《生物膜的流动镶嵌模型》课例研究.docx

生物膜的流动镶嵌模型课例研究如何更好的运用模型构建讲解重点知识一、背景：“生物膜的流动镶嵌模型”一节是人教版必修1分子与细胞第四章细胞的物质输入和输出之第二节，与第一节“物质跨膜运输的实例”所反映的生物膜对物质的进出控制具有选择性等知识有一定的联系，并对第三节学习“物质跨膜运输的方式”作了知识准备。所以,这节的内容安排很巧妙，对整个章节的知识起到了承上启下的作用。本节主要包括对生物膜结构的探索历程和生物膜的流动镶嵌模型的基本内容两大部分。在教学中，要充分发挥教师的主导地位和学生的主体地位，引导学生观察并分析实验现象，大胆的提出实验假设，宛如亲历科学家探索科学的历程，切身感受科学的魅力，保持强烈的探究科学的激情和兴趣，自然地接受流动镶嵌模型的理论。让学生在探究中学习科学探索的方法，从而渗透探索科学过程和方法的教育。学生在第三章的学习中曾经制作真核细胞的三维结构模型，已经知道细胞膜很薄，细胞膜是最基本生命系统的边界，控制物质的进出，具有选择透过性。在第四章第一节的学习中做过植物细胞的质壁分离和复原实验，已经了解细胞膜具有一定的弹性，这些已有的知识和经验为本节的学习奠定了基础。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的思考。二、第一次实践过程：【创设情景，复习设问导入】* 设问：生物膜的功能是什么？其功能特性是什么？为什么生物膜表现出这样的特性？* 学生回答：（略）* 教师引述：依据生物体的结构和功能相适应的观点，生物膜在功能上的选择性与生物膜的结构有着一定的关系。【问题探讨】* 教师讲述：选择合适的材料，是科学实验成功的关键。那么选择哪种材料制作细胞膜模型，更适于体现细胞膜的功能呢？* 学生回答：（略）* 教师引述：弹力布有弹力性，那它能完全具有生物膜的特点吗？* 学生回答：（略）* 教师引述：显然弹力布不具有生物膜的选择透过功能，那么生物膜究竟具有怎样的结构呢？科学家也是带着这些问题，进行了探索生物膜结构的探索。下面让我们体验一下科学家探索生物膜结构的历程。【体验对生物膜结构的探索历程】这部分内容，让学生先自我阅读，紧紧追随科学家的思维，通过观察分析每一个实验现象说明了什么问题，并大胆地提出假设。* 设问：对“欧文顿实验”实验得到什么现象？最初实验得到生物膜是由脂质组成的，是通过对现象的推理分析还是通过膜成分的提取和坚定？假说是如何提出的？在推理分析得到结论之后还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗？再提出为什么一开始不对生物膜直接进行提取、分离和鉴定呢？* 学生交流、讨论：（略）* 教师讲述：对现象的推理分析是要进行鉴定，才能准确地说明问题。可是鉴于当时技术的限制，不能进行对结构物质的提取。* 设问：对“荷兰科学家实验”实验得到什么现象？如果你是科学家，展开大胆想象，你会推测出什么样的结论？* 学生交流、讨论：（略）* 教师讲述：先解释磷脂的结构组成，强调头部磷脂的亲水性和尾部脂肪酸的疏水性，然后说明科学技术的发展促进了科学探索的进程。* 教师引述：知道了脂质的结构，那么蛋白质又处于如何的位置呢？有人推测出脂质两边覆盖蛋白质的理论。* 设问：对“罗伯特森电镜实验”实验得到什么现象？让你来推测，你会推出什么样的结论？“三明治”结构模型有什么不足？* 学生交流、讨论：（略）* 教师讲述：借助于电镜，罗伯特森观察到了细胞膜的结构，并推出静态结构。在第一节学习“细胞学说的建立过程”中知道了科学的探索过程是个开拓、继承、修正和发展的过程，而且我们应用哲学上发展的观点看待科学问题。并课件展示：细胞分裂、草履虫的运动和分裂、成熟植物细胞的质壁分裂与复原现象。* 设问：罗伯特森细胞膜静态结构能说明这些生命现象吗？* 学生：（略）* 教师讲述：20世纪60年代,有人对此静态观点提出异议。并随着科学技术的发展，对蛋白质的位置也提出了准确的说法，指出蛋白质不是全部平铺在脂质的表面，有的镶嵌在脂质双分子层中。* 设问：对“荧光染料标记实验”观察得到怎样的动态现象？推出什么结论？说明了什么？* 学生交流、讨论：（略）* 教师讲述：细胞膜的流动性是与细胞膜的成分磷脂分子和蛋白质分子的运动分不开的。