《生物膜的流動鑲嵌模型》教學(xué)設(shè)計

1、內(nèi)容和地位

1.1"生物膜的流動鑲嵌模型”一節(jié)是人教版《必修1分子與細胞》第四章《細胞的

物質(zhì)輸入和輸出》之第二節(jié)，與第一節(jié)〃物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗ㄋ从车纳锬ξ镔|(zhì)的

進出控制具有選擇性等知識有一定的聯(lián)系，并對第三節(jié)學(xué)習(xí)"物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健弊髁?/p>

知識準備。所以，這節(jié)的內(nèi)容安排很巧妙，對整個章節(jié)的知識起到了承上啟下的作用。

1.2本節(jié)主要包括了兩大部分內(nèi)容：①.科學(xué)家對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。這是一個很

好的科學(xué)史教育素材，通過引導(dǎo)學(xué)生一步一步地分析科學(xué)家的實驗和結(jié)論，宛如親歷科學(xué)

家探索的歷程，使學(xué)生切身感受科學(xué)的魅力，自然而然地接受流動鑲嵌模型的理論，更重

要的是讓學(xué)生加深對科學(xué)過程和方法的理解，明白科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期的過程，涉

及到許多科學(xué)家的辛勤工作；科學(xué)家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學(xué)學(xué)

說不是一成不變的，需要不斷修正、發(fā)展和完善；科學(xué)發(fā)展與技術(shù)有很大的關(guān)系，技術(shù)的

進步可以更好地促進科學(xué)的發(fā)展。②.細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。在眾多對細胞膜

結(jié)構(gòu)的假說中，細胞膜的流動鑲嵌模型是目前人們普遍接受認同的，能較好地解釋人們對

細胞膜功能的認識，學(xué)生必須展開想象力，在頭腦中構(gòu)建細胞膜的空間結(jié)構(gòu)，理解和掌握

流動鑲嵌模型的基本要點，這對于更好的理解下一節(jié)物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞接泻苤匾穆?lián)

2、學(xué)情分析

2.1學(xué)生已經(jīng)了解了細胞、知道了組成細胞的分子、掌握了細胞的基本結(jié)構(gòu)，尤其是

細胞膜作為最基本生命系統(tǒng)的邊界等相關(guān)知識，為本節(jié)知識的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

2.2高中學(xué)生具備了一定的觀察和認知能力,分析思維的目的性、連續(xù)性和邏輯性也

已初步建立，但還很不完善，對事物的探索好奇，又往往具有盲目性，缺乏目的性，并對

探索科學(xué)的過程與方法及結(jié)論的形成缺乏理性的思考。

3、設(shè)計思路

3.1調(diào)動學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

學(xué)生在第2章的學(xué)習(xí)口曾經(jīng)制作真核細胞的三維紜構(gòu)模型，當(dāng)時就遇到過用什么材料

做細胞膜的問題。本節(jié)課可以從這個問題入手，讓學(xué)生從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度分析，

用什么材料做細胞膜，能更好地體現(xiàn)細胞膜的功能。關(guān)于這個問題，學(xué)生已有的知識是：

細胞膜很薄，是細胞這個生命系統(tǒng)的邊界；細胞膜能夠控制物質(zhì)的進出，讓一部分物質(zhì)通

過，其他物質(zhì)不能通過；植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的實驗告訴學(xué)生，細胞能夠在一定范圍

內(nèi)漲大和縮小，說明細胞膜具有一定的彈性。教材中“問題探討”欄目列出了三種材料：

塑料袋、普通布和彈力布,其中塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)邊界的要求,普通布能夠滿足系

統(tǒng)的邊界和讓一部分物質(zhì)透過這兩項功能的要求，只有彈力布能夠滿足上述三項功能的要

求。通過這個問題的討論，學(xué)生就會認識到建立細胞膜的結(jié)構(gòu)模型，必須從結(jié)構(gòu)與功能相

適應(yīng)的觀點出發(fā)來思考。當(dāng)然,細胞膜不可能是由彈力布構(gòu)成的。細胞膜到底具有怎樣的

結(jié)構(gòu)，才能使它具有上述功能呢？

3.2本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計上主要突出科學(xué)史的教育，科學(xué)史的教學(xué)是在新教材中特別強

