王英杰

[摘 要]《細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能》一課的教學(xué)設(shè)計，體現(xiàn)了生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責任四個維度生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透，以生命起源中膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)及其重要意義導(dǎo)入新課，整個教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計體現(xiàn)了學(xué)生探究的主體地位，問題引領(lǐng)，環(huán)環(huán)相扣，引領(lǐng)學(xué)生重溫科學(xué)家的探索之路，體會科學(xué)探究的樂趣，并感受到科學(xué)探究之路并非一帆風順，及科學(xué)發(fā)展任重而道遠，從而提高學(xué)生的社會責任感。

[關(guān)鍵詞]核心素養(yǎng);高中生物;教學(xué)設(shè)計;細胞膜

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0086-04

本文以《細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能》一課為例進行教學(xué)設(shè)計，體現(xiàn)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)對生物教學(xué)的指導(dǎo)作用。

一、教學(xué)目標的確定

課程標準對本節(jié)課的內(nèi)容要求是：概述細胞都是由質(zhì)膜包裹，質(zhì)膜將細胞與其生活環(huán)境分開，能控制物質(zhì)進出，并參與細胞間的信息交流。教學(xué)提示里的要求是：利用廢舊物品制作細胞膜模型。依據(jù)課程標準的要求，基于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，確定本節(jié)課的教學(xué)目標如下：

1.生命觀念

通過學(xué)習(xí)，能夠概述細胞膜作為生命系統(tǒng)邊界的功能，通過實例分析體會細胞膜作為生命系統(tǒng)邊界的重要意義。認同細胞膜作為生命系統(tǒng)的邊界，感受生命的復(fù)雜、神奇，從而形成尊重生命、珍惜生命、關(guān)愛生命的觀念。

2.科學(xué)思維

通過對細胞膜成分和結(jié)構(gòu)的探索學(xué)習(xí)，加深對模型建構(gòu)的理解，形成科學(xué)的思維習(xí)慣，并樹立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)辯證觀點，認同科學(xué)理論的形成是一個科學(xué)精神、科學(xué)思維和技術(shù)手段結(jié)合下不斷修正與完善的過程，形成嚴謹?shù)乃季S習(xí)慣。

3.科學(xué)探究

以科學(xué)史為依托，探究細胞膜的成分和結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生探究、創(chuàng)新、合作的意識，鍛煉學(xué)生的思維能力和探究能力，而且讓學(xué)生體會到科學(xué)探究的艱辛，并在此基礎(chǔ)上說明細胞膜結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，概述細胞膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

4.社會責任

通過學(xué)習(xí)，能夠嘗試解釋生活中的生命現(xiàn)象，體會學(xué)科知識與解決現(xiàn)實問題之間的密切聯(lián)系，增強解決生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問題的擔當和能力，提高社會責任感。

二、教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)課結(jié)合第二章《構(gòu)成生命系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)》的學(xué)習(xí)，從原始海洋中生命的誕生導(dǎo)入，讓學(xué)生明確原始海洋中的有機物（如蛋白質(zhì)、核酸等）不斷聚集并相互作用進化出原始生命的過程中，膜的出現(xiàn)至關(guān)重要，滲透生命觀念，并以此作為主線展開本節(jié)課的教學(xué)活動。本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計上主要突出科學(xué)史的教育，注重引導(dǎo)學(xué)生自主、探究、合作學(xué)習(xí)，使學(xué)生通過自主探究、合作交流，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。在體驗生物膜的探索歷程上，讓學(xué)生重走科學(xué)家的探索之路，將科學(xué)家的實驗作為構(gòu)建模型的證據(jù)，通過討論得出結(jié)論并構(gòu)建相應(yīng)模型，使學(xué)生從探索發(fā)現(xiàn)上升到知識建構(gòu)，從而鍛煉學(xué)生的思維能力和探究能力，讓學(xué)生體會到科學(xué)探究的艱辛、科學(xué)進步與技術(shù)之間的關(guān)系，充分體現(xiàn)新課程改革中“探索領(lǐng)先，合作學(xué)習(xí)，師生是學(xué)習(xí)共同體”的教育理念。