白细胞吞噬细菌、变形虫运动等例子更强有力地说明细胞膜具有流动性。* 教师引述：1972年，桑格和尼克森通过观察和实验，并在继承前人的研究成果基础上，提出了生物膜分子模型，即流动镶嵌模型，并被人们所接受。* 设问：此生物膜的流动镶嵌模型是不是完美无缺呢？* 学生：（略）* 教师讲述：科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要后人不断修正和完善；时时刻刻要认识到科学技术在科学探索的过程中所起的关键作用；并要以发展的观点看待科学。* 质疑：同学们，如果你是当时的科学家，你也会像当时的科学家一样，进行这样的思维吗？！* 学生回答：（略）* 教师讲述：在体验探索历程过程中，我们要通过功能现象的观察分析，推理假设生物膜的结构特点，依据结构与功能相统一的观点，一步一步地探讨生物膜的结构。【生物膜的流动镶嵌模型的基本内容】结合生物膜结构的探索历程，学生展开想像，结合生物膜的组分，自我构建细胞膜的三维立体结构。再课件展示“细胞膜的结构”，教师有顺序、有层次清楚地阐述基本内容：* 生物膜的组成：主要由蛋白质和脂质组成，还含少量的糖类。* 生物膜的基本骨架：磷脂双分子层（亲水性头部朝向两侧，疏水性尾部朝向内侧）。* 蛋白质分子存在形态：有镶在表面、嵌入、横跨三种，外侧的蛋白质分子与糖类结合形成糖被。体现了生物膜的不对称性。* 生物膜的结构特点：流动性（磷脂分子和大多数蛋白质分子都是运动的）* 生物膜的功能特点：选择透过性。反思：“对生物膜结构的探索历程”这部分内容可以联系第一章之第二节，关于“细胞学说的建立过程”，不仅要让学生知道生物学的基本理论知识，还要让学生明白科学探索是一个在继承中不断验证、修正和完善发展的过程，其道路是曲折的，更要让学生尊重科学，用发展的观点看待科学，树立辨证的科学观。这样通过科学探索史的学习，让学生自我启示，加深对科学过程和方法的理解。“流动镶嵌模型的基本内容”的阐述一定要清晰，有条理，便于对这部分知识的理解掌握，同时也为更好的理解下一节“物质跨膜运输的方式”提供了知识基础。三、第二人次实践过程：教师活动学生活动设计意图引入 （5分钟）问题探讨 在制作真核细胞三维结构模型的活动中，选用塑料袋、普通布和弹力布三种材料做细胞膜，哪种材料更适于体现细胞膜的功能？小组讨论回答 三种材料的特性：塑料袋不具有通透性，普通布不具有柔变性，而弹力布不仅具有柔变性，还具有一定的通透性。点燃学生的好奇之火，激发学生对生物膜结构的强烈兴趣和渴望探索的动机。师生共识 选择弹力布做细胞膜的材料，相对好一些。过渡 当然，这几种材料的特点与真实的细胞膜之间还有不小的差距。今天就让我们一起随着小探索者去亲历科学家的探索历程吧!效果 让学生宛如亲历科学探索历程，切身感受到科学的魅力，始终保持高昂的兴趣，自然而然地接受流动镶嵌模型的理论，且加深对科学过程和方法的理解。教师活动学生活动设计意图新课 （32分钟）一生物膜结构的探索历程过渡 一种物质或物体的结构是其组成成分间的组合形式的体现。要弄清某一物质或物体的结构，首先要弄清其化学组成成分。那么，细胞膜的组成成分是什么？设疑 探究细胞膜的化学组成成分，为什么不用化学分析的方法呢？小组讨论回答 限于当时的技术条件，科学家们不知道细胞膜的结构，只好从研究细胞膜的生理现象入手来探究其化学组成成分。开始学习模型建构的方法。小标题一 从细胞膜功能入手的科学探究展示资料1 细胞膜的通透性实验时间：19世纪末 1895年科学家：欧文顿（E.Overton）实验：物质对细胞膜的通透性问题：实验的现象是什么？欧文顿提出了什么假说？设疑 正是有了实验观察，科学家才有了严谨的推理和大胆的想像。膜是由脂质组成的这一假说在19世纪被提出。假说是否还需要进一步的实验和观察来验证和完善？展示资料2 细胞膜提取分离和成分分析时间：20世纪初实验：科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，发现细胞膜不但会被溶解脂质的溶剂溶解，也会被蛋白酶分解。问题：细胞膜是由哪些化学成分构成的？阅读 P65教材正文第二段。