学习科学史,像科学家一样认识“细胞膜”

1、教材分析和设计思路

细胞膜的学习是高一生物教材中第一个关于对细胞结构进行认知的内容。经过初中三年级一学年生物的学习停滞期，多数学生觉得进入高中后生物学习有点困难。通过本节科学史介绍，要让学生知道，科学发展历经了艰难的过程。通过科学史介绍，引导学生像科学家一样思考。

2、课前准备

收集教学资料，学生分组用来贴磁片的铁盘，自制的磁性磷脂分子若干，代表蛋白质的磁片若干（颜色最好异于磷脂分子），代表多糖的磁块

3、教学目标：通过科学史介绍让学生体验科学发展过程；培养学生探索真理的科学方法和认真对待科学实验的态度；提高学生分析实验现象的能力。

4、教学过程

设疑引入

科学家对细胞的认识是一个逐步发展的过程。在光学显微镜下很难看清楚细胞膜，只有用电子显微镜才能看得清楚。其实，在科学家用电子显微镜清晰地观察到细胞膜之前，已经能够确定细胞膜的存在了。今天我们要像科学家一样逐步认识细胞膜的结构。

物质的结构，实际是指其组成成分之间的组合形式。所以要弄清楚细胞膜的结构，首先得弄清楚其组成成分是什么。下面我们通过对科学实验资料的学习来了解科学家是怎样一步步认识细胞膜的。

资料一：

时间：1895年

人物：欧文顿（E.Overton）

相关实验：用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，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，比不溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

请同学们思考，从这个实验，你能得出什么结论？

学生：膜是由脂质组成的。

资料二：

时间：20世纪初

实验：科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来。发现细胞不但会被溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶（能专一地分解蛋白质的物质）分解。

老师：请回忆为何选用哺乳动物的红细胞？从这个资料我们能得出什么结论？

学生：选用哺乳动物的红细胞是因为哺乳动物红细胞中没有细胞核和复杂的细胞器。得出的结论是――细胞膜是由脂质和蛋白质组成的。

组成细胞膜的磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。磷脂分子放在水中，在空气和水的界面上磷脂分子如何排布呢？（在黑板上画一个烧杯，用一道线表示水和空气的界面）请同学们尝试用带有磁吸的磷脂分子模型摆一摆磷脂分子可能的分布情况。学生四个人为一组，在铁盘中尝试。（ 老师指导学生，要求模型满足亲水性头部在水面上，而磷脂分子疏水性的尾部朝向空气，形成一层磷脂分子层。对各组模型进行鼓励性评价。）

待学生掌握磷脂分子在水和空气界面的基本排布之后，请学生深入思考：如果对空气和水界面上铺展的磷脂单分子层进行搅拌，部分磷脂分子浸在水中，一段时间等待磷脂分子稳定，在水中的磷脂分子会如何分布？

学生思考，引导鼓励学生通过摆模型形成由磷脂分子重新结合形成的头部朝外、尾部朝内的球形结构，或者是由外向内依次为头―尾―尾―头的双层磷脂分子组成的球形结构，主要区别是第一种球形结构内部为疏水性质，第二种结构内部为亲水性质。

引导学生设疑：哪种结构更符合细胞膜的特点呢？怎样设计相关实验来验证你的猜想？

资料三：

时间：1925年

人物：荷兰科学家戈特和格伦德尔

相关实验：用丙酮从红细胞中抽提出脂质，在空气―水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的两倍。

老师：根据这个现象，你能得出什么结论？

学生：细胞膜由双层脂质分子组成

回到学生刚才建构的两种球形结构，第二种基本符合“单分子层的面积恰为红细胞表面积的两倍”的要求，同时这种结构满足细胞内外都是水溶液环境的特点。即，构成细胞膜的外层磷脂分子的亲水性头部向着细胞外，同时细胞膜内侧的那层磷脂分子的亲水性头部向着细胞内部环境。

引导学生设疑：磷脂分子的排布已经确定，那么蛋白质分子怎样排布呢？

资料四：

时间：1959年

人物：罗伯特森（J.D.Robertsen）

实验：在电镜下看到细胞膜清晰的暗―亮―暗的三层结构。

提示信息――电子束照射大分子物质散射度高，黑暗；照射小分子物质，散射度低，光亮。

引导学生思考提示信息的引申含义，即蛋白质是大分子物质，磷脂分子是小分子物质，电镜下看到的暗带是蛋白质，而光亮处是磷脂分子。由此得出，在磷脂分子的两侧可能存在蛋白质。

此时，请学生在已经排好磷脂分子的铁盘上加上蛋白质，模拟“暗―亮―暗”的结构。鼓励学生作为科学家提出可能性假说――细胞膜是由“蛋白质―脂质―蛋白质”的三层结构构成的统一结构。

