變形蟲的模型構(gòu)建

變形蟲的模型構(gòu)建

1流動(dòng)鑲嵌模型理論與實(shí)踐本節(jié)是高中生物課程1的接口，第4章。本文內(nèi)容包括科學(xué)家對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索過程和流動(dòng)鑲嵌模型的基本結(jié)構(gòu)。流動(dòng)鑲嵌模型是教學(xué)重點(diǎn),難點(diǎn)是探討建立生物膜模型的過程如何體現(xiàn)結(jié)構(gòu)適應(yīng)功能的觀點(diǎn)。本節(jié)通過“成分——結(jié)構(gòu)——功能”這條主線與其前后2節(jié)以及第3章第1節(jié)緊密聯(lián)系,并在這4節(jié)內(nèi)容中居于樞紐地位。2對(duì)模型構(gòu)建的認(rèn)識(shí)教學(xué)要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容。學(xué)生一方面對(duì)流動(dòng)鑲嵌模型的構(gòu)建過程和基本內(nèi)容要有一定了解;另一方面對(duì)于模型構(gòu)建中的邏輯推理、技術(shù)進(jìn)步的作用、科學(xué)家提出假說的思維方法、結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn),認(rèn)識(shí)上還比較模糊,需要教師進(jìn)行梳理提煉。此外,學(xué)生對(duì)流動(dòng)鑲嵌模型蘊(yùn)含的流動(dòng)美和鑲嵌美還缺乏感受,值得教師加以凸顯。3教育的目3.1知識(shí)目標(biāo)3.2績效目標(biāo)(1)分析研究史料,鍛煉邏輯推理能力。(2)提煉提出假說(模型)的思維方法。3.3結(jié)構(gòu)的適應(yīng)功能(1)討論實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步對(duì)生物膜研究所起的作用。(2)討論建立結(jié)構(gòu)模型過程中結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)功能。(3)體驗(yàn)生物膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)美和鑲嵌美。4教育方法課前自主預(yù)習(xí);多媒體輔助單元式教學(xué);小組討論合作學(xué)習(xí)。5教育實(shí)施5.1知識(shí)的探索—“變形蟲告訴我們”播放一段“變形蟲運(yùn)動(dòng)”的視頻,通過觀察有趣的變形運(yùn)動(dòng),學(xué)生在興趣盎然中直觀到細(xì)胞膜的流動(dòng)。提請(qǐng)學(xué)生注意觀察:該視頻中變形蟲的旁邊有一個(gè)明顯的物質(zhì)顆粒,它在變形蟲向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,最后有沒有通過變形蟲的表膜(細(xì)胞膜)進(jìn)入細(xì)胞?變形蟲要生活,必須與環(huán)境進(jìn)行營養(yǎng)和廢物的交換,細(xì)胞膜怎么能控制物質(zhì)的進(jìn)出呢?而氣球(隨手出示)能做到這些嗎?學(xué)生已初具結(jié)構(gòu)決定功能的思想,不難猜測(cè)這與膜的材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)系。那么細(xì)胞膜是由什么材料構(gòu)成,又具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢?借此一問,有效激起學(xué)生探究的欲望,由此進(jìn)入新課教學(xué),并用PPT展示本節(jié)具體學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)生通過課前預(yù)習(xí),已對(duì)科學(xué)家構(gòu)建生物膜模型和流動(dòng)鑲嵌模型基本內(nèi)容有初步了解。教師通過投影表1,檢查預(yù)習(xí)成果。在此基礎(chǔ)上筆者針對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探究歷程構(gòu)建了4個(gè)主題教學(xué)單元,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了如下探索。5.2直接到間接的學(xué)習(xí)1)邏輯推理和實(shí)驗(yàn)觀察。(1)主要通過推理得出結(jié)論的實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力是教師肩負(fù)的重要職責(zé),需要教師善于挖掘素材、捕捉時(shí)機(jī)。表1中哪些實(shí)驗(yàn)結(jié)論是主要通過推理得出的?學(xué)生瀏覽課文,討論答出主要通過推理得出結(jié)論的實(shí)驗(yàn)有:歐文頓和2位荷蘭科學(xué)家的有關(guān)實(shí)驗(yàn)(教師投影圖1、圖2)。歐文頓是怎樣推理出“膜是由脂質(zhì)組成的”?