观察 欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性实验小组讨论回答实验的现象是什么？ （凡是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。）欧文顿提出了什么假说？ （膜是由脂质组成的。）回答 需要阅读 P65教材正文第三段。小组讨论回答细胞膜是由哪些化学成分构成的？（膜的主要成分是脂质和蛋白质。）假说是怎样提出的。科学的探索要具备严密的思维。小标题二 单位膜模型的提出过渡 细胞膜中的化学成分是怎样有机结合构成细胞膜的呢?其中涉及到细胞膜中磷脂的排列方式和蛋白质的排列方式及模型的建构。展示资料3 两位荷兰科学家实验过程时间：1925年科学家：荷兰科学家Gorter和Grendel阅读 P65教材正文第三段观察 动画演示两位荷兰科学家实验示意图。了解技术进步对科学研究发展的作用。教师活动学生活动设计意图实验：磷脂平铺在空气水界面问题：实验的现象是什么？实验结论是什么？细胞膜中的脂质为什么会排列为连续的两层呢？展示资料4 “三明治”结构模型时间：1959年科学家：罗伯特森（J.D.Robertsen）实验：罗伯特森电镜下观察到的细胞膜问题：实验的现象是什么？罗伯特森提出了什么假说？ 讨论“三明治”模型的局限性？小组讨论回答实验的现象是什么？ （测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。）实验结论是什么？ （细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层。）细胞膜中的脂质为什么会排列为连续的两层呢？ （磷脂分子是由磷酸、甘油、脂肪酸组成。其磷酸“头部”是亲水性的，其脂肪酸“尾部”是疏水性的。该结构决定了细胞膜中磷脂分子的排列方式。）阅读 P66教材正文第一段观察 展示罗伯特森电镜下观察到的细胞膜。小组讨论回答实验的现象是什么？ (在电镜下看到了细胞膜清晰的“暗亮暗”三层结构。)罗伯特森提出了什么假说？ (所有生物膜都是由“蛋白质脂质蛋白质”三层结构构成的静态统一结构。)讨论“三明治”模型的局限性？ (把生物膜描述为静态的刚性结构，解释不了膜的许多生理功能。)技术进步推动了假说的发展。小标题三 新技术带来新模型过渡 随着科学技术的进步，人们从新的实验现象入手对细胞膜的分子结构作出了新的判断。展示资料5 电镜冰冻蚀刻细胞膜示意图时间：20世纪60年代实验: 科学家用扫描电镜技术和冰冻蚀刻技术揭示了细胞膜结构中蛋白颗粒问题：该图说明了什么？观察 科学家用扫描电镜技术和冰冻蚀刻技术揭示了细胞膜结构中蛋白颗粒分布示意图。小组讨论回答实验的现象是什么？ (实验表明蛋白质并不是全部平铺在脂质的表面，有的蛋白质是镶嵌在脂质双分子层中的。)随着技术进步，假说不断被修正和完善。突出模型建构方法：实验、推理想像提出假说进一步验证完善不断发展。教师活动学生活动设计意图展示资料6 免疫荧光技术细胞融合实验时间：1970年科学家：弗雷(Frye)和埃迪登(Edidin)实验：人鼠细胞融合问题：实验的现象是什么？实验结论是什么？例举细胞膜具有流动性？智慧升华 1972年，桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）通过观察和实验，并在继承前人的研究成果基础上，提出了什么样的生物膜分子模型并被人们所接受。设疑 生物膜的流动镶嵌模型是否已完美无缺呢？从生物膜结构的探索历程中，你受到哪些启发？阅读 P67教材正文第二段观察 Flash演示小鼠细胞和人细胞的融合过程。小组讨论回答实验的现象是什么？ （两种颜色的荧光均匀分布。）实验结论是什么？ 细胞膜具有流动性（膜分子是运动的）。例举细胞膜具有流动性？ （白细胞吞噬细菌、变形虫运动。）形成共识1972年，桑格和尼克森提出了最具代表性的生物膜模型流动镶嵌模型。生生协作，形成共识 流动镶嵌模型不可能完美无缺。总结结构与功能相适应的观点。人类对自然的认识是永无止境的。实现“情感、态度与价值观”课程目标。科学精神和科学品质渗透人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。