調(diào)和突出的，在舊教材中涉及不多，要教好不容易。老師備課過程要細致策劃如何有效地

引導(dǎo)學(xué)生分析不同時期不同科學(xué)家的實驗及假說，評價他們的貢獻；要能通過一連串的環(huán)

環(huán)相扣的問題來引導(dǎo)學(xué)生思維，要讓學(xué)生感到身臨其境，仿佛自己就是那個科學(xué)家在思考

研究；最后讓學(xué)生從中總結(jié)出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的一般規(guī)律。

3.3生物膜結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建是本節(jié)要突破的一個難點問題。本節(jié)課中，教師自制了磷

脂分子和蛋白質(zhì)分子的模型，讓學(xué)生根據(jù)科學(xué)家的實驗現(xiàn)象自己來構(gòu)建磷脂分子的排列方

式、蛋白質(zhì)與磷脂的組合方式，這樣讓學(xué)生不但形象、直觀的了解了模型構(gòu)建的過程、也

讓他們置身其中、探索奧妙并體驗了成功的喜悅。

3.4細胞膜的流動鑲嵌模型這個難點的講解可通過多媒體課件來突破,有順用口層次

他介紹。通過幻燈片放映各個科學(xué)家研究的圖片、動畫，增強了這些內(nèi)容的立體感、豐富

了教學(xué)內(nèi)容、使學(xué)生在樂趣中學(xué)、在輕松中學(xué)。

［教學(xué)目標(biāo)

1、知識與技能

①簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容；

②舉例說明生物膜具有的流動性的特點；

③通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程闡述科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律。

2、過程與方法

①分析科學(xué)家建立生物膜結(jié)構(gòu)模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設(shè)；

②發(fā)揮空間想象能力,構(gòu)建細胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)。

3、情感、態(tài)度和價值觀

①使學(xué)生樹立生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辨證觀點；

②培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)耐评砗痛竽懴胂竽芰Γ?/p>

③認識到技術(shù)的發(fā)展在科學(xué)研究中的作用，尊重科學(xué)且用發(fā)展的觀點看待科學(xué)、樹立

辨證的科學(xué)觀。

教學(xué)重點

1、科學(xué)家對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。

2、生物膜的流動鑲嵌模型學(xué)說的基本內(nèi)容。

教學(xué)難點

1、對科學(xué)探究過程的分析，如何體現(xiàn)生物膜的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一；

2、生物膜的空間立體結(jié)構(gòu)；

3、生物膜的流動性特點。

教具準備

1、生物膜流動鑲嵌模型的多媒體演示課件

2、自制磷脂分子、蛋白質(zhì)分子模型

教學(xué)流程

設(shè)問引入一"問題探討"T體驗"生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程〃-闡述"流動鑲嵌模型的

基本內(nèi)容”

教學(xué)過程

（一）情景創(chuàng)設(shè)

教師：同學(xué)們，在前面我們制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型中，遇到過用什么材料做細

胞膜的問題,現(xiàn)在有三種材料：塑料袋、普通布和彈力布，你選用哪種材料呢？為什么？

學(xué)生：細胞膜很薄，是細胞這個生命系統(tǒng)的邊界。

學(xué)生：細胞膜是選擇透過性膜，能夠控制物質(zhì)的退出，讓一部分物質(zhì)通過，其他物質(zhì)

不能通過。

學(xué)生：植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的實驗告訴我們，細胞能夠在一定范圍內(nèi)脹大和縮小,

說明細胞膜具有一定的彈性。

學(xué)生：塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)邊界的要求，普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和讓一部分

