资源简介

3.1《细胞膜的结构和功能》 教学设计
【教学目标】
1.从系统与环境关系的角度阐释细胞膜作为系统的边界所具有的功能。
2.通过分析细胞膜结构模型建立的历程，基于事实和证据进行推理论证，提出或否定假说（或模型），认同科学在质疑与创新中不断发展，形成结构决定功能的观念。
3.通过比较不同细胞膜结构模型，说出不同模型的要点，阐释流动镶嵌模型。
4.通过糖尿病病因的分析以及“脂质体药物”的分析，体会结构决定功能的观点，并体会科学知识与解决现实问题之间的密切联系，增强社会责任感。了解植物和细菌细胞壁的成分和结构，分析细胞壁的功能。
【教学重点】
细胞膜作为系统的边界所具有的功能，流动镶嵌模型的主要内容。
【教学难点】
细胞膜的结构与其组成成分的内在联系，细胞膜结构模型的探索历程。
【学情分析】
学生已经了解细胞的基本结构，但对细胞膜的功能及细胞膜具体的成分和微观结构不清晰。学生已具备基本的分析判断能力，还未学会利用“提出假说”、“构建模型”等研究事物的科学方法。
【教学策略】
针对学生对微观的细胞膜结构和功能比较陌生，本课注重情境体验和问题驱动教学策略，通过让学生体验卵黄膜、莲藕“出淤泥而不染”等情境，让学生深入理解细胞膜的功能。通过重演科学史上探索细胞膜的历程，采用小组合作讨论，推导出细胞膜的成分和结构，并让学生亲自动手利用教学用具一步步的建立细胞膜的流动镶嵌模型。
【课堂结构】
【教学过程】
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
引入新课 组成细胞的分子必须有序地组织成细胞的结构，才能成为一个基本的生命系统。 那么这个最小的生命系统有着怎样的结构？这些物质是怎样有序地组织成细胞的结构的？ 让我们进入第3章细胞的基本结构的学习。 回顾，进入新课的学习。 承上启下，引出问题，激发学生兴趣，导入新章节的学习。
活动一：体验系统边界——细胞膜的存在（卵黄膜) 活动：打破鸡蛋外壳将蛋清和蛋黄倒入培养皿中。 教师：没有受精的鸡蛋中，鸡蛋黄可看作一个卵细胞，鸟类的卵细胞是自然界中较大的细胞，请同学们观察鸡蛋黄与蛋清之间被什么样的结构分隔开？ 体验用手轻触或针扎鸡蛋黄，感受卵黄膜的柔软度，颜色等感受细胞膜的存在思考，把蛋黄看作一个细胞，卵黄膜在细胞中起什么作用？蛋清中的营养物质，如何透过卵黄膜进入细胞？ 联系生活感受细胞膜的存在，由生活中的现象进一步思考。
活动二：分析情境资料，得出细胞膜的功能1：将细胞与外界环境分隔开的功能 【分析资料，回答问题】 引导学生思考卵细胞的细胞膜，在细胞的生命活动中起什么作用？ PPT展示：【资料1】将伊红注射入变形虫细胞内，伊红不能溢出细胞的实验。 观察、信息获取：认识到细胞膜是细胞的边界。 结合卵黄膜将卵细胞与卵清分开以及伊红注射入变形虫细胞内的实验，得出细胞膜的功能之一，是将细胞与外界环境分隔开。 通过实例提升推理分析能力，引导学生概括细胞膜作为系统边界所具有的主要功能。
活动二：分析情境资料，得出细胞膜的功能2：细胞膜控制物质进出细胞功能 【分析资料，回答问题】 通过具体的实例引导学生思考细胞膜在细胞的生命活动中还起什么作用？ PPT展示：【资料2】生长在水底淤泥中的莲藕“出淤泥而不染”，它能从水和淤泥中吸收所需的营养物质，并排出代谢废物，而莲藕不需要的物质却不会轻易进入莲藕细胞。【资料3】鉴别动物细胞是否死亡常用台盼蓝染液。用它染色时，死细胞被染成蓝色，活细胞不会着色。 提问：莲藕为什么“出淤泥而不染”？为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？根据资料2、3推测，细胞膜作为系统的边界，应该具有什么功能？ 追问：1.细胞膜的控制物质进出功能和与外界环境分隔功能是矛盾的吗？2.细胞膜控制物质进出是绝对的吗？细胞不需要的物质一定不能进入细胞吗？请举例证明自己的观点。 讨论并推理得出：活细胞外的物质，不会轻易进入细胞内，但如果细胞膜失活，则不再具有控制能力，细胞膜的另一个功能是控制物质进出细胞。 讨论回答：细胞生命活动需要的物质，可以通过细胞膜，细胞不需要的物质，不能通过细胞膜体会细胞膜的选择透过性，细胞膜的选择性是相对的，一些有害的物质、病毒、细菌等也可能侵入。 通过实例提升学生的推理分析能力，引导学生概括细胞膜作为系统边界具有控制物质进出的功能。 加深对细胞结构与功能相适应的理解。
