高中生物《生物膜的流动镶嵌模型》教学设计

《生物膜的流动镶嵌模型》教学设计

1、内容和地位

1.1”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。

1.2本节主要包括了两大局部内容：①.科学家对细胞膜结构的探

索历程。这是一个很好的科学史教育素材，通过引导学生一步一步地

分析科学家的实验和结论，宛如亲历科学家探索的历程，使学生切身

感受科学的魅力，自然而然地接受流动镶嵌模型的理论，更重要的是

让学生加深对科学过程和方法的理解，明白科学发现的过程是一个长

期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作；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，需要不断修正、

开展和完善；科学开展与技术有很大的关系，技术的进步可以更好地

促进科学的开展。②.细胞膜的流动镶嵌模型的根本内容。在众多对

细胞膜结构的假说中，细胞膜的流动镶嵌模型是目前人们普遍接受认

同的，能较好地解释人们对细胞膜功能的认识，学生必须展开想象力,

在头脑中构建细胞膜的空间结构，理解和掌握流动镶嵌模型的根本要

点，这对于更好的理解下一节物质跨膜运输的方式有很重要的联系。

2、学情分析

2.1学生已经了解了细胞、知道了组成细胞的分子、掌握了细胞

的根本结构，尤其是细胞膜作为最根本生命系统的边界等相关知识，

为本节知识的学习奠定了根底。

2.2高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。

3、设计思路

3.1调动学生已有的知识和经验，激发学生的探究欲望。

学生在第2章的学习中曾经制作真核细胞的三维结构模型，当时

就遇到过用什么材料做细胞膜的问题。本节课可以从这个问题入手，

让学生从结构与功能相适应的角度分析，用什么材料做细胞膜，能更

好地表达细胞膜的功能。关于这个问题，学生已有的知识是：细胞膜

很薄，是细胞这个生命系统的边界；细胞膜能够控制物质的进出，让

一局部物质通过，其他物质不能通过；植物细胞质壁别离和复原的实

验告诉学生，细胞能够在一定范围内涨大和缩小，说明细胞膜具有一

定的弹性。教材中“问题探讨”栏目列出了三种材料：塑料袋、普通

布和弹力布，其中塑料袋只能满足作为系统边界的要求，普通布能够

满足系统的边界和让一局部物质透过这两项功能的要求，只有弹力布

能够满足上述三项功能的要求。通过这个问题的讨论，学生就会认识

到建立细胞膜的结构模型，必须从结构与功能相适应的观点出发来思

考。当然，细胞膜不可能是由弹力布构成的。细胞膜到底具有怎样的

结构，才能使它具有上述功能呢？

3.2本节课在教学设计上主要突出科学史的教育，科学史的教学

是在新教材中特别强调和突出的，在旧教材中涉及不多，要教好不容

易。老师备课过程要细致筹划如何有效地引导学生分析不同时期不同

科学家的实验及假说，评价他们的奉献；要能通过一连串的环环相扣

的问题来引导学生思维，要让学生感到身临其境，仿佛自己就是那个

科学家在思考研究；最后让学生从中总结出科学发现的一般规律。

3.3生物膜结构模型的构建是本节要突破的一个难点问题。本节

课中，教师自制了磷脂分子和蛋白质分子的模型，让学生根据科学家

的实验现象自己来构建磷脂分子的排列方式、蛋白质与磷脂的组合方

式，这样让学生不但形象、直观的了解了模型构建的过程、也让他们

置身其中、探索微妙并体验了成功的喜悦。

3.4细胞膜的流动镶嵌模型这个难点的讲解可通过多媒体课件来

突破，有顺序和层次地介绍。通过幻灯片放映各个科学家研究的图片、

动画，增强了这些内容的立体感、丰富了教学内容、使学生在乐趣、

在轻松。

［教学目标

1、知识与技能

①简述生物膜的流动镶嵌模型的根本内容；

②举例说明生物膜具有的流动性的特点；

③通过分析科学家建立生物膜模型的过程阐述科学开展的一般

规律。

2、过程与方法

①分析科学家建立生物膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆作

出假设；

②发挥空间想象能力，构建细胞膜的空间立体结构。

3、情感、态度和价值观

①使学生树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点；

②培养学生严谨的推理和大胆想象能力；

③认识到技术的开展在科学研究中的作用，尊重科学且用开展的

观点看待科学、树立辨证的科学观。

教学重点

1、科学家对生物膜结构的探索历程。

2、生物膜的流动镶嵌模型学说的根本内容。

教学难点

1、对科学探究过程的分析，如何表达生物膜的结构与功能相统

2、生物膜的空间立体结构;