物質(zhì)透過這兩項功能的要求，只有彈力布能夠滿足前面提到的三項功能的要求。

教師：大家進行選擇的依據(jù)是利用了細胞膜的功能，這體現(xiàn)了什么樣的生物學(xué)思想

呢？

學(xué)生：生物體結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的思想。

教師：實際上，彈力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料，我們還需要對

細胞膜的結(jié)構(gòu)有更深的認識。

（二）師生互動

1、對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程

教師：人們對事物的認識是有一個過程的，科學(xué)家當(dāng)年正是懷著對物質(zhì)跨膜運輸現(xiàn)象

產(chǎn)生的疑問，開始了對生物膜結(jié)構(gòu)的孜孜以求地探索，歷經(jīng)了一百多年時間，走過了一條

曲折的道路,直到現(xiàn)在仍有許多科學(xué)家在繼續(xù)深入研究。讓我們一起重溫一下這段歷史，

會讓大家對科學(xué)過程和本后的理解有所啟發(fā)。我想讓大家穿過時空隧道，回到一百多年前，

假想一下：如果你是當(dāng)時的一位科學(xué)家，你會怎樣去研究細胞膜的結(jié)構(gòu)？（提示學(xué)生，引

導(dǎo)他們明白限于當(dāng)時的技術(shù)條件，還不能親眼看到生物膜，無法想像它的結(jié)構(gòu)是什么樣的，

通過什么辦法進行第一步的探究呢？引導(dǎo)學(xué)生看教材后明白當(dāng)時科學(xué)家是從生理功能入手

來探究的，通過實驗觀察,科學(xué)家才有嚴謹?shù)耐评恚岢瞿な怯芍|(zhì)組成這T股說，提示

學(xué)生作出科學(xué)探究過程中作出假設(shè)后的步驟是什么（通過實驗來驗證假設(shè)），從而it入下面

的學(xué)習(xí)。

學(xué)生：可以從現(xiàn)象入手，去進行推測。

教師：這就是生物學(xué)研究上常用的一種科學(xué)方法一假說法。這也是我們今天探究生

物膜的結(jié)構(gòu)的一個重要的方法，下面，就讓我們沿著科學(xué)家的足跡，和科學(xué)家一起來研究

這個問題.

問題(1):探究細胞膜的組成成分是什么？

展示材料①：歐文頓的實驗及其相關(guān)的圖片

時間：19世紀末1895年

人物：歐文頓(E.Overton)

實驗：用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細胞的通透性進行過上萬次的實驗，發(fā)現(xiàn)細胞膜對

不同物質(zhì)的通透性是不一樣的：凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通

過細胞膜進入細胞。

不溶干脂質(zhì)的物質(zhì)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)

細胞膜

教師：根據(jù)實驗，你能提出什么假說？

學(xué)生：提出假說：膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。

教師：在得出結(jié)論之后，還有沒有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？

學(xué)生：有必要，通過鑒定能更準確地說明問題。

教師：那為什么一開始不直接對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？

學(xué)生：當(dāng)時的技術(shù)不能實現(xiàn)。

教師：這說明什么問題呢？

學(xué)生：這說明技術(shù)對科學(xué)研究的重要作用。

教師：直至20世紀初，科學(xué)家才能第一次將細胞膜從哺乳動物紅細胞中分離出來，

化學(xué)分析表明，膜的主要成分的確是磷脂和蛋白質(zhì)。從而以實驗說明了歐文頓的假說是成

立的。也就是說假說是在實驗與觀察的基礎(chǔ)上提出來的，同時又需要更進一步的實驗來證

明。

問題（2）:探究這些物質(zhì)是如何組成膜的？

出示資料②：1917年歐文?朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上，發(fā)現(xiàn)脂在水面

上形成一薄層，單脂層親水的頭朝向水面，疏水的尾背離水面。于是他提出：磷脂分子是

一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，結(jié)構(gòu)既有疏水基團（尾部），又有親水基團（頭

