3.1细胞膜的功能和成分教学设计-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第1课时 细胞膜的结构和功能 目标素养 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．分析对细胞膜成分的探索历程，认同科学理论的建立是一个不断修正和发展的过程。 重点难点 重点 细胞膜的功能。 难点 1．细胞膜作为系统的边界所具有的功能。 2．对细胞膜成分的探索。 教学准备 教师准备 1．制作课件。 2．磷脂分子模式图的磁吸片。 学生准备 1．复习脂质的相关知识。 2．预习，了解细胞膜的功能。 导入新课 导入一：复习导入 教师 我们在第1章学习了细胞是基本的生命系统，它可以独立完成很复杂的生命活动；在第2章学习了组成细胞的分子。然而，将细胞中所有的物质放在一起，它们并不能进行任何生命活动。可见细胞是一部精密的机器，组成细胞的分子必须有序地构成细胞的结构，才能帮助细胞完成各项生命活动。 布莱森在《万物简史》中有这样的描述：“每个细胞都是自然界的一个奇迹。即便是最简单的细胞，其构造的精巧程度也是人类的智慧难以企及的。” 今天我们就从系统的边界-细胞膜开始，来认识细胞的结构吧。 导入二：类比法导入 一个国家有陆地、海域、领空的边界；使人体内部与外界分隔的皮肤和黏膜，是人体的边界。系统的边界对系统的稳定至关重要。细胞作为一个基本的生命系统，它的边界就是细胞膜，也叫质膜。 细胞膜是一层很薄的结构，厚度只有7～10nm，在光学显微镜下很难辨识它的真面目。如果我们将1万层细胞膜堆叠起来，才只有教材的一页纸那么厚。但是，正是这样的细胞膜，帮助细胞成为一个相对独立的系统，维持细胞内部环境的相对稳定。细胞膜是如何实现这个功能的呢？它又是由什么物质组成的？让我们带着这一系列的问题，一起来学习细胞膜的功能和成分吧。 教学过程 环节一：细胞膜的功能 教师 课件出示资料及相关图片： 资料1 科学家用显微注射器将一种叫作伊红的物质注入变形虫体内，伊红很快扩散到整个细胞，却不能逸出细胞。 学生 阅读资料，观察图片，思考伊红为什么不会逸出细胞，感受变形虫细胞最外层存在一个边界，将细胞与外界环境分隔开。 1．作为边界，细胞膜的分隔作用具有什么意义？ 提示：细胞膜将细胞与外界环境分隔开，可以维持系统的相对独立，保障细胞内部环境的相对稳定。 2．植物细胞细胞膜的外侧有细胞壁，细胞壁是系统的边界吗？ 提示：植物细胞的边界也是细胞膜，不是细胞壁，因为细胞壁是全透性的，不能保障细胞内部环境的相对稳定。 讲解：在生命起源的过程中，原始海洋中的有机物逐渐聚集并且相互作用，进化出原始的生命。在原始海洋中，膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段，为原始细胞的产生奠定了基础。 课件出示资料及相关图片： 资料2 科研上鉴别死细胞和活细胞，常用“染色排除法”。例如，用台盼蓝染液染色，死的动物细胞会被染成蓝色，而活的动物细胞不着色。 学生 阅读资料，观察图片，思考台盼蓝染色法鉴别死细胞和活细胞的原理。 1．为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？ 提示：活细胞的细胞膜具有选择透过性，台盼蓝是细胞不需要的物质，不易通过细胞膜，因此活细胞不能被染色。死细胞的细胞膜失去控制物质进出细胞的功能，台盼蓝能通过细胞膜进入细胞，因此死细胞能被染色。 2．据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？ 提示：具有控制物质进出细胞的功能。 教师 引导学生列举哪些物质可以通过细胞膜进出人体细胞。 提示： （1）O2、营养物质可以进入细胞。 （2）CO2等代谢废物可以出细胞。 （3）细胞产物如激素、消化酶、抗体等可以出细胞。 （4）某些病菌、病毒等可以入侵人体细胞，某些有害的物质也可以进入细胞。 总结：以上实例说明细胞膜有控制物质进出细胞的功能，但控制作用是相对的。 偶有所得 教师 提问：细胞膜具有的控制物质进出细胞的功能有什么意义？ 提示：通过对进出细胞的物质进行严格的筛查，既能够富集营养物质，阻止营养成分的流失，满足细胞的基本需求，又能减少有害物质对细胞的伤害，为细胞的生命活动提供有力的保障。 