变形虫的模型构建

变形虫的模型构建

1流动镶嵌模型理论与实践本节是高中生物课程1的接口，第4章。本文内容包括科学家对生物膜结构的探索过程和流动镶嵌模型的基本结构。流动镶嵌模型是教学重点,难点是探讨建立生物膜模型的过程如何体现结构适应功能的观点。本节通过“成分——结构——功能”这条主线与其前后2节以及第3章第1节紧密联系,并在这4节内容中居于枢纽地位。2对模型构建的认识教学要求学生提前预习本节内容。学生一方面对流动镶嵌模型的构建过程和基本内容要有一定了解;另一方面对于模型构建中的逻辑推理、技术进步的作用、科学家提出假说的思维方法、结构与功能相适应的观点,认识上还比较模糊,需要教师进行梳理提炼。此外,学生对流动镶嵌模型蕴含的流动美和镶嵌美还缺乏感受,值得教师加以凸显。3教育的目3.1知识目标3.2绩效目标(1)分析研究史料,锻炼逻辑推理能力。(2)提炼提出假说(模型)的思维方法。3.3结构的适应功能(1)讨论实验技术进步对生物膜研究所起的作用。(2)讨论建立结构模型过程中结构如何适应功能。(3)体验生物膜结构的流动美和镶嵌美。4教育方法课前自主预习;多媒体辅助单元式教学;小组讨论合作学习。5教育实施5.1知识的探索—“变形虫告诉我们”播放一段“变形虫运动”的视频,通过观察有趣的变形运动,学生在兴趣盎然中直观到细胞膜的流动。提请学生注意观察:该视频中变形虫的旁边有一个明显的物质颗粒,它在变形虫向前运动的时候,最后有没有通过变形虫的表膜(细胞膜)进入细胞?变形虫要生活,必须与环境进行营养和废物的交换,细胞膜怎么能控制物质的进出呢?而气球(随手出示)能做到这些吗?学生已初具结构决定功能的思想,不难猜测这与膜的材料、结构有关系。那么细胞膜是由什么材料构成,又具有怎样的结构呢?借此一问,有效激起学生探究的欲望,由此进入新课教学,并用PPT展示本节具体学习目标。学生通过课前预习,已对科学家构建生物膜模型和流动镶嵌模型基本内容有初步了解。教师通过投影表1,检查预习成果。在此基础上笔者针对生物膜结构的探究历程构建了4个主题教学单元,引导学生进行了如下探索。5.2直接到间接的学习1)逻辑推理和实验观察。(1)主要通过推理得出结论的实验。培养学生的逻辑推理能力是教师肩负的重要职责,需要教师善于挖掘素材、捕捉时机。表1中哪些实验结论是主要通过推理得出的?学生浏览课文,讨论答出主要通过推理得出结论的实验有:欧文顿和2位荷兰科学家的有关实验(教师投影图1、图2)。欧文顿是怎样推理出“膜是由脂质组成的”?学生通过阅读讨论认识到,欧文顿先是归纳了正反2方面的事例:凡是可以溶于脂质的物质都容易通过细胞膜,凡是难以溶于脂质的物质都不容易通过细胞膜。然后对结果进行比较才得出结论的。教师指出:这种推理属于归纳推理,将“500多种、上万次”这有限的事例推向无限,是一种不完全的归纳推理,因此结论有时不一定正确。2位荷兰科学家通过红细胞膜脂质展层实验得出“细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的2层”,这又是运用了什么推理?学生不难得出这是根据脂单层和细胞膜面积大小关系进行的简单数学推理。教师讲述:已知细胞膜内外都是水环境,细胞膜纵切面可以视为圆形。你能根据单层脂质分子在水—空气界面的排列状况(如图2),想象出脂双层在细胞膜中的排列状况吗?学生讨论,画图展示,同时培养了观察、想象、合作和动手能力。(2)主要通过观察直接得出结论的实验。实验观察是科学探究必不可少的基本要素。学生说出主要通过观察直接得出结论的实验有:罗伯特森用电镜观察细胞膜的实验(教师投影),荧光标记人—鼠细胞融合实验(投影)。教师精讲:电子显微镜是用电子束照射样品成像的。细胞膜材料经特殊处理,放在电镜下观察:蛋白质电子密度较高,在电镜下成像较暗;而脂质分子电子密度较低,成像较亮,从而能显示蛋白质和脂质分子在膜中的分布。教师通过提供知识的脚手架引导学生得出电镜下细胞膜中间的亮层和2边的暗层各是什么分子?荧光标记细胞融合技术是先将荧光染料与抗体蛋白结合,抗体又能与细胞膜表面的抗原蛋白质分子特异性结合,这样就能用不同颜色的荧光染料标记细胞膜表面的蛋白质分子了。不同物种的细胞在一定条件下能够融合。因此,人—鼠融合细胞表面荧光标记的移动就能显示细胞膜中的什么分子是运动的。教师补充:科学家还认识到,膜中的脂质分子也是运动的(投影图3)。