部I因為磷脂分子的"頭部"親水，所以在水一空氣界面上磷脂分子是"頭部"向下與水

面接觸，尾部則朝向空氣一面。這樣磷脂分子可以在空氣和水的界面上展開為一層。

教師：大家分組討論，利用手中的磷脂分子模型擺出下面兩種情況下磷脂的分布情況

①在空氣-水界面上②完全浸沒在水中

學(xué)生：小組代表上黑板演示

展示材料③：戈特和格倫德對血影的研究

時間:1925年

人物：荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel

實驗：兩位科學(xué)分離純化了紅細胞，從一定數(shù)量的紅細胞中抽提脂類，按Langmuir

的方法進行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積，發(fā)現(xiàn)提取的

脂鋪展后所測的面積同實際測量的紅細胞的表面積之比為（1.8~2.2）:1,約為兩倍。

教師：假如你是當(dāng)時的科學(xué)家，當(dāng)你做實驗時發(fā)現(xiàn)單分子的磷脂分子正好是紅細胞的

兩倍時，大膽地展開你的想象力，你能做出什么假說？

學(xué)生：細胞膜中的磷脂是兩層的。

教師：那這兩層磷脂分子在細胞中又是怎樣排布的呢？再分小組討論、利用你手中的

模型擺出來吧。

學(xué)生：分組討論，共可有六種排布方式，并提出細胞膜應(yīng)兩面都處于水環(huán)境中，所以

討論得到正確的排布方式。

問題（3）:那蛋白質(zhì)和磷脂的位置關(guān)系又是如何的呢？

展示材料④：羅伯特森的單位膜模型

時間:1959年

人物:J.D.Robertson羅伯特森

實驗：用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗一明一暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5

nm,它由厚約3.5nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面各為厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。

提出假說：連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成膜的主體，磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè)，極性端

朝向膜外兩側(cè)，蛋白質(zhì)以單層肽鏈的厚度，通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合，從而形成

蛋白質(zhì)一磷脂一蛋白質(zhì)的三層結(jié)構(gòu)，稱之為單位膜。他提出真核細胞與原核細胞具有相同

的膜結(jié)構(gòu)。單位膜模型的主要不足在于：把生物膜的結(jié)構(gòu)描述成靜止的、不變的，這顯然

與膜功能的多樣性相矛盾。

單位膜結(jié)構(gòu)模型繼承了前人的有關(guān)結(jié)論，又成功地利用了先進的電子顯微鏡的觀察結(jié)

果作為證據(jù)。但是他將生物膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu)，這一點很快又被新的技術(shù)手段下

的實驗所否定。

問題(4):有什么證據(jù)證明細胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)的呢？

教師放映變形蟲的變形運動、白細胞吞噬病原體、細胞分裂的動畫，讓學(xué)生從感性上

認識膜不是剛性結(jié)構(gòu)。展示材料⑤：熒光標(biāo)記小鼠細胞和人細胞融合實驗

時間:1970年

人物:LarryFrye等

實驗：將人和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細胞融合，雜種細胞一半發(fā)

紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光,放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

提出假說：細胞膜具有流動性。

教師：很好，在繼承前人的結(jié)論基礎(chǔ)上，結(jié)合新的觀察和實驗證據(jù)，又有科學(xué)家提出

一些關(guān)于生物膜的分子結(jié)構(gòu)模型。其中1972年桑格(S.J.Singer)和尼克森(G.Nicolson)

提出的流動鑲嵌模型為大多數(shù)人所接受。

好,學(xué)到這里，縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程，我們有些話題想讓大家

思考討論。

以討論小組的形式開展課堂討論交流。

(1)生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請說說你的看法。

學(xué)生：生物膜的流動鑲嵌模型不可能完美無缺。人類對自然界的認識永無止境，隨著

實驗技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進，對膜的研究將更加細致入微，對膜結(jié)構(gòu)的進一步認識將能更

完善地解釋細胞膜的各種功能，不斷完善和發(fā)展流動鑲嵌模型。

的確，流動鑲嵌模型是目前人們普遍認同的，但它無法完美地回答生物膜的所有功能。

所以后來不斷提出一些新的模型如Wallach于1975年提出晶格鑲嵌模型Jain和White

于1977年提出板塊鑲嵌模型等，迄今為止,已提出的生物膜結(jié)構(gòu)模型達幾十種之多，生

物膜的結(jié)構(gòu)模型雖然有很多種，但被廣泛接受的結(jié)構(gòu)模型基本內(nèi)容是趨向一致的。其要點

和特點基本相同,主要包括膜的分子組成和結(jié)構(gòu)特征。

(2)縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程，你能談?wù)剬嵞樇夹g(shù)的進步起到怎樣