三、教學(xué)實施的程序

學(xué)習(xí)任務(wù)一：通過觀看視頻，體驗細胞膜的存在。

教師活動：視頻展示原始海洋中生命的誕生。

【過渡】在原始海洋這盆熱湯中，膜的出現(xiàn)是生命起源中至關(guān)重要的階段，它將生命物質(zhì)與外界環(huán)境分隔開，保障了細胞內(nèi)部環(huán)境的相對穩(wěn)定，它就是系統(tǒng)的邊界，就如同一個國家的邊界一樣重要，既然細胞膜這么重要，那么日常生活中我們能不能觀察到它的存在呢？

【展示】播放雞蛋中卵細胞的細胞膜存在的視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析：雞蛋中卵細胞的細胞膜是哪一部分？

【過渡】細胞膜作為生命系統(tǒng)的邊界，它在生命活動中起什么作用？卵細胞的邊界是什么？它是由什么成分組成的？它的結(jié)構(gòu)如何？這就是我們今天要討論的主要內(nèi)容。

學(xué)生活動：了解原始海洋中生命誕生的過程，觀看體現(xiàn)卵細胞的細胞膜存在的視頻，并思考。

設(shè)計意圖：通過觀看視頻，使學(xué)生認識到細胞膜的重要性，聯(lián)系國家的邊界，滲透熱愛祖國、保衛(wèi)祖國的思想，再通過形象直觀的雞蛋中卵細胞的細胞膜，引導(dǎo)學(xué)生初步感知細胞膜的存在，激發(fā)學(xué)生深入探究問題的興趣。

學(xué)習(xí)任務(wù)二：閱讀課本P40細胞膜功能的相關(guān)內(nèi)容，觀察圖片，思考“問題探討”中的內(nèi)容，概述細胞膜的功能，思考臺盼藍染色的原理。

教師活動：

【提問】細胞膜在細胞的生命活動中起什么作用？

【展示】展示細胞膜功能的圖片，引導(dǎo)學(xué)生分析并理解細胞膜的功能。

【引導(dǎo)】在多細胞生物體內(nèi)，各個細胞都不是孤立存在的，它們之間必須協(xié)調(diào)，才能使生物體健康地生存，就如家庭和諧，才能維持社會的和諧（滲透正確的家庭觀和社會觀）。

【過渡】細胞膜的功能是由它的成分和結(jié)構(gòu)決定的。細胞膜非常薄，即使在高倍顯微鏡下依然難以看清它的真面目。人們對細胞膜化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)的認識經(jīng)歷了很長的過程，下面讓我們一起沿著科學(xué)家的探索之路來探究細胞膜的結(jié)構(gòu)和組成吧！

學(xué)生活動：通過閱讀課本，掌握細胞膜的功能，理解臺盼藍染色的原理。

設(shè)計意圖：通過閱讀課本培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，通過思考臺盼藍染色的原理，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，初步培養(yǎng)學(xué)生的生命觀。

學(xué)習(xí)任務(wù)三：閱讀課本P42“思考·討論”對細胞膜成分探索的資料，思考并討論相關(guān)問題，小組合作探究構(gòu)建細胞膜的結(jié)構(gòu)模型，體會模型構(gòu)建的方法。

教師活動：

【提問】早期對生物膜結(jié)構(gòu)的探究是從生理功能入手，還是從用顯微鏡觀察生物膜的結(jié)構(gòu)入手？

先讓學(xué)生閱讀課本有關(guān)歐文頓實驗的內(nèi)容，然后給學(xué)生介紹相似相溶原理，并以問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：利用相似相溶原理，結(jié)合歐文頓的實驗現(xiàn)象，能夠得出什么結(jié)論？歐文頓的推測是通過對現(xiàn)象的推理分析，還是通過對膜成分的提取與檢測？還有必要對膜成分進行提取、分離和鑒定嗎？歐文頓為什么沒有對膜的成分進行提取、分離？

