資源簡介

3.1《細胞膜的結構和功能》 教學設計
【教學目標】
1.從系統與環境關系的角度闡釋細胞膜作為系統的邊界所具有的功能。
2.通過分析細胞膜結構模型建立的歷程，基于事實和證據進行推理論證，提出或否定假說（或模型），認同科學在質疑與創新中不斷發展，形成結構決定功能的觀念。
3.通過比較不同細胞膜結構模型，說出不同模型的要點，闡釋流動鑲嵌模型。
4.通過糖尿病病因的分析以及“脂質體藥物”的分析，體會結構決定功能的觀點，并體會科學知識與解決現實問題之間的密切聯系，增強社會責任感。了解植物和細菌細胞壁的成分和結構，分析細胞壁的功能。
【教學重點】
細胞膜作為系統的邊界所具有的功能，流動鑲嵌模型的主要內容。
【教學難點】
細胞膜的結構與其組成成分的內在聯系，細胞膜結構模型的探索歷程。
【學情分析】
學生已經了解細胞的基本結構，但對細胞膜的功能及細胞膜具體的成分和微觀結構不清晰。學生已具備基本的分析判斷能力，還未學會利用“提出假說”、“構建模型”等研究事物的科學方法。
【教學策略】
針對學生對微觀的細胞膜結構和功能比較陌生，本課注重情境體驗和問題驅動教學策略，通過讓學生體驗卵黃膜、蓮藕“出淤泥而不染”等情境，讓學生深入理解細胞膜的功能。通過重演科學史上探索細胞膜的歷程，采用小組合作討論，推導出細胞膜的成分和結構，并讓學生親自動手利用教學用具一步步的建立細胞膜的流動鑲嵌模型。
【課堂結構】
【教學過程】
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
引入新課 組成細胞的分子必須有序地組織成細胞的結構，才能成為一個基本的生命系統。 那么這個最小的生命系統有著怎樣的結構？這些物質是怎樣有序地組織成細胞的結構的？ 讓我們進入第3章細胞的基本結構的學習。 回顧，進入新課的學習。 承上啟下，引出問題，激發學生興趣，導入新章節的學習。
活動一：體驗系統邊界——細胞膜的存在（卵黃膜) 活動：打破雞蛋外殼將蛋清和蛋黃倒入培養皿中。 教師：沒有受精的雞蛋中，雞蛋黃可看作一個卵細胞，鳥類的卵細胞是自然界中較大的細胞，請同學們觀察雞蛋黃與蛋清之間被什么樣的結構分隔開？ 體驗用手輕觸或針扎雞蛋黃，感受卵黃膜的柔軟度，顏色等感受細胞膜的存在思考，把蛋黃看作一個細胞，卵黃膜在細胞中起什么作用？蛋清中的營養物質，如何透過卵黃膜進入細胞？ 聯系生活感受細胞膜的存在，由生活中的現象進一步思考。
活動二：分析情境資料，得出細胞膜的功能1：將細胞與外界環境分隔開的功能 【分析資料，回答問題】 引導學生思考卵細胞的細胞膜，在細胞的生命活動中起什么作用？ PPT展示：【資料1】將伊紅注射入變形蟲細胞內，伊紅不能溢出細胞的實驗。 觀察、信息獲?。赫J識到細胞膜是細胞的邊界。 結合卵黃膜將卵細胞與卵清分開以及伊紅注射入變形蟲細胞內的實驗，得出細胞膜的功能之一，是將細胞與外界環境分隔開。 通過實例提升推理分析能力，引導學生概括細胞膜作為系統邊界所具有的主要功能。