活动二：分析情境资料，得出细胞膜的功能3：进行细胞间的信息交流 通过具体的实例引导学生思考细胞膜在细胞的生命活动中还起什么作用？ PPT展示：【资料4】鼻子接触香水分子，为什么大脑皮层能产生“香”的感觉？ 上述例子说明，细胞膜还具备什么功能？对于多细胞生物为什么要有上述功能？并结合教材，图片和文字，总结细胞间信息交流的三种方式。 讨论并推理得出细胞膜，要能够接受外界信息和释放信息，与体内其他细胞间进行信息交流，概括出细胞膜还具有参与完成细胞间信息交流的功能，细胞不是孤立存在的，他们要保持功能的协调。 通过实例提升推理分析能力，引导学生概括细胞膜作为系统边界具有细胞间信息交流功能。
学以致用，设置悬念引入下节细胞膜成分和结构的学习 为什么冷水浸泡苋菜，溶液颜色不变，而开水浸泡或煮苋菜，溶液颜色变红？ 细胞膜由什么物质组成？具有怎样的结构？高温为什么会使其失去活性？ 让我们回到19世纪，重温科学家对细胞膜的探索之旅。 利用细胞膜功能知识回答。 引发学生对下节课内容的学习兴趣，为下节课内容作铺垫。
学习活动三：对细胞膜成分的探索。 【分析资料，回答问题】 创设情境，给出科学家对细胞膜成分探究历程的素材，利用问题串的形式引导学生思考问题。 阅读给出的情境材料“科学家对细胞膜成分探索”的历程，讨论回答老师提出的一系列问题。 结合科学史资料和相关问题，引导学生分析得出，组成细胞膜的成分。
学习活动三：对细胞膜成分的探索。 分析细胞膜成分的科学探究历程思考并讨论问题概述，组成细胞膜的成分。 【观察与实证1】1895年，欧文顿选用500多种化学物质对植物细胞膜的通透性进行上万次的实验。发现：发现脂溶性物质易透过细胞膜，不溶于脂质的物质，透过细胞膜十分困难，并且细胞膜很容易被脂溶性溶剂溶解。 1897年，柯利钦（Crijins）和赫定（Hedin）用红细胞做实验，证明分子通过细胞膜的通透性与其在脂质中的溶解度有关，且溶解度越大越容易通过。 【观察与实证2】1935年，丹尼利和戴维森研究细胞膜张力，发现细胞的表面张力明显低于油-水界面的表面张力。当时人们已经发现油脂表面如果附有蛋白质成分，则表面张力会降低。 问题1：根据以上资料，你能推测出构成细胞膜有哪些化合物构成？这是通过对现象的推理分析，还是通过对膜成分的提取与检测？如何证明这种推测成立？ 【观察与实证3】20世纪初，科学家第1次将细胞膜从红细胞中分离出来，并且发现细胞膜会被溶解脂质的溶剂溶解，也会被蛋白酶分解。 回答1：可推测出细胞膜由脂质和蛋白质构成。这只是推理分析，还需要实验验证。 帮助学生感知科学探究过程，在资料分析中训练学生的科学思维和科学探究能力。
细胞膜成分归纳 为了进一步确定细胞膜中脂质成分的类型，科学家利用动物的卵细胞、红细胞、神经细胞等作为研究材料，并利用哺乳动物的红细胞，制备出纯净的细胞膜，进行化学分析，得知组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。 补充资料：科学家测定了不同细胞的细胞膜化学组成如下表： 问题2：细胞膜成分主要由哪些物质组成？细胞膜功能的复杂性与什么物质有关？ 回答2：细胞膜成分主要由蛋白质（50%）和脂质（40%）以及少量的糖类组成。细胞膜功能的复杂性与蛋白质的种类和数量有关。 训练学生的归纳总结能力，落实细胞膜的成分组成。
了解磷脂分子的结构特点 【资料】磷脂分子是一种由甘油，2条脂肪酸链和磷酸基团所组成的分子（见下图）。脂肪酸分子有长长的碳氢链，具有亲脂性，所以仅溶于脂溶性溶剂（例如汽油、苯等），而不溶于水。磷酸分子则溶于水，具有亲水性，所以磷脂分子是一端亲水一端亲脂的两性分子。通常亲水的一端称为头部，亲脂的一端称为尾部。 问题3：磷脂分子在细胞膜中是怎排布的？ 观察图片，了解磷脂分子的结构特点。 引出对细胞膜结构的探索。