【過渡】歐文頓提出了細胞膜是由脂質(zhì)組成的假說，既然是假說就需要實驗的驗證，歐文頓的假說被驗證了嗎？是通過怎樣的實驗驗證的？讓我們一起來了解20世紀初科學(xué)家所做的實驗。

學(xué)生活動：閱讀歐文頓實驗的內(nèi)容，分析討論教師提出的問題，并作出回答。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過實驗觀察學(xué)會分析問題、做出假設(shè)，同時讓學(xué)生體會到科學(xué)探索的嚴密性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

教師活動：出示20世紀初科學(xué)家的實驗資料，引導(dǎo)學(xué)生思考分析問題：利用哺乳動物紅細胞制備細胞膜的原理是什么？為什么選擇哺乳動物成熟的紅細胞？如何從混合液中分離出純度較高的細胞膜？

引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：組成細胞膜的脂質(zhì)有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。（歐文頓的假說得到了驗證）

【過渡】磷脂在細胞膜中如何排布？磷脂分子具有什么特點？我們首先來了解一下磷脂分子。

學(xué)生活動：閱讀20世紀初科學(xué)家的實驗資料，觀察細胞膜制備的圖片，回答相關(guān)問題;觀察磷脂分子的結(jié)構(gòu)圖片及模型，思考其特點。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生分析資料，通過對資料的分析和推理使學(xué)生掌握細胞膜的成分有磷脂和膽固醇，培養(yǎng)學(xué)生提取信息、解決問題的能力。

教師活動：出示圖1并對磷脂分子結(jié)構(gòu)及模型進行介紹。

引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題，并小組討論。

【問題】如果把這樣的磷脂分子放在盛水的燒杯中，它們在空氣—水界面上的排布情況將是怎樣的？磷脂分子在水—苯溶液中如何排布？

學(xué)生活動：認識磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點，明確磷脂分子在空氣—水界面和水—苯溶液中的排布，并能夠作出解釋。

設(shè)計意圖：融合化學(xué)知識，讓學(xué)生體會學(xué)科知識之間的滲透，培養(yǎng)學(xué)生的合作能力和動手操作能力。

【過渡】磷脂分子在細胞膜中的排布情況是怎樣的？是一層還是兩層或者是多層呢？

【展示資料1】兩位荷蘭科學(xué)家戈特和格倫德爾的實驗。

引導(dǎo)學(xué)生理解兩位科學(xué)家的推斷：細胞膜中的磷脂分子必然排列為連續(xù)的兩層。

【問題】在細胞膜中這兩層磷脂分子如何排布？

【展示】人體血細胞生活的環(huán)境圖片。

【模型構(gòu)建】請根據(jù)組織細胞生活的環(huán)境以及磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點，利用提供的材料，小組合作探究構(gòu)建磷脂分子在細胞膜中的排布模型。請小組學(xué)生代表在黑板上進行模型構(gòu)建（如圖2）。模型構(gòu)建完成后，請該小組成員對不同的模型進行解釋。

學(xué)生活動：閱讀課本P42兩位荷蘭科學(xué)家戈特和格倫德爾的實驗內(nèi)容，并得出二者的推斷;看圖思考，明確“人體組織細胞的內(nèi)外都是水環(huán)境”。小組合作進行模型構(gòu)建，并對模型進行解釋。

設(shè)計意圖：結(jié)合科學(xué)探究和相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生理解“模型與構(gòu)建”，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，鍛煉學(xué)生的邏輯推理能力，培養(yǎng)學(xué)生的語言表達能力及團結(jié)協(xié)作精神。

學(xué)習(xí)任務(wù)四：對細胞膜的成分進行探索，分析并思考討論相關(guān)問題，概述組成細胞膜的成分。

教師活動：

【過渡】由于細胞需要一些極性分子也可以快速通過細胞膜，而脂質(zhì)分子不允許極性分子快速通過，因此人們猜測細胞膜中還有其他成分。

【展示資料2】1935年，英國學(xué)者丹尼利和戴維森研究了細胞膜的表面張力，他們發(fā)現(xiàn)細胞膜的表面張力明顯低于油—水界面的表面張力。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了油脂滴表面如果吸附有蛋白質(zhì)成分則表面張力會降低。