二流动镶嵌模型的基本内容动画演示 细胞膜的亚显微结构模型自学问题生物膜的基本支架是什么？蛋白质分子有哪几种存在形态？膜分子是静止的，还是运动的？知识拓展 磷脂分子的运动方式。1侧向扩散 2旋转运动 3摆动运动4翻转运动 5伸缩震荡 6旋转异构阅读 P68教材正方第一段观察 三维立体动画演示生物膜的流动镶嵌模型小组讨论回答生物膜的基本支架是什么？ 磷脂双分子层。（亲水性头部朝向两侧，疏水性尾部朝向内侧）蛋白质分子有哪几种存在形态？ 蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的嵌入磷脂双分子层中，有的横跨磷脂双分子层。（体现了生物膜的不对称性）膜分子是静止的，还是运动的？ 磷脂分子和大多数蛋白质分子都是运动的。（体现了生物膜的结构特点具有流动性）能力提升 通过观看磷脂分子的运动方式，进一步加深分子运动的直观感受。通过动画演示和直观图片，强化生物膜“流动镶嵌模型”的基本内容。教师活动学生活动设计意图小结 （4分钟）师生合作 绘制生物膜的概念图运用绘“概念图”，将已有知识系统化、网络化。巩固 （4分钟）绘图 绘制细胞膜的亚显微结构示意图要求1准确绘制出细胞膜的基本支架、蛋白质的三种位置和糖被。2准确标注出各部分的结构名称，且用平行线。生生合作 复习强化“流动镶嵌模型”的基本内容，突出教学重点。课外延伸 兴趣1 搜索科学家对生物膜研究的最新进展资料，课后相互交流。参考网址： 兴趣2 利用废旧物品制作生物膜模型。提示：用包裹中药丸的球形蜡质盒做磷脂分子的头部。去掉药盒表面的腊壳，穿过铁丝或电线，使铁丝或电线成为磷脂分子的尾部。再在盒子扣合处以及与盒子扣合处相垂直的方向打上两组孔（每组两个孔）。每一个盒子都这样做。用较长的铁丝把盒子穿起来，并扣上两半盒子，排列在一个水平面上，这就做好了“磷脂单分子层”。用同样的方法再做一个“磷脂单分子层”，这样就做成了“磷脂双分子层”。用什么材料做蛋白质呢？可以收集废旧包装材料，如包装电器的硬质泡沫塑料，它很容易被你加工成需要的形状。一些“蛋白质”可以“漂浮”在膜的两侧，另一些可以“嵌入”或“贯穿”膜。可以用贯穿膜的“蛋白质”来帮助固定磷脂双分子层，穿铁丝的时候把它们穿上就是了。搜索1 1975年，Wallach提出晶格镶嵌模型。搜索2 1977年，Jain和White提出板块镶嵌模型。搜索3 2005年，Caco-2细胞生物膜因在结构和生物学性质上与人小肠吸收细胞相似而广泛用于肠道药物吸收机制研究。成果展示创新1 用球形或接近球形的“纽扣”穿上两根“细铜线”，模拟磷脂分子（纽扣模拟磷脂分子的头部，细铜线模拟磷脂分子的尾部）；用“废旧塑料泡沫”剪成不同圆球形，模拟蛋白质分子。创新2 用“乒乓球”穿上两根“细铁丝”，模拟磷脂分子（乒乓球模拟磷脂分子的头部，细铁丝模拟磷脂分子的尾部）；用“橡皮泥”捏成不同圆球形，模拟蛋白质分子。“兴趣1”可培养学生对问题的科学思维方法和探究精神，帮助学生提高对信息技术运用的熟练程度，发展学生的信息素养。“兴趣2”可加深对生物膜流动镶嵌模型基本内容的记忆和理解，同时可培养学生的创新意识和创新精神。反思：实施这节课后，总体感觉是成功的。体现了新课标下面向全体学生，倡导探究性学习，注重与现实生活的联系，提高生物科学素养的新理念。课堂上学生的参与面比较广，小组学习能够更好地发挥同学自主学习的积极性，学生的荣誉感在小组学习过程中能够得到升华，合作学习的热情更高，本节内容是一节理论课，通过学习后，同学们体验到了理论与实践的关系，初步了解了生物科学的探究过程，大多数同学能够接受和理解生物膜的流动镶嵌模型，并且能够在纸上画出流动镶嵌模型的平面图，比较好地表现出磷脂双分子层及蛋白质分子在其中的三种分布方式。通过小组竞赛的方式，加深了对于细胞膜流动性实例的理解，并且使学生自主学习，合作探究的能力得到了展示。最后通过一些一练习，发现同学们基本掌握了生物膜的流动镶嵌模型的内容和流动性表现的一些实例，对科学的过程和方法有了更深的认识。采用小组合作学习的方式有得于学生学习主动性和自觉性的提高，在今后的教学中是值得推广的，学生竞赛有助于提高学生的兴趣，能够让同学们有一种学习的成就感，从而提高学习生物的兴趣。但是小组学习如果是局限于课堂上，他的魅力是要大大打拆扣的，比如流动性实