的作用？

學(xué)生：在建立生物膜模型的過程中，實驗技術(shù)的進步起到了關(guān)鍵性的推動作用。如血

影的制取和化學(xué)成分的鑒定技術(shù)使人們認識膜的化學(xué)組成；電子顯微鏡的誕生使人們終于

看到了膜的存在；冰凍蝕刻技術(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)使人們認識到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對

稱；熒光標(biāo)記小鼠細胞與人細胞的融合實驗又證明了膜的流動性等。沒有這些技術(shù)的支持，

人類的認識便不能發(fā)展。

(3)分析生物膜模型的建立過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是如何得到體現(xiàn)的？

學(xué)生：在建立生物膜模型的過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點始終引導(dǎo)人們不斷實踐、

認識，再實踐、再認識；使人類一步步接近生物膜結(jié)構(gòu)的真相.例如，不同生物膜的功能

是有差異的。在生命系統(tǒng)中，一般來說，功能的不同常伴隨著結(jié)構(gòu)的差異，而早期的生物

膜模型假定所有的生物膜都是相同的，這顯然與不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾

的。還有，不同膜的厚度也不完全一樣。由此促進學(xué)者們重新研究脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用

的問題。一些學(xué)者使用了更加先進的技術(shù)，運用紅外光譜等技術(shù)證明，膜蛋白主要為球形

結(jié)構(gòu)。冰凍蝕刻電鏡技術(shù)又證明，脂雙層中分布有蛋白質(zhì)顆粒，這樣又發(fā)展了生物膜模型。

生物膜中存在不同種類的蛋白質(zhì)，以及蛋白質(zhì)在生物膜中的不同分布情況，恰能較好地解

釋不同結(jié)構(gòu)的生物膜具有不同的生理功能。

(4)分析生物膜模型的建立過程，你受到什么啟示？

學(xué)生：科學(xué)研究是要在實驗和觀察的基礎(chǔ)上，通過嚴謹?shù)耐评砗痛竽懙南胂螅岢黾?/p>

說，再通過實驗進一步地驗證假說。

學(xué)生：科學(xué)研究依賴于技術(shù)的進步，技術(shù)進步了，可以得到更多新的實驗數(shù)據(jù)。

學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學(xué)家的辛勤工作。

學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程不是一帆風(fēng)順的，往往是在繼承的基礎(chǔ)上不斷驗證、修正和完

善發(fā)展的.

學(xué)生：科學(xué)家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學(xué)學(xué)說不是一成不變的，

需要不斷完善。

教師：那流動鑲嵌模型的具體內(nèi)容是如何的呢？

(1)磷脂雙分子層是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的親水性頭部朝向兩側(cè)，疏水

性的尾部相對朝向內(nèi)側(cè)。

而麗娜肺

(2迷白質(zhì)分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部嵌入磷脂雙分子層中，

有的橫跨整個磷脂雙分子層。這里體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外的不對稱性。

DF9O-ALAJ

(3)在細胞膜的外側(cè)，有一層由細胞膜上的蛋白質(zhì)與糖類結(jié)構(gòu)合形成的糖蛋白，叫做

糖被。糖被與細胞識別、細胞間的信息交流有密切聯(lián)系。

4也M2

(4)磷脂分子是可以運動的，具有流動性。大多數(shù)的蛋白質(zhì)也是可以運動的，也體現(xiàn)

了膜的流動性。

［評價反饋］

1、精選練習(xí)

(1)變形蟲的任何部位能伸出偽足,人體的某些臼細胞能吞噬病菌，這些生理活動的

完成說明細胞膜具有下列哪一特點

A.選擇透過性B.一定的流動性C.保護作用