活動二：分析情境資料，得出細胞膜的功能2：細胞膜控制物質進出細胞功能 【分析資料，回答問題】 通過具體的實例引導學生思考細胞膜在細胞的生命活動中還起什么作用？ PPT展示：【資料2】生長在水底淤泥中的蓮藕“出淤泥而不染”，它能從水和淤泥中吸收所需的營養物質，并排出代謝廢物，而蓮藕不需要的物質卻不會輕易進入蓮藕細胞?！举Y料3】鑒別動物細胞是否死亡常用臺盼藍染液。用它染色時，死細胞被染成藍色，活細胞不會著色。 提問：蓮藕為什么“出淤泥而不染”？為什么活細胞不能被染色，而死細胞能被染色？根據資料2、3推測，細胞膜作為系統的邊界，應該具有什么功能？ 追問：1.細胞膜的控制物質進出功能和與外界環境分隔功能是矛盾的嗎？2.細胞膜控制物質進出是絕對的嗎？細胞不需要的物質一定不能進入細胞嗎？請舉例證明自己的觀點。 討論并推理得出：活細胞外的物質，不會輕易進入細胞內，但如果細胞膜失活，則不再具有控制能力，細胞膜的另一個功能是控制物質進出細胞。 討論回答：細胞生命活動需要的物質，可以通過細胞膜，細胞不需要的物質，不能通過細胞膜體會細胞膜的選擇透過性，細胞膜的選擇性是相對的，一些有害的物質、病毒、細菌等也可能侵入。 通過實例提升學生的推理分析能力，引導學生概括細胞膜作為系統邊界具有控制物質進出的功能。 加深對細胞結構與功能相適應的理解。
活動二：分析情境資料，得出細胞膜的功能3：進行細胞間的信息交流 通過具體的實例引導學生思考細胞膜在細胞的生命活動中還起什么作用？ PPT展示：【資料4】鼻子接觸香水分子，為什么大腦皮層能產生“香”的感覺？ 上述例子說明，細胞膜還具備什么功能？對于多細胞生物為什么要有上述功能？并結合教材，圖片和文字，總結細胞間信息交流的三種方式。 討論并推理得出細胞膜，要能夠接受外界信息和釋放信息，與體內其他細胞間進行信息交流，概括出細胞膜還具有參與完成細胞間信息交流的功能，細胞不是孤立存在的，他們要保持功能的協調。 通過實例提升推理分析能力，引導學生概括細胞膜作為系統邊界具有細胞間信息交流功能。
學以致用，設置懸念引入下節細胞膜成分和結構的學習 為什么冷水浸泡莧菜，溶液顏色不變，而開水浸泡或煮莧菜，溶液顏色變紅？ 細胞膜由什么物質組成？具有怎樣的結構？高溫為什么會使其失去活性？ 讓我們回到19世紀，重溫科學家對細胞膜的探索之旅。 利用細胞膜功能知識回答。 引發學生對下節課內容的學習興趣，為下節課內容作鋪墊。
學習活動三：對細胞膜成分的探索。 【分析資料，回答問題】 創設情境，給出科學家對細胞膜成分探究歷程的素材，利用問題串的形式引導學生思考問題。 閱讀給出的情境材料“科學家對細胞膜成分探索”的歷程，討論回答老師提出的一系列問題。 結合科學史資料和相關問題，引導學生分析得出，組成細胞膜的成分。
學習活動三：對細胞膜成分的探索。 分析細胞膜成分的科學探究歷程思考并討論問題概述，組成細胞膜的成分。 【觀察與實證1】1895年，歐文頓選用500多種化學物質對植物細胞膜的通透性進行上萬次的實驗。發現：發現脂溶性物質易透過細胞膜，不溶于脂質的物質，透過細胞膜十分困難，并且細胞膜很容易被脂溶性溶劑溶解。 1897年，柯利欽（Crijins）和赫定（Hedin）用紅細胞做實驗，證明分子通過細胞膜的通透性與其在脂質中的溶解度有關，且溶解度越大越容易通過。 【觀察與實證2】1935年，丹尼利和戴維森研究細胞膜張力，發現細胞的表面張力明顯低于油-水界面的表面張力。當時人們已經發現油脂表面如果附有蛋白質成分，則表面張力會降低。 問題1：根據以上資料，你能推測出構成細胞膜有哪些化合物構成？這是通過對現象的推理分析，還是通過對膜成分的提取與檢測？如何證明這種推測成立？ 【觀察與實證3】20世紀初，科學家第1次將細胞膜從紅細胞中分離出來，并且發現細胞膜會被溶解脂質的溶劑溶解，也會被蛋白酶分解。 回答1：可推測出細胞膜由脂質和蛋白質構成。這只是推理分析，還需要實驗驗證。 幫助學生感知科學探究過程，在資料分析中訓練學生的科學思維和科學探究能力。