引導(dǎo)學(xué)生得出丹尼利和戴維森的推測：細胞膜中除了含有磷脂分子，可能還附有蛋白質(zhì)。

補充：科學(xué)家通過對細胞膜化學(xué)成分進行深層分析發(fā)現(xiàn)，細胞膜會被蛋白酶分解。（提示：酶具有專一性。蛋白酶只能對蛋白質(zhì)水解起催化作用。）

【小結(jié)】引導(dǎo)學(xué)生閱讀P43第一段內(nèi)容，概述細胞膜的組成成分。

學(xué)生活動：通過資料分析，明確組成細胞膜的成分有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，還有少量的糖類，其中磷脂最豐富，還有少量的膽固醇，功能越復(fù)雜的細胞膜，蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量就越多。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的角度認識蛋白質(zhì)是生命活動的承擔者，同時為流動鑲嵌模型的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)任務(wù)五：對細胞膜的結(jié)構(gòu)進行探索，概述細胞膜的流動鑲嵌模型。

教師活動：

【過渡】脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等成分是如何組成細胞膜的？蛋白質(zhì)和磷脂的位置關(guān)系又是怎樣的？下面我們一起來看看科學(xué)家的探究過程吧！20世紀40年代，曾有學(xué)者推測脂質(zhì)兩邊各覆蓋著蛋白質(zhì)。直到50年代，電子顯微鏡誕生，科學(xué)家用它來觀察細胞膜。

【展示資料3】1959年羅伯特森的實驗。

【問題】結(jié)合電鏡成像原理，從羅伯特森的實驗現(xiàn)象中可以得出什么結(jié)論？

補充：蛋白質(zhì)對電子的阻擋作用大，透過樣品的電子較少，所以是暗帶，而脂雙層對電子的阻擋作用小，所以是明帶。

要求學(xué)生對羅伯特森的觀點進行闡述。

【模型構(gòu)建】根據(jù)羅伯特森的假說，嘗試構(gòu)建蛋白質(zhì)分子在磷脂雙分子層中的排布模型。

【質(zhì)疑】羅伯特森的假說還有什么不足？他認為膜是靜止不動的，你認同這一觀點嗎？請舉例說明。

【引導(dǎo)】 如果細胞膜是靜態(tài)的，細胞膜的復(fù)雜功能將難以實現(xiàn)，就連細胞的生長、變形蟲的變形運動這樣的現(xiàn)象都難以解釋。

【展示】變形蟲變形運動的動態(tài)圖。

學(xué)生活動：明確生物膜是由“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。師生合作，按照羅伯特森的假說進行模型構(gòu)建，并對模型進行解釋。

設(shè)計意圖：了解技術(shù)進步對科學(xué)研究的推動作用。通過質(zhì)疑、討論，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)、功能等方面進一步發(fā)現(xiàn)探究線索。

教師活動：

【設(shè)疑】蛋白質(zhì)在生物膜中到底是怎樣分布的？一種新的電子顯微技術(shù)——冰凍蝕刻電子顯微法解決了這一難題。

【展示】冰凍蝕刻電子顯微鏡下的細胞膜示意圖。

【引導(dǎo)】物理學(xué)家在低溫下將細胞膜切開，升溫后暴露在兩層磷脂之間的斷裂面。

【提問】蛋白質(zhì)在生物膜中的分布有哪幾種情況？

【模型構(gòu)建】讓學(xué)生以小組為單位，根據(jù)冰凍蝕刻電子顯微法收集新的實驗證據(jù)，嘗試修正前面師生共同構(gòu)建的蛋白質(zhì)分子在磷脂雙分子層中的排布模型（如圖3）。