學(xué)生通過閱讀討論認(rèn)識(shí)到,歐文頓先是歸納了正反2方面的事例:凡是可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)都容易通過細(xì)胞膜,凡是難以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)都不容易通過細(xì)胞膜。然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較才得出結(jié)論的。教師指出:這種推理屬于歸納推理,將“500多種、上萬次”這有限的事例推向無限,是一種不完全的歸納推理,因此結(jié)論有時(shí)不一定正確。2位荷蘭科學(xué)家通過紅細(xì)胞膜脂質(zhì)展層實(shí)驗(yàn)得出“細(xì)胞膜中的脂質(zhì)分子必然排列為連續(xù)的2層”,這又是運(yùn)用了什么推理?學(xué)生不難得出這是根據(jù)脂單層和細(xì)胞膜面積大小關(guān)系進(jìn)行的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)推理。教師講述:已知細(xì)胞膜內(nèi)外都是水環(huán)境,細(xì)胞膜縱切面可以視為圓形。你能根據(jù)單層脂質(zhì)分子在水—空氣界面的排列狀況(如圖2),想象出脂雙層在細(xì)胞膜中的排列狀況嗎?學(xué)生討論,畫圖展示,同時(shí)培養(yǎng)了觀察、想象、合作和動(dòng)手能力。(2)主要通過觀察直接得出結(jié)論的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀察是科學(xué)探究必不可少的基本要素。學(xué)生說出主要通過觀察直接得出結(jié)論的實(shí)驗(yàn)有:羅伯特森用電鏡觀察細(xì)胞膜的實(shí)驗(yàn)(教師投影),熒光標(biāo)記人—鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)(投影)。教師精講:電子顯微鏡是用電子束照射樣品成像的。細(xì)胞膜材料經(jīng)特殊處理,放在電鏡下觀察:蛋白質(zhì)電子密度較高,在電鏡下成像較暗;而脂質(zhì)分子電子密度較低,成像較亮,從而能顯示蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分子在膜中的分布。教師通過提供知識(shí)的腳手架引導(dǎo)學(xué)生得出電鏡下細(xì)胞膜中間的亮層和2邊的暗層各是什么分子?熒光標(biāo)記細(xì)胞融合技術(shù)是先將熒光染料與抗體蛋白結(jié)合,抗體又能與細(xì)胞膜表面的抗原蛋白質(zhì)分子特異性結(jié)合,這樣就能用不同顏色的熒光染料標(biāo)記細(xì)胞膜表面的蛋白質(zhì)分子了。不同物種的細(xì)胞在一定條件下能夠融合。因此,人—鼠融合細(xì)胞表面熒光標(biāo)記的移動(dòng)就能顯示細(xì)胞膜中的什么分子是運(yùn)動(dòng)的。教師補(bǔ)充:科學(xué)家還認(rèn)識(shí)到,膜中的脂質(zhì)分子也是運(yùn)動(dòng)的(投影圖3)?？茖W(xué)家認(rèn)識(shí)生物膜的結(jié)構(gòu),早期多依靠科學(xué)推理,后來多通過直接觀察。你覺得這是什么原因?對(duì)你有什么啟示?讓學(xué)生充分討論發(fā)言。教師總結(jié):邏輯推理和實(shí)驗(yàn)觀察是科學(xué)發(fā)展的2個(gè)車輪。觀察認(rèn)識(shí)能力不足時(shí),邏輯推理予以彌補(bǔ),幫助人們洞察未知的世界。接著再問:早期在對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索過程中,依據(jù)科學(xué)推理和實(shí)驗(yàn)觀察,科學(xué)家提出過哪些重要的結(jié)構(gòu)模型?觀點(diǎn)有什么異同?引導(dǎo)學(xué)生比較單位膜模型和流動(dòng)鑲嵌模型的異同(教師投影表2),進(jìn)行知識(shí)梳理。2)技術(shù)進(jìn)步的作用。步步為營,設(shè)置問題串:(1)歐文頓研究膜的成分當(dāng)初為什么不直接提取細(xì)胞膜進(jìn)行成分鑒定?(2)20世紀(jì)40年代就有學(xué)者推測(cè)脂質(zhì)2邊各覆蓋著蛋白質(zhì)。為什么直到1959年才由羅伯特森提出相應(yīng)的單位膜模型?(3)羅伯特森在電鏡下為什么觀察不到膜蛋白的鑲嵌分布呢?(4)單位膜模型從1959年提出后人們就質(zhì)疑“膜是靜態(tài)的”觀點(diǎn)。為什么直到1972年才由桑格和尼克森提出流動(dòng)鑲嵌模型予以修正?引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)技術(shù)進(jìn)步的重要作用。其間適時(shí)補(bǔ)充講解細(xì)胞膜冰凍蝕刻技術(shù):科學(xué)家先用干冰或液氮冰凍細(xì)胞膜,后用冷凍的玻璃刀將膜快速劃出裂口。此時(shí)膜容易沿脂雙層中間疏水端斷開,升高溫度使冰升華,暴露出膜的斷裂面,再經(jīng)特殊處理后用電鏡觀察(投影圖4)。