生物膜流动镶嵌模型教案-生物-教学设计-人教版

生物膜流动镶嵌模型（何一西北工业大学附中710072）【教材版本】本节是人民教育出版社出版的高中生物必修一《分子与细胞》第4章--细胞的能量供应与利用第二节的内容。【设计理念】本节课采用“提供资料→提出问题（要求）→做出假设（构建模型）→提供实验验证”的教学模式，通过“生物膜流动镶嵌模型”的构建及有关实验设计，体现学生“自主、探究、合作”的学习方式，感受科学家探索的历程和探索过程的艰辛。【教材分析】1.知识结构分析本节主要包括两大部分内容：1、科学家对细胞膜结构的探索历程。利用科学史教育素材，通过引导学生分析科学家们的实验和结论，加深对科学过程和方法的理解，明白科学发现是长期的过程；科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说并非一成不变，需要不断修正、发展和完善；科学发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发展。2、生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。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，通过制作模型等，构建细胞膜的空间立体结构，理解和掌握生物膜的流动镶嵌模型的基本要点。2.知识发生发展过程分析本节以较多的篇幅介绍了对生物膜结构的探索历程，并安排了两个思考与讨论，让学生在认识细胞膜结构的同时，了解这些知识的来龙去脉，认识到可以通过现象的推理分析提出假说，假说仍然需要观察和实验来验证。随着实验技术的改进，不断发现新的实验证据，原有的观点还会不断受到质疑、修正和完善，并归纳总结出生物膜模型建构的基本方法。3.知识学习意义分析加深学生对科学的历史和本质的认识，特别是这些内容中所体现的结构和功能相适应的观点。实验技术的进步推动科学的进步等观点对于学生的情感态度与价值观领域的发展有重要价值。4.教学建议与学法指导说明本节内容以细胞膜分子结构的探究历程为主线，学生动脑分析实验现象得出实验结论并构建模型为重点，让学生从中体验科学的实验思想和实验方法。使学生认识到在建立生物膜模型的进程中，实验技术的进步所起的作用；理解在建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点。【学情分析】1.原有认知发展分析高中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。2.原有知识结构分析学生已经了解了细胞、知道了组成细胞的分子、掌握了细胞的基本结构，尤其是细胞膜作为最基本生命系统的边界等相关知识，为本节知识的学习奠定了基础。3.非认知因素分析本节通过回顾生物膜发展的历史，教学中要抓住主线，有效地引导学生思考、分析科学家所做的实验及假说，通过环环相扣的问题启发、引导学生，使其感到身临其境，仿佛自己就是科学家在思考在研究，最后自然而然地得出规律，并归纳总结出生物膜的流动镶嵌模型建构的基本方法。此外，还应重点理解和掌握生物膜的流动镶嵌模型，学会运用模型解释相应的生生物学现象。【教学目标】1.知识与技能①简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。理解生物膜的结构特点是具有一定的流动性（包括膜脂的流动性和膜蛋白的运动性），这种流动性对于活细胞的生命活动，有着十分重要的意义；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发展的一般规律。2.过程与方法①通过分析科学家建立生物膜模型的过程，尝试提出问题、做出假设，理解假说的提出要有实验和观察的依据，需要严谨的推理和大胆的想象，并通过观察和实验进一步验证和完善；②发挥空间想象能力，构建细胞膜的空间立体结构。③理解实验技术的进步所起的作用。3.情感、态度与价值观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认识到技术的发展在科学研究中的作用，尊重科学且用发展的观点看待科学、树立辨证的科学观。【重点难点】1.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基本内容。2.教学难点①对科学探究过程的分析，如何体现生物膜的结构与功能相统一；②生物膜的空间立体结构；③生物膜的流动性特点。【教学环境】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【教学方法】归纳探究法，自主、合作学习。【教学思路】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，能更好地体现细胞膜的功能。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，让一部分物质通过，其他物质不能通过；植物细胞质壁分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部分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？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策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，评价他们的贡献；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.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、探索奥妙并体验了成功的喜悦。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、使学生在乐趣中学、在轻松中学。【教学过程】环节1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，让一部分物质通过，其他物质不能通过。学生：植物细胞质壁分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部分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，这体现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。设计意图：通过简单的实验选材设问，创设情景，引入新课。环节2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，通过什么办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——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（E.Overton）实验：用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡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。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、分离和鉴定呢？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、分离和鉴定呢？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分离出来，化学分析表明，膜的主要成分的确是磷脂和蛋白质。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基础上提出来的，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）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。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：两位科学分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较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表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。教师：假如你是当时的科学家，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年人物：J.D.Robertson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—明—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表面各为厚约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—磷脂—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。单位膜模型的主要不足在于：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定。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