教师 讲解：细胞学说强调“细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体生命起作用”，可见多细胞生物体的生命活动必须依赖于细胞之间的协调配合才能完成。 教师 课件出示资料： 资料3 胰岛A细胞分泌的胰高血糖素，随血液到达全身各处，与靶细胞（肝细胞）细胞膜表面的受体结合，将信息传递给肝细胞，使肝糖原分解为葡萄糖，从而使血糖浓度升高。 1．胰高血糖素为什么能与肝细胞结合？ 提示：因为肝细胞细胞膜表面有胰高血糖素的特异性受体。 2．由此分析，细胞膜具有什么功能？ 提示：具有进行细胞间的信息交流的功能。 教师 画出上述细胞间信息交流方式的示意图。 学生 绘图。 教师 出示示意图并进行说明： 细胞间信息交流的方式一：物质传递。 细胞分泌的化学物质（如激素、神经递质、细胞因子等），随体液到达全身各处，与靶细胞的细胞膜表面的受体结合，将信息传递给靶细胞。 信息分子（如激素、神经递质、细胞因子等）的分泌与细胞膜有关，靶细胞接受信息也与细胞膜有关。 教师 课件出示资料： 资料4 形成受精卵的过程中，只有同种生物的精子和卵细胞能够识别和结合。细胞可以识别同种与异种细胞的基础是细胞膜表面某些生物大分子提供的识别信息。 师生 归纳： 细胞间信息交流的方式二：接触传递。 相邻两个细胞的细胞膜接触，信息从一个细胞传递给另一个细胞。 教师｜课件出示资料： 资料5 胞间连丝是贯穿细胞壁、沟通相邻细胞的细胞质连线，它由相互连接的相邻细胞的细胞膜共同组成的直径为20～40nm的管状结构构成，中央是由内质网延伸形成的连丝微管。 胞间连丝形成了物质从一个细胞进入另一个细胞的通道，在植物细胞的信息交流中起非常重要的作用。例如，在分泌旺盛的细胞中，胞间连丝的数目达15个／μ㎡，而一般细胞中约归纳： 细胞间信息交流的方式三：通道传递。 相邻两个细胞之间形成通道，携带信息的物质通过通道进入另一个细胞。 设计意图 从科学事实出发，通过资料分析，引导学生进行科学思维，推测细胞膜的三大功能，使得学生既能理解核心概念，又学会了概括归纳，为下一环节的学习奠定基础。 环节二：对细胞膜成分的探索 教师 1674年，列文虎克第一次看到了活细胞。在此后的200多年里，人们观察了更多类型的细胞，但却一直未能直接观察到细胞膜的存在，直到20世纪50年代末期，伦敦大学的罗伯特森才在电子显微镜下观察到细胞膜的结构。人类对细胞膜的探索不是一步到位的，而是经历了多位科学家的努力，最终明确了细胞膜的结构。 一、对细胞膜成分的探索 1．脂质的推测 教师 课件出示资料： 资料1 1895年，英国生物学家欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：溶于脂质的物质，容易穿过细胞膜；不溶于脂质的物质，不容易穿过细胞膜。 学生 观看资料，并根据欧文顿的实验结果推测细胞膜的成分。 提示：根据“相似相溶”的原理，推测细胞膜的主要组成成分中有脂质。 教师 提问：欧文顿对细胞膜成分的认识，是通过对现象的推理分析，还是通过对膜成分的提取和检测？ 学生 思考并回答问题。 提示：是通过对现象的推理分析。 2．脂质成分类型的确定 教师课件出示资料： 资料2 科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离，然后进行化学分析。结果表明：组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。 教师 强调：脂质成分的确定不是推测，而是通过提取并进行化学分析完成的。 3．磷脂双分子层的推测 教师 课件出示资料： 资料3 磷脂的一端为亲水的头，两个脂肪酸一端为疏水的尾（如图）。 教师提问：观察比较，磷脂分子结构式与脂肪分子有什么异同？ 学生 根据磷脂分子的特点，画出磷脂分子在空气与水的界面上以及在水中的排列方式。 教师指导学生绘制并用课件出示磷脂分子正确的排列方式： 当磷脂分子平铺在水面上形成单分子层时，亲水性的头部会朝下，而疏水性的尾部会朝上；搅拌之后，由于四周都是水环境，磷脂分子会重新排列，形成磷脂双分子层，亲水头部在外，而疏水尾部在内，形成脂质体。 教师 课件出示资料： 资料4 1917年，美国化学家朗缪尔将磷脂溶于苯中，并与水混合，当苯挥发完以后，磷脂分子在水面上分布散乱，经过推挤，磷脂分子排列成了单层，而且其磷酸基团的亲水头部浸入水中，疏水端浮于水面。 