学习活动四：对细胞膜结构的探索 通过资料分析，沿着科学的探索的历程，推导磷脂分子在细胞膜上的排布。 【观察与实证4】1917年，科学家朗缪尔(Langmuir)将磷脂溶于苯和水中，当苯挥发完以后，磷脂分子分布散乱，经过推挤，磷脂在空气-水界面上，磷脂分子排成了单层。 问题4：请你想象一下经过推挤后的磷脂分子在水中是怎样排布的？将你推测的磷脂分子排布画在下图。 推测：如果搅动水槽中的水，迫使磷脂分子进入水溶液中，磷脂分子在水溶液中又将如何分布？ 通过了解磷脂分子结构结合资料思考，画图： 结合科学史实验，培养学生的科学思维以及科学探究能力。
学习活动四：对细胞膜结构的探索 通过资料分析，沿着科学的探索的历程，推导磷脂分子在细胞膜上的排布。 【分析资料，建立模型】 【观察与实证5】1925年，两位荷兰科学家戈特(E. Goner)和格伦德尔(F. Grendel)用丙酮从人的红细胞膜中提取脂质，在空气—水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰好为红细胞表面积的2倍。 问题5：根据实证5你能得出什么推论？细胞内液和细胞外液都主要是以水为溶剂的液体环境，请你推测磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的？请画在下图。 结合资料思考，画图： 结合科学史实验，培养学生的科学思维以及科学探究能力。
学习活动四：对细胞膜结构的探索 分析资料，建立模型】 【观察与实证6】1935年，英国科学家丹尼利(J. F. Danielli)和戴维森(H. Davson)研究了细胞膜的张力，发现细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力。已知脂滴表面如吸附有蛋白成分则表面张力会降低，因此他们推测，细胞膜中可能还附有蛋白质。
学习活动四：对细胞膜结构的探索 通过资料分析，沿着科学的探索的历程，推导膜上蛋白质的位置，不断的修正细胞膜的结构模型。 【观察与实证7】20世纪50年代，电子显微镜诞生。1959年，罗伯特森(J. D. Robertson)用透射电镜获得了清晰的细胞膜照片，显示的暗—亮—暗的三层结构，电子显微镜是用电子束来照射被检样品，由于样品不同部位本身组成物质的构成不同，入射电子与蛋白质和磷脂不同的原子发生碰撞，对电子有不同的散射像。蛋白质的电子密度高，显微发暗，磷脂分子的电子密度低，发亮。 问题6：根据实证6、7推测蛋白质可能排布的位置是什么？与本小组同学合作利用磁贴构建细胞膜的模型。 追问：这样的“三明治”模型合理吗？ 小组合作讨论，根据资料，用教学用具动手构建出罗伯特森提出的“单位膜”模型。 结合科学史实验，培养学生的科学思维以及科学探究能力。 让学生通过分析资料和亲自动手一步步的建立模型。
学习活动四：对细胞膜结构的探索 【分析资料，建立模型】 【观察与实证8】电子显微镜下，细胞膜的厚度约为7~8nm，是单层磷脂厚度的两倍，如果两侧加上的蛋白质，膜的总厚度应当超过 20 nm。 人工合成的不含蛋白质的脂双层也呈现为“暗-亮-暗”结构。 思考分析，根据新的资料和事实，与前面建立的模型产生的矛盾。 培养学生基于事实证据进行推理的能力及敢于质疑的科学品质。
学习活动四：对细胞膜结构的探索 通过资料分析，沿着科学的探索的历程，推导膜上蛋白质的位置。 【观察与实证9】科学家研究发现，有些膜蛋白的特定区域主要由疏水氨基酸组成，这些区域很可能与脂双层的疏水区域结合，造成这些部分会深深插入膜的内部。 1966年，科学家利用电镜冷冻蚀刻技术(冷冻断裂法）发现双层脂质分子间存在膜蛋白颗粒。 问题7：根据实证8、9、10如何修正细胞膜上蛋白质的位置？请小组合作用磁贴构建上述细胞膜的模型。 思考分析，根据新的资料和事实，与前面建立的模型产生的矛盾。根据资料推导出蛋白质可能分布的位置，利用教学用具，修正细胞膜的模型。 培养学生基于事实证据进行推理的能力及敢于质疑的科学品质。 形成结构决定功能的观念。