細胞膜成分歸納 為了進一步確定細胞膜中脂質成分的類型，科學家利用動物的卵細胞、紅細胞、神經細胞等作為研究材料，并利用哺乳動物的紅細胞，制備出純凈的細胞膜，進行化學分析，得知組成細胞膜的脂質有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。 補充資料：科學家測定了不同細胞的細胞膜化學組成如下表： 問題2：細胞膜成分主要由哪些物質組成？細胞膜功能的復雜性與什么物質有關？ 回答2：細胞膜成分主要由蛋白質（50%）和脂質（40%）以及少量的糖類組成。細胞膜功能的復雜性與蛋白質的種類和數量有關。 訓練學生的歸納總結能力，落實細胞膜的成分組成。
了解磷脂分子的結構特點 【資料】磷脂分子是一種由甘油，2條脂肪酸鏈和磷酸基團所組成的分子（見下圖）。脂肪酸分子有長長的碳氫鏈，具有親脂性，所以僅溶于脂溶性溶劑（例如汽油、苯等），而不溶于水。磷酸分子則溶于水，具有親水性，所以磷脂分子是一端親水一端親脂的兩性分子。通常親水的一端稱為頭部，親脂的一端稱為尾部。 問題3：磷脂分子在細胞膜中是怎排布的？ 觀察圖片，了解磷脂分子的結構特點。 引出對細胞膜結構的探索。
學習活動四：對細胞膜結構的探索 通過資料分析，沿著科學的探索的歷程，推導磷脂分子在細胞膜上的排布。 【觀察與實證4】1917年，科學家朗繆爾(Langmuir)將磷脂溶于苯和水中，當苯揮發完以后，磷脂分子分布散亂，經過推擠，磷脂在空氣-水界面上，磷脂分子排成了單層。 問題4：請你想象一下經過推擠后的磷脂分子在水中是怎樣排布的？將你推測的磷脂分子排布畫在下圖。 推測：如果攪動水槽中的水，迫使磷脂分子進入水溶液中，磷脂分子在水溶液中又將如何分布？ 通過了解磷脂分子結構結合資料思考，畫圖： 結合科學史實驗，培養學生的科學思維以及科學探究能力。
學習活動四：對細胞膜結構的探索 通過資料分析，沿著科學的探索的歷程，推導磷脂分子在細胞膜上的排布。 【分析資料，建立模型】 【觀察與實證5】1925年，兩位荷蘭科學家戈特(E. Goner)和格倫德爾(F. Grendel)用丙酮從人的紅細胞膜中提取脂質，在空氣—水界面上鋪展成單分子層，測得單分子層的面積恰好為紅細胞表面積的2倍。 問題5：根據實證5你能得出什么推論？細胞內液和細胞外液都主要是以水為溶劑的液體環境，請你推測磷脂分子在細胞膜中可能是怎樣排布的？請畫在下圖。 結合資料思考，畫圖： 結合科學史實驗，培養學生的科學思維以及科學探究能力。
學習活動四：對細胞膜結構的探索 分析資料，建立模型】 【觀察與實證6】1935年，英國科學家丹尼利(J. F. Danielli)和戴維森(H. Davson)研究了細胞膜的張力，發現細胞的表面張力明顯低于油—水界面的表面張力。已知脂滴表面如吸附有蛋白成分則表面張力會降低，因此他們推測，細胞膜中可能還附有蛋白質。