3、生物膜的流动性特点。

教具准备

1、生物膜流动镶嵌模型的多媒体演示课件

2、自制磷脂分子、蛋白质分子模型

教学流程

设问引入一“问题探讨〃一体验”生物膜结构的探索历程"一阐

述“流动镶嵌模型的根本内容"

教学过程

（一）情景创设

教师：同学们，在前面我们制作真核细胞的三维结构模型中，遇

到过用什么材料做细胞膜的问题，现在有三种材料：塑料袋、普通布

和弹力布，你选用哪种材料呢？为什么？

学生：细胞膜很薄，是细胞这个生命系统的边界。

学生：细胞膜是选择透过性膜，能够控制物质的进出，让一局部

物质通过，其他物质不能通过。

学生：植物细胞质壁别离和复原的实验告诉我们，细胞能够在一

定范围内胀大和缩小，说明细胞膜具有一定的弹性。

学生：塑料袋只能满足作为系统边界的要求，普通布能够满足系

统的边界和让一局部物质透过这两项功能的要求，只有弹力布能够满

足前面提到的三项功能的要求。

教师：大家进行选择的依据是利用了细胞膜的功能，这表达了什

么样的生物学思想呢？

学生：生物体结构和功能相适应的思想。

教师：实际上，弹力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的

材料，我们还需要对细胞膜的结构有更深的认识。

（二）师生互动

1、对生物膜结构的探索历程

教师：人们对事物的认识是有一个过程的，科学家当年正是怀着

对物质跨膜运输现象产生的疑问，开始了对生物膜结构的孜孜以求地

探索，历经了一百多年时间，走过了一条曲折的道路，直到现在仍有

许多科学家在继续深入研究。让我们一起重温一下这段历史，会让大

家对科学过程和本质的理解有所启发。我想让大家穿过时空隧道，回

到一百多年前，假想一下：如果你是当时的一位科学家，你会怎样去

研究细胞膜的结构？（提示学生，引导他们明白限于当时的技术条件,

还不能亲眼看到生物膜，无法想像它的结构是什么样的，通过什么方

法进行第一步的探究呢？引导学生看教材后明白当时科学家是从生

理功能入手来探究的，通过实验观察，科学家才有严谨的推理，提出

膜是由脂质组成这一假说，提示学生作出科学探究过程中作出假设后

的步骤是什么（通过实验来验证假设），从而进入下面的学习。

学生：可以从现象入手，去进行推测。

教师：这就是生物学研究上常用的一种科学方法一一假说法。这

也是我们今天探究生物膜的结构的一个重要的方法，下面，就让我们

沿着科学家的足迹，和科学家一起来研究这个问题。

问题（1）:探究细胞膜的组成成分是什么？

展示材料①：欧文顿的实验及其相关的图片

时间：19世纪末1895年

人物：欧文顿fE.Overton）

不溶于脂质的物质溶于脂质的物质

实验：用500多种化对植物细胞的通透性进彳万次的

实验，发现细胞膜对不同情诉居透性是不一样的：凡可乖于脂质

的密细胞膜

教师：根据实验，你能提出什么假说？

学生：提出假说：膜是由脂质构成的。

教师：在得出结论之后，还有没有必要对膜的成分进行提取、别

离和鉴定呢？

学生：有必要，通过鉴定能更准确地说明问题。

教师：那为什么一开始不直接对膜的成分进行提取、别离和鉴定

呢？

学生：当时的技术不能实现。

教师：这说明什么问题呢？

学生：这说明技术对科学研究的重要作用。

教师：直至20世纪初，科学家才能第一次将细胞膜从哺乳动物红

细胞中别离出来，化学分析说明，膜的主要成分确实是磷脂和蛋白质。

从而以实验说明了欧文顿的假说是成立的。也就是说假说是在实验与

观察的根底上提出来的，同时又需要更进一步的实验来证明。

问题（2）：探究这些物质是如何组成膜的？

出示资料②：1917年欧文・朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水

面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂层亲水的头朝向水面，疏水

的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸

所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。

教师：大家分组讨论，利用手中的磷脂分子模型摆出下面两种情

况下磷脂的分布情况①在空气-水界面上②完全浸没在水中

学生：小组代表上黑板演示

展示材料③：戈特和格伦德对血影的研究

时间：1925年

人物：荷兰科学家Gorter和Grendel

实验：两位科学别离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提

脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比拟展层后的脂单层的面积

和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际

测量的红细胞的外表积之比为（〜）：1,约为两倍。

教师：假设你是当时的科学家，当你做实验时发现单分子的磷脂

分子正好是红细胞的两倍时，大胆地展开你的想象力，你能做出什么

假说？

学生：细胞膜中的磷脂是两层的。

教师：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？再分小组

讨论、利用你手中的模型摆出来吧。

学生：分组讨论，共可有六种排布方式，并提出细胞膜应两面都

处于水环境中，所以讨论得到正确的排布方式。

问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢?