科学家认识生物膜的结构,早期多依靠科学推理,后来多通过直接观察。你觉得这是什么原因?对你有什么启示?让学生充分讨论发言。教师总结:逻辑推理和实验观察是科学发展的2个车轮。观察认识能力不足时,逻辑推理予以弥补,帮助人们洞察未知的世界。接着再问:早期在对生物膜结构的探索过程中,依据科学推理和实验观察,科学家提出过哪些重要的结构模型?观点有什么异同?引导学生比较单位膜模型和流动镶嵌模型的异同(教师投影表2),进行知识梳理。2)技术进步的作用。步步为营,设置问题串:(1)欧文顿研究膜的成分当初为什么不直接提取细胞膜进行成分鉴定?(2)20世纪40年代就有学者推测脂质2边各覆盖着蛋白质。为什么直到1959年才由罗伯特森提出相应的单位膜模型?(3)罗伯特森在电镜下为什么观察不到膜蛋白的镶嵌分布呢?(4)单位膜模型从1959年提出后人们就质疑“膜是静态的”观点。为什么直到1972年才由桑格和尼克森提出流动镶嵌模型予以修正?引导学生认识技术进步的重要作用。其间适时补充讲解细胞膜冰冻蚀刻技术:科学家先用干冰或液氮冰冻细胞膜,后用冷冻的玻璃刀将膜快速划出裂口。此时膜容易沿脂双层中间疏水端断开,升高温度使冰升华,暴露出膜的断裂面,再经特殊处理后用电镜观察(投影图4)。学生充分讨论发言后教师总结并投影:(1)细胞膜提取分离技术的限制使早期对生物膜的研究只能从功能入手;(2)电子显微镜的发明使人们方可清楚地看见细胞膜;(3)冰冻蚀刻和荧光标记细胞融合技术彻底推翻罗伯特森提出的错误模型。可见,技术的进步拓展了人的认识能力,从而推动科学向前发展。3)结构与功能的适应。问题串引导:(1)罗伯特森的单位膜模型一经提出就受到人们广泛质疑。这是为什么?(2)这些质疑是基于怎样的生物学思想?引导学生体会“结构要适应功能”的思想主线始终引领贯穿着科学家的研究活动。设疑及引申:单位膜模型对于“结构适应功能”的思想没有任何体现吗?学生经过反思讨论认识到这一思想有所体现。例如,单位膜模型认为膜支架是由脂双层构成,就能解释为什么脂溶性物质比非脂溶性物质容易通过细胞膜。教师进一步提问:水和脂质是不亲和的,根据水的脂溶性推算,水分子应该很难通过细胞膜,但事实上水分子却能通过细胞膜快速扩散。本着结构适应功能的思想,这又该如何解释呢?在学生的猜测、惶惑中教师指出从课本第74页“授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”中或许可以获得答案,引起学生课外阅读、一探究竟的兴趣。问题串总结:(1)单位膜模型难以解释细胞膜具有弹性,流动镶嵌模型能解释吗?(2)细胞膜还具有细胞间的信息交流功能。这能从流动镶嵌模型得到解释吗?请阅读课本第68页的楷体字内容。(3)概括细胞膜的结构是如何适应其功能的。学生讨论后发言。教师总结并投影:(1)膜的选择透过性功能由膜的脂双层和蛋白质共同决定;(2)膜的弹性和融合功能由膜结构的流动性和统一性来决定;(3)膜的识别功能由膜表面的糖蛋白来解释。4)假说的提出与修正。设置问题串:(1)欧文顿假说源于对什么问题的探索?(探索膜成分)这一假说是怎样提出的?(实验、推理,也有想象:欧文顿当初就曾将细胞膜想象成粘稠的溶剂)(2)罗伯特森的单位膜模型或假说是怎样被修正的?(经过事实和实验的检验)(4)生物膜的流动镶嵌模型是否已完美无缺?(还会在研究中不断被修正和发展)教师总结假说的提出和验证如下:5.3模型制作和展示1)教师出示自制生物膜实物模型(图6),请学生根据流动镶嵌模型进行评价。教师结合学生的回答(能基本反映膜的主要分子组成和蛋白质的分布特点,能通过挤压气球和旋转玩偶笔套体现膜的流动性,但脂质是单层的,缺少糖被),板书流动镶嵌模型的内容要点。突出本节知识重点,落实知识目标。2)讨论模型制作:你能利用日常用品,亲手制作1个生物膜流动镶嵌模型吗?从科学性(真)、经济性(节约、废物利用:善)和艺术性(美)等3个方面进行评审,看看谁的“心更灵,手更巧”?学生讨论制作方案,课后实施。教师参与其中一个小组的讨论。请另外一个小组代表说明本组讨论的方案。请学生把自己想象成一个磷脂分子,头和头部以下分别代表磷脂的头和尾。请学生都从座位上站起来,代表生物膜的脂单层,想象着是站在能形成倒影的镜面上。怎样活动,才能体现生物膜的流动美?拿出手中的气球,想想该如何放置,才能体现生物膜的镶嵌美?将学生分成3组,每组单独表演,其他2组观看,展开竞赛,