學習活動四：對細胞膜結構的探索 通過資料分析，沿著科學的探索的歷程，推導膜上蛋白質的位置，不斷的修正細胞膜的結構模型。 【觀察與實證7】20世紀50年代，電子顯微鏡誕生。1959年，羅伯特森(J. D. Robertson)用透射電鏡獲得了清晰的細胞膜照片，顯示的暗—亮—暗的三層結構，電子顯微鏡是用電子束來照射被檢樣品，由于樣品不同部位本身組成物質的構成不同，入射電子與蛋白質和磷脂不同的原子發生碰撞，對電子有不同的散射像。蛋白質的電子密度高，顯微發暗，磷脂分子的電子密度低，發亮。 問題6：根據實證6、7推測蛋白質可能排布的位置是什么？與本小組同學合作利用磁貼構建細胞膜的模型。 追問：這樣的“三明治”模型合理嗎？ 小組合作討論，根據資料，用教學用具動手構建出羅伯特森提出的“單位膜”模型。 結合科學史實驗，培養學生的科學思維以及科學探究能力。 讓學生通過分析資料和親自動手一步步的建立模型。
學習活動四：對細胞膜結構的探索 【分析資料，建立模型】 【觀察與實證8】電子顯微鏡下，細胞膜的厚度約為7~8nm，是單層磷脂厚度的兩倍，如果兩側加上的蛋白質，膜的總厚度應當超過 20 nm。 人工合成的不含蛋白質的脂雙層也呈現為“暗-亮-暗”結構。 思考分析，根據新的資料和事實，與前面建立的模型產生的矛盾。 培養學生基于事實證據進行推理的能力及敢于質疑的科學品質。
學習活動四：對細胞膜結構的探索 通過資料分析，沿著科學的探索的歷程，推導膜上蛋白質的位置。 【觀察與實證9】科學家研究發現，有些膜蛋白的特定區域主要由疏水氨基酸組成，這些區域很可能與脂雙層的疏水區域結合，造成這些部分會深深插入膜的內部。 1966年，科學家利用電鏡冷凍蝕刻技術(冷凍斷裂法）發現雙層脂質分子間存在膜蛋白顆粒。 問題7：根據實證8、9、10如何修正細胞膜上蛋白質的位置？請小組合作用磁貼構建上述細胞膜的模型。 思考分析，根據新的資料和事實，與前面建立的模型產生的矛盾。根據資料推導出蛋白質可能分布的位置，利用教學用具，修正細胞膜的模型。 培養學生基于事實證據進行推理的能力及敢于質疑的科學品質。 形成結構決定功能的觀念。
學習活動五：概括細胞膜流動鑲嵌模型的主要內容和特點 20世紀60年代后，人們提出質疑： 如果細胞膜是靜態的，無法實現細胞膜的功能，也無法解釋細胞的生長、變形蟲的變形運動等現象。 播放受精卵分裂，變形蟲的變形運動視頻。 【觀察與實證10】1970年，細胞融合實驗。 觀看視頻，從事實直觀感受細胞膜并不是靜態的。 據實驗現象推導膜上的蛋白質位置發生了改變，證明膜上蛋白質發生了運動或者某些物質的運動改變了蛋白質的位置，推出細胞膜具有流動性。 分析實驗現象，推導出膜上的物質并不是靜態的，而是可以運動的。 進一步培養學生結構功能觀。
學習活動五：歸納概括細胞膜流動鑲嵌模型的主要內容和特點。 【觀察與實證11】1972年，桑格(S. J. Singer)和尼克森(G. Nicolson)根據細胞融合熒光技術、冰凍蝕刻技術等研究結果，在蛋白質-脂質-蛋白質 “單位膜”模型的基礎上提出 “流動鑲嵌模型”。 【歸納概括】引導學生歸納概括細胞膜流動鑲嵌模型的主要內容和特點。 歸納概括： 1、細胞膜的組成：主要由磷脂分子和蛋白質分子構成，含少量的糖類 2、細胞膜的基本支架：磷脂雙分子層3、蛋白質的存在形式：鑲在表面、部分或全部嵌入、貫穿——物質運輸4.細胞膜表面糖被：與細胞表面識別、細胞間的信息傳遞等有密切關系。 培養學生歸納概括能力，將所學的知識形成概念，落實知識點。