學(xué)生充分討論發(fā)言后教師總結(jié)并投影:(1)細(xì)胞膜提取分離技術(shù)的限制使早期對(duì)生物膜的研究只能從功能入手;(2)電子顯微鏡的發(fā)明使人們方可清楚地看見細(xì)胞膜;(3)冰凍蝕刻和熒光標(biāo)記細(xì)胞融合技術(shù)徹底推翻羅伯特森提出的錯(cuò)誤模型?？梢?技術(shù)的進(jìn)步拓展了人的認(rèn)識(shí)能力,從而推動(dòng)科學(xué)向前發(fā)展。3)結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)。問題串引導(dǎo):(1)羅伯特森的單位膜模型一經(jīng)提出就受到人們廣泛質(zhì)疑。這是為什么?(2)這些質(zhì)疑是基于怎樣的生物學(xué)思想?引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)“結(jié)構(gòu)要適應(yīng)功能”的思想主線始終引領(lǐng)貫穿著科學(xué)家的研究活動(dòng)。設(shè)疑及引申:單位膜模型對(duì)于“結(jié)構(gòu)適應(yīng)功能”的思想沒有任何體現(xiàn)嗎?學(xué)生經(jīng)過反思討論認(rèn)識(shí)到這一思想有所體現(xiàn)。例如,單位膜模型認(rèn)為膜支架是由脂雙層構(gòu)成,就能解釋為什么脂溶性物質(zhì)比非脂溶性物質(zhì)容易通過細(xì)胞膜。教師進(jìn)一步提問:水和脂質(zhì)是不親和的,根據(jù)水的脂溶性推算,水分子應(yīng)該很難通過細(xì)胞膜,但事實(shí)上水分子卻能通過細(xì)胞膜快速擴(kuò)散。本著結(jié)構(gòu)適應(yīng)功能的思想,這又該如何解釋呢?在學(xué)生的猜測(cè)、惶惑中教師指出從課本第74頁“授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的通道蛋白研究”中或許可以獲得答案,引起學(xué)生課外閱讀、一探究竟的興趣。問題串總結(jié):(1)單位膜模型難以解釋細(xì)胞膜具有彈性,流動(dòng)鑲嵌模型能解釋嗎?(2)細(xì)胞膜還具有細(xì)胞間的信息交流功能。這能從流動(dòng)鑲嵌模型得到解釋嗎?請(qǐng)閱讀課本第68頁的楷體字內(nèi)容。(3)概括細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)是如何適應(yīng)其功能的。學(xué)生討論后發(fā)言。教師總結(jié)并投影:(1)膜的選擇透過性功能由膜的脂雙層和蛋白質(zhì)共同決定;(2)膜的彈性和融合功能由膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性和統(tǒng)一性來決定;(3)膜的識(shí)別功能由膜表面的糖蛋白來解釋。4)假說的提出與修正。設(shè)置問題串:(1)歐文頓假說源于對(duì)什么問題的探索?(探索膜成分)這一假說是怎樣提出的?(實(shí)驗(yàn)、推理,也有想象:歐文頓當(dāng)初就曾將細(xì)胞膜想象成粘稠的溶劑)(2)羅伯特森的單位膜模型或假說是怎樣被修正的?(經(jīng)過事實(shí)和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn))(4)生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型是否已完美無缺?(還會(huì)在研究中不斷被修正和發(fā)展)教師總結(jié)假說的提出和驗(yàn)證如下:5.3模型制作和展示1)教師出示自制生物膜實(shí)物模型(圖6),請(qǐng)學(xué)生根據(jù)流動(dòng)鑲嵌模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師結(jié)合學(xué)生的回答(能基本反映膜的主要分子組成和蛋白質(zhì)的分布特點(diǎn),能通過擠壓氣球和旋轉(zhuǎn)玩偶筆套體現(xiàn)膜的流動(dòng)性,但脂質(zhì)是單層的,缺少糖被),板書流動(dòng)鑲嵌模型的內(nèi)容要點(diǎn)。突出本節(jié)知識(shí)重點(diǎn),落實(shí)知識(shí)目標(biāo)。2)討論模型制作:你能利用日常用品,親手制作1個(gè)生物膜流動(dòng)鑲嵌模型嗎?從科學(xué)性(真)、經(jīng)濟(jì)性(節(jié)約、廢物利用:善)和藝術(shù)性(美)等3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)審,看看誰的“心更靈,手更巧”?學(xué)生討論制作方案,課后實(shí)施。教師參與其中一個(gè)小組的討論。請(qǐng)另外一個(gè)小組代表說明本組討論的方案。請(qǐng)學(xué)生把自己想象成一個(gè)磷脂分子,頭和頭部以下分別代表磷脂的頭和尾。請(qǐng)學(xué)生都從座位上站起來,代表生物膜的脂單層,想象著是站在能形成倒影的鏡面上。怎樣活動(dòng),才能體現(xiàn)生物膜的流動(dòng)美?拿出手中的氣球,想想該如何放置,才能體現(xiàn)生物膜的鑲嵌美?將學(xué)生分成3組,每組單獨(dú)表演,其他2組觀看,展開競(jìng)賽,