜结构的探索历程中蕴含的科学本质。

设计意图： 突出本节课的主旨。重点是加深理解生物膜的流动镶嵌模型，将已有知识系统化；形成对科学的正确认知，理解科学本质，发展科学素养。

3.5 课外延伸 给学生布置两个活动： ①搜索生物膜研究的最新进展及应用，并进行交流。②利用废旧物品制作生物膜结构模型，相互评价其仿真性和艺术性。

图2 生物膜的概念图

设计意图： 活动1满足学生对生物膜的探索欲望，发展信息素养和自主学习能力，学习科学方法和领悟科学思维，促进学生对STS的认识和形成正确的科学价值观。活动2加深生物膜流动镶嵌模型基本内容的理解，培养学生的合作意识、创新精神，以及事物真实性为基础的艺术美化创作能力。

4 教学反思

本节课运用结构与功能相适应的观点，采用资料分析、动手绘图等，让学生根据已有知识和实验现象进行演绎推理、提出假设后，进一步思考实验方法，再通过科学家的有关实验验证，逐步建立、修正、完善生物膜结构模型。整堂课围绕生物膜结构模型的建构，渗透科学本质教育。学生在体验科学研究的过程中，形成敢于质疑、勇于创新、重视合作的科学探究精神和品质，认识到科学发现的过程是一个长期而艰辛的过程；领悟到科学认识应来自实验和实践，应重视科学研究方法的改进和创新；理解科学知识是开放的和不断发展的，应具有国际视野，注重学科间的相互渗透以及与技术的相互推动作用。