回顧細胞膜成分和結構的探索過程，歸納科學研究過程的科學方法。 生物膜的流動鑲嵌模型是否已經完美無缺？ 2003年度諾貝爾化學獎授予兩名研究細胞膜的美國科學家阿格雷和麥金農。以表彰他們在細胞膜物質運輸的通道方面所做的貢獻。 流動鑲嵌模型還在不斷發展中…… 分析生物膜模型的建立和完善過程，你有哪些啟示 回顧本節課對細胞膜成分和結構的推導過程，總結出科學的探索過程可以進行大膽假設再小心求證，可以利用“提出假說”、“構建模型”等科學方法研究新的事物。 回顧本節課對細胞膜成分和結構的推導過程，逐步形成科學在質疑與創新中不斷發展的觀念。
學習活動六：拓展延伸 利用細胞膜成分和結構特點知識解釋和解決生活中實際的問題。 解決問題1：胰島素可通過增加細胞膜上的相關蛋白質活性，加快葡萄糖進入組織細胞，從而治療糖尿病。 細胞膜在此過程中的作用是什么？細胞膜的哪些功能異常會導致出現糖尿病？如何預防糖尿?。筷P于糖尿病的治療你有什么思路？ 解決問題2：右下圖是由磷脂分子構成的脂質體，它可以作為藥物的運載體，將其運送到特定的細胞發揮作用。有一種水溶性抗癌藥物多柔比星，如果直接注射它在消滅癌細胞的同時也會損傷正常的細胞。如果用脂質體作為藥殼包裹藥物，把這種藥物埋藏在脂質體什么位置比較合理？為什么？如果是脂溶性的藥物呢？ 脂質體表面的抗體可以與癌細胞表面的抗原特異性結合，這樣可以把藥物定向的運輸到癌細胞發揮作用。嵌入抗體在結構上應有哪些特點才能在脂質體上穩定存在并能發揮作用？ 請推測：脂質體到達細胞后，藥物將如何進入細胞內發揮作用？ 聯系所學知識思考，提出治療糖尿病可能的思路。 思考并回答： 藥物埋藏在脂質體的位置及原因。 嵌入抗體結構特點及原因。 利用細胞膜結構具有一定的流動性的特點，推測脂質體到達細胞后進入的方式。 學會運用知識解釋和解決生活中實際的問題，培養社會責任意識。 加深對知識的理解。
【板書設計】
【教學評價與反思】
本節課能把握學科核心素養，將核心素養滲透在教學過程之中，將細胞膜成分及結構的科學探索歷程轉化為探究教學的情境，通過問題導學、實驗分析的方式，使學生領悟“提出假說”、“構建模型”科學研究方法，引導學生基于證據進行推理論證，促進學生質疑與創新，綜合發展學生的科學思維和科學探究素養。在學習過程中讓學生親自動手利用教學用具一步步的建立細胞膜的流動鑲嵌模型，化抽象為具體，及時反饋和評價學生的學習效果。引導學生利用流動鑲嵌模型解釋細胞膜的功能，促進對“結構與功能相適應”的理解。最后，通過分析糖尿病病因、脂質體藥物等進行拓展延伸，體會如何利用理論知識解決現實問題，培養社會責任意識。
【參考文獻】
1.《普通高中生物學課程標準》（2017版2020年修訂）[M], 人民教育出版社，2020年版
2.《普通高中教科書 教師教學用書 生物學 必修1 分子與細胞》，人民教育出版社課程教材研究所生物課程教材研究開發中心 ，2019年版。

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