展示材料④：罗伯特森的单位膜模型

时间：1959年

罗伯特森

实验：用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗一明一

暗三层结构，厚约7.5nm,它由厚约3.5nm的双层脂质分子和内外

外表各为厚约2nm的蛋白质构成。

提出假说：连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端

朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，通过

静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质一磷脂一蛋白质的三

层结构，称之为单位膜。他提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结

构。单位膜模型的主要缺乏在于：把生物膜的结构描述成静止的、不

变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾。

单位膜结构模型继承了前人的有关结论，又成功地利用了先进的

电子显微镜的观察结果作为证据。但是他将生物膜描述为静态的刚性

的结构，这一点很快又被新的技术手段下的实验所否认。

问题（4〕：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？

教师放映变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂的动

画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构。展示材料⑤：荧光标记小

鼠细胞和人细胞融合实验

时间：1970年

人物：LarryFrye等

实验：将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融

合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后

发现两种荧光抗体均匀分布。

提出假说：细胞膜具有流动性。

教师：很好，在继承前人的结论根底上，结合新的观察和实验

证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型。其中1972

年桑格(S.J.Singer)和尼克森(G.Nicolson)提出的流动镶嵌模型

为大多数人所接受。

好，学到这里，纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，我

们有些话题想让大家思考讨论。

以讨论小组的形式开展课堂讨论交流。

(1)生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请说说你的

看法。

学生：生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。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良，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，不断完善和开展流动镶嵌模型。

确实，流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法完美地答

复生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如Wallach

于1975年提出晶格镶嵌模型；Jain和White于1977年提出板块镶嵌

模型等，迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多，生物膜

的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型根本内容是趋向

一致的。其要点和特点根本相同，主要包括膜的分子组成和结构特

征。

(2)纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验

技术的进步起到怎样的作用？

学生：在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键

性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的

化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；冰冻蚀刻

技术和扫描电子显微镜技术使人们认识到膜的内外两侧并不对称；荧

光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。没有这

些技术的支持，人类的认识便不能开展。

(3)分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得

到表达的？

学生：在建立生物膜模型的过程中，结构与功能相适应的观点始

终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；使人类一步步接近生

物膜结构的真相。例如，不同生物膜的功能是有差异的。在生命系统

中，一般来说，功能的不同常伴随着结构的差异，而早期的生物膜模

型假定所有的生物膜都是相同的，这显然与不同部位的生物膜功能不

完全相同是矛盾的。还有，不同膜的厚度也不完全一样。由此促进学

者们重新研究脂质和蛋白质相互作用的问题。一些学者使用了更加先

进的技术，运用红外光谱等技术证明，膜蛋白主要为球形结构。冰冻

蚀刻电镜技术又证明，脂双层中分布有蛋白质颗粒，这样又开展了生

物膜模型。生物膜中存在不同种类的蛋白质，以及蛋白质在生物膜中

的不同分布情况，恰能较好地解释不同结构的生物膜具有不同的生理

功能。

(4)分析生物膜模型的建立过程，你受到什么启示？

学生：科学研究是要在实验和观察的根底上，通过严谨的推理和

大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说。

学生：科学研究依赖于技术的进步，技术进步了，可以得到更多

新的实验数据。

学生：科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的

辛勤工作。

学生：科学发现的过程不是一帆风顺的，往往是在继承的根底上

不断验证、修正和完善开展的。

学生：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，需要不断完善。

教师：那流动镶嵌模型的具体内容是如何的呢？

(1)磷脂双分子层是生物膜的根本支架。其中磷脂分子的亲水性

头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。

洒脚呷加

(2)蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层外表，有的局部或全

有的横跨整个磷脂双分子层。这里表达了膜

J,有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结构合

形月9u糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密

切耳

(4)磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是

可以运动的，也表达了膜的流动性。

［评价反应］

1、精选练习

(1)变形虫的任何部位能伸出伪足，人体的某些白细胞能吞噬病

菌，这些生理活动的完成说明细胞膜具有以下哪一特点

A.选择透过性B.一定的流动性C.保护作用D.细胞

识另U

(2)1985年Overton在研究各种未受精卵细胞的透性时，发现

脂溶性物质容易透过细胞膜，不溶于脂质的物质透过细胞膜十分困

难。这说明组成细胞膜的主要成分中有