作为老师指出，当时这个假说被称为“三明治”模型，它强调的内容有：①该结构为静态的结构；②蛋白质分布在膜的两侧。

这种假说真的成立吗？你对这个假说有何质疑呢？（学生可能提出膜的结构可能不是静止的等）老师给学生敢于质疑的精神以肯定性评价。同时指出，这个模型确实有问题。

资料五：

时间：20世纪50年代

人物：生物学家罗伯特森

实验及结论：借助透射电子显微镜，他发现细胞膜的厚度仅为7―8nm，而“三明治”模型厚度有20nm，所以三明治模型被否定。

进入下一资料学习，蛋白质在磷脂分子中的分布在60年代得到了新的论证。

资料六：

时间：20世纪60年代

实验：通过冰冻蚀刻电子显微法，将标本用干冰等冰冻，后用冷刀断开，升温后暴露断裂面，发现蛋白质在膜中的分布是不对称的。

经过整理得出结论：蛋白质镶在、嵌入、横跨磷脂双分子层中。请同学们调整铁盘中的磁片，整理铁盘中代表蛋白质的磁块分布的位置。它们贯穿、嵌插或者覆盖在磷脂分子上。

到了1970年，科学家通过实验证明细胞膜真的不是静止的。展示变形虫吞噬食物颗粒的动画，让学生形成对细胞膜可流动的感性认识。指导学生看书，完成人、鼠细胞融合实验的自学，完成表格：（表格右侧栏目为学生看书完成的自主学习内容）

关于细胞膜结构的补充――后来科学家研究发现在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与多糖结合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被只分布在细胞膜的外侧。有些多糖与磷脂分子结合形成糖脂。其中糖蛋白的作用：1有保护和作用，2与细胞膜表面的识别有密切关系。要求学生在自己的铁盘中再摆一摆糖蛋白的结构，表示对细胞膜结构的完整理解，摆糖蛋白时，要注意糖蛋白只能在细胞膜外侧。

对于细胞膜的认识，科学家花了一个多世纪的时间。人类对科学的探索永远不会停下脚步。如果是你，专攻细胞膜研究，你会去研究什么？2003诺贝尔生理学奖颁给了基于细胞膜上通道蛋白的发现者。对于细胞膜未来的发展方向，希望大家积极关注。

引导学生思考：我们今天所学的实验都是对研究细胞膜有重大影响的经典实验。从这些实验过程中，你有哪些启示？

学生：每一次结论的得出都离不开科学实验；根据要求科学地设计实验才能一步步靠近真理；根据现象科学地分析实验并给出结论很重要；敢于质疑，更要敢于有根据地质疑；科学的一小步需要科学家的不懈努力；生物科学的发展依赖于物理和化学的发展，比如说投射电子显微镜的发明，同位素标记技术的使用等。

课堂练习。

5、教后反思

5.1科学史的介绍让学科知识更形象，更具有生命化。区别于讲授知识中的“拿来主义”，科学史的学习是更加接地气的学习方式，通过学习培养学生实事求是的态度，培养学生敢于怀疑、敢于求真、敢于创新的科学精神。通过科学史的学习，让学生明白世界是可知的，提高学生关注科技发展对社会生活影响的学科素养，提高学生可持续学习的科学素养。

5.2引发学生积极思维。在学习过程中让学生了解到，提出问题是一种能力，面对现象得出结论同样重要。科学史教学就是科学的再发现过程，引导学生结合已经具备的知识先进行力所能及的探究，再感悟科学家的成功之路，会让学生获得更多的成就感。面对每一个实验发现史的学习，教学生从科学现象中抓住关键点，得出确切的结论。或者根据已经的实验数据和结论，怎样进一步进行探究，以此让学生深度思维。

5.3引导学生正确面对错误。在本节教学中，学生可能出现的问题是如何正确地根据实验现象像科学家一样猜测与膜有关的内容。为了便于学生学习，我采用了物理模型搭建的方法，让学生直观地呈现实验结论。也就是用磁块拼出膜的结构。学生建构过程中，出现了错误，但是在结合科学资料的现象后都能做出正确的修正。对于三明治模型的学习，学生也能体会到，即使科学家也可能出现暂时的错误，关键是怎样质疑，如何修正。

5.4培育走向未来的学生。对科学史的学习是学习历史，瞻顾未来。学生从这些既定的科学知识背后学到的是科学家的思维方法，敢于质疑的勇气，面对困难时不懈的科研精神，以及在科研过程中若干人员的通力合作。我们的学生是走向未来的学生，他们从科学史中汲取的正能量是一笔宝贵的精神财富。希望学生通过学习，身上或多或少具备执着的研究精神。