学习活动五：概括细胞膜流动镶嵌模型的主要内容和特点 20世纪60年代后，人们提出质疑： 如果细胞膜是静态的，无法实现细胞膜的功能，也无法解释细胞的生长、变形虫的变形运动等现象。 播放受精卵分裂，变形虫的变形运动视频。 【观察与实证10】1970年，细胞融合实验。 观看视频，从事实直观感受细胞膜并不是静态的。 据实验现象推导膜上的蛋白质位置发生了改变，证明膜上蛋白质发生了运动或者某些物质的运动改变了蛋白质的位置，推出细胞膜具有流动性。 分析实验现象，推导出膜上的物质并不是静态的，而是可以运动的。 进一步培养学生结构功能观。
学习活动五：归纳概括细胞膜流动镶嵌模型的主要内容和特点。 【观察与实证11】1972年，桑格(S. J. Singer)和尼克森(G. Nicolson)根据细胞融合荧光技术、冰冻蚀刻技术等研究结果，在蛋白质-脂质-蛋白质 “单位膜”模型的基础上提出 “流动镶嵌模型”。 【归纳概括】引导学生归纳概括细胞膜流动镶嵌模型的主要内容和特点。 归纳概括： 1、细胞膜的组成：主要由磷脂分子和蛋白质分子构成，含少量的糖类 2、细胞膜的基本支架：磷脂双分子层3、蛋白质的存在形式：镶在表面、部分或全部嵌入、贯穿——物质运输4.细胞膜表面糖被：与细胞表面识别、细胞间的信息传递等有密切关系。 培养学生归纳概括能力，将所学的知识形成概念，落实知识点。
回顾细胞膜成分和结构的探索过程，归纳科学研究过程的科学方法。 生物膜的流动镶嵌模型是否已经完美无缺？ 2003年度诺贝尔化学奖授予两名研究细胞膜的美国科学家阿格雷和麦金农。以表彰他们在细胞膜物质运输的通道方面所做的贡献。 流动镶嵌模型还在不断发展中…… 分析生物膜模型的建立和完善过程，你有哪些启示 回顾本节课对细胞膜成分和结构的推导过程，总结出科学的探索过程可以进行大胆假设再小心求证，可以利用“提出假说”、“构建模型”等科学方法研究新的事物。 回顾本节课对细胞膜成分和结构的推导过程，逐步形成科学在质疑与创新中不断发展的观念。
学习活动六：拓展延伸 利用细胞膜成分和结构特点知识解释和解决生活中实际的问题。 解决问题1：胰岛素可通过增加细胞膜上的相关蛋白质活性，加快葡萄糖进入组织细胞，从而治疗糖尿病。 细胞膜在此过程中的作用是什么？细胞膜的哪些功能异常会导致出现糖尿病？如何预防糖尿病？关于糖尿病的治疗你有什么思路？ 解决问题2：右下图是由磷脂分子构成的脂质体，它可以作为药物的运载体，将其运送到特定的细胞发挥作用。有一种水溶性抗癌药物多柔比星，如果直接注射它在消灭癌细胞的同时也会损伤正常的细胞。如果用脂质体作为药壳包裹药物，把这种药物埋藏在脂质体什么位置比较合理？为什么？如果是脂溶性的药物呢？ 脂质体表面的抗体可以与癌细胞表面的抗原特异性结合，这样可以把药物定向的运输到癌细胞发挥作用。嵌入抗体在结构上应有哪些特点才能在脂质体上稳定存在并能发挥作用？ 请推测：脂质体到达细胞后，药物将如何进入细胞内发挥作用？ 联系所学知识思考，提出治疗糖尿病可能的思路。 思考并回答： 药物埋藏在脂质体的位置及原因。 嵌入抗体结构特点及原因。 利用细胞膜结构具有一定的流动性的特点，推测脂质体到达细胞后进入的方式。 学会运用知识解释和解决生活中实际的问题，培养社会责任意识。 加深对知识的理解。
【板书设计】
【教学评价与反思】
本节课能把握学科核心素养，将核心素养渗透在教学过程之中，将细胞膜成分及结构的科学探索历程转化为探究教学的情境，通过问题导学、实验分析的方式，使学生领悟“提出假说”、“构建模型”科学研究方法，引导学生基于证据进行推理论证，促进学生质疑与创新，综合发展学生的科学思维和科学探究素养。在学习过程中让学生亲自动手利用教学用具一步步的建立细胞膜的流动镶嵌模型，化抽象为具体，及时反馈和评价学生的学习效果。引导学生利用流动镶嵌模型解释细胞膜的功能，促进对“结构与功能相适应”的理解。最后，通过分析糖尿病病因、脂质体药物等进行拓展延伸，体会如何利用理论知识解决现实问题，培养社会责任意识。
【参考文献】
1.《普通高中生物学课程标准》（2017版2020年修订）[M], 人民教育出版社，2020年版
2.《普通高中教科书 教师教学用书 生物学 必修1 分子与细胞》，人民教育出版社课程教材研究所生物课程教材研究开发中心 ，2019年版。

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