教師活動：

【過渡】隨著新技術(shù)不斷運用于生物膜的研究，人們可以直觀觀察到生物膜中組分的運動情況。

【展示資料4】1970年人鼠細胞融合實驗。

【提問】從實驗現(xiàn)象可得出什么結(jié)論？相關(guān)的其他實驗證據(jù)表明細胞膜中的磷脂分子也是可以運動的，從而進一步得出什么結(jié)論？

學(xué)生回答：細胞膜上的大多數(shù)蛋白質(zhì)是可以運動的，細胞膜具有流動性。

學(xué)習(xí)任務(wù)六：流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。

教師活動：

【過渡】在新的觀察和實驗基礎(chǔ)上，又有學(xué)者提出了一些關(guān)于細胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型，其中被普遍接受和認可的是流動鑲嵌模型，我們一起來了解其內(nèi)容。（出示1972年桑格和尼克森在繼承和創(chuàng)新中提出的新模型。）

學(xué)生活動：閱讀課本P45有關(guān)糖被的介紹，在構(gòu)建的模型上利用所提供的材料添加糖蛋白和糖脂，并對模型（如圖4）進行評價和完善。觀看圖片、動畫，結(jié)合課本思考問題，并討論，概述流動鑲嵌模型的主要內(nèi)容。了解膜蛋白的功能分類，體會蛋白質(zhì)在細胞膜中的作用，進一步深化理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)的能力。將抽象的知識形象化，使學(xué)生更容易理解流動鑲嵌模型的有關(guān)內(nèi)容。通過模型展示評比，讓學(xué)生體驗成功的樂趣，促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

學(xué)習(xí)任務(wù)七：體會人類對于自然界的探索永無止境。

教師活動：

【提問】我們歷經(jīng)艱辛探討得來的流動鑲嵌模型是否已經(jīng)完美無缺？

介紹生物膜的其他結(jié)構(gòu)模型及與生物膜研究有關(guān)的諾貝爾獎獲獎情況。

播放視頻“細胞膜表面之旅”，讓學(xué)生感受生命的神奇。

【小結(jié)】滲透結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的思想。

學(xué)生活動：積極思考，交流發(fā)言。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生體會到科學(xué)研究是不斷發(fā)展、修正的過程，科學(xué)探索是永無止境的，從而培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、積極向上的精神和社會責任感。

學(xué)習(xí)任務(wù)八：課外模型制作。

教師活動：

【課外拓展】今天我們構(gòu)建的是細胞膜的平面模型，同學(xué)們有沒有更好的材料用來制作細胞膜的立體模型。請你課后嘗試一下。

學(xué)生活動：觀看模型，積極思考，探尋構(gòu)建細胞膜立體模型的方案。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和動手能力。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計，意圖滲透生命觀念，讓學(xué)生認識到生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是以物質(zhì)作為基礎(chǔ)的，生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間是有聯(lián)系的。在建立模型過程中，意圖培養(yǎng)學(xué)生的理性思維、批判質(zhì)疑和勇于探究的科學(xué)精神。在構(gòu)建模型過程中，本節(jié)課采用“提出問題→提供資料→做出假設(shè)→構(gòu)建模型→實驗驗證再分析→模型修正”的教學(xué)模式，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生自主探究、合作交流，去發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，同時讓學(xué)生體驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的過程，使學(xué)生的科學(xué)思維得到了很好的鍛煉，一定程度上激發(fā)了學(xué)生科學(xué)探究的欲望。整節(jié)課以滲透生命觀念為主線，牢牢把握住“細胞是基本的生命系統(tǒng)”這條主線，將作為基本的生命系統(tǒng)的細胞膜的功能體現(xiàn)得淋漓盡致，充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，一步步引導(dǎo)學(xué)生去探究細胞膜的結(jié)構(gòu)，教學(xué)效果尚可。本節(jié)課采用卡紙制成的材料，只能制作細胞膜的平面模型，稍顯不足，在這個過程中要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮空間想象力自制教具。教具若改進為超輕黏土或者橡皮泥來制作磷脂分子，效果會更好。

（責任編輯 黃春香）