学生 借鉴朗缪尔的实验，以小组为单位，设计实验推导细胞膜中磷脂分子的层数，派代表分享本组的实验思路和预期结果。 教师 巡视各小组的讨论情况，适当进行指导和评价。 教师 课件出示资料： 资料5 1925年，荷兰生物学家戈特和格伦德尔用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气-水界面上铺展成单分子层，测得单层分子的面积恰为红细胞表面积的2倍。 由此推断：细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层。 4．蛋白质的推测 教师 课件出示资料： 资料6 1935年，英国学者丹尼利和戴维森研究了细胞膜的张力。他们发现，细胞的表面张力明显低于油一水界面的表面张力。此前人们已经发现了油脂滴表面如果附有蛋白质成分则表面张力会降低。 学生 根据资料提出推测：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。 教师 提问：根据已学知识，如何设计实验验证这个推测成立？ 学生 以小组为单位展开讨论，设计验证方案，并与全班同学分享。 二、细胞膜的成分 课件出示资料： 资料7 成分 蛋白质／％ 磷脂／％ 胆固醇／％ 糖类／％ 哺乳动物红细胞膜 49 33 10 8 小鼠肝细胞膜 44 45 8 3 大肠杆菌细胞膜 75 25 0 0 学生 根据表格中的内容，思考： 1．结合对细胞膜成分的探索的相关知识，列举出细胞膜的组成成分。 提示：细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，此外还有少量的糖类。 2．比较哺乳动物红细胞膜和大肠杆菌细胞膜成分的异同，分析哪种成分决定了细胞膜功能的复杂程度。 提示：蛋白质。蛋白质的种类和数量越多，细胞膜的功能越复杂。 三、拓展应用 课件出示资料： 资料8 如图是由磷脂分子构成的脂质体，它可以作为药物的运载体，将药物运送到特定的细胞发挥作用。在脂质体中，能在水中结晶的药物被包在双分子层中，脂溶性的药物被包在两层磷脂分子之间。 学生 根据细胞膜的成分、磷脂分子的特点以及细胞膜的功能进行小组讨论： 1．为什么两类药物的包裹位置不相同？ 提示：由双层磷脂分子构成的脂质体，两层磷脂分子之间的部分是疏水的，脂溶性药物能稳定地包裹其中；脂质体的内部是水溶液环境，能在水中结晶的药物可稳定地包裹其中。 2．脂质体到达细胞后，药物将如何进入细胞发挥作用？ 提示：由于脂质体是磷脂双分子层构成的，到达靶细胞后可能会与靶细胞的细胞膜发生融合，也可能会被靶细胞吞入，从而使药物在细胞内发挥作用。 教师 对学生的回答进行补充。 课外制作：利用废旧物品制作磷脂双分子层模型（局部）。 设计意图 通过对教材中科学实验的分析，引导学生沿着科学家的探索过程进行科学思维，提出推测、验证推测并感受他们的科学精神。培养学生的科学思维和科学探究核心素养。 核心总结 1．细胞膜的功能 （1）将细胞与外界环境分隔开 （2）控制物质进出细胞 通过分泌信息分子传递信息（3）进行细胞间信息交流通过细胞接触传递信息通过相邻细胞间的通道传递信息 2．细胞膜的成分 （1）脂质的推测：欧文顿通过实验发现脂质、脂溶性的物质更容易通过细胞膜，推测细胞膜的主要组成成分中有脂质。 （2）通过化学分析得出组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇。 （3）脂双层的推测：戈特和格伦德尔测得单分子层的面积为红细胞表面积的2倍，推测细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层。 （4）蛋白质的推测：丹尼利和戴维森研究细胞膜张力，推测细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。 教学研讨 本课时基于学生已经掌握系统的观点，认可细胞是最基本的生命系统，引导学生从系统的视角推导出细胞膜将细胞与外界环境分隔开的功能；结合初中生物所学细胞与外界物质交换的知识，列举进出细胞的物质，推导出细胞膜具有控制物质进出细胞的功能；细胞膜具有的进行细胞间的信息交流的功能，与选择性必修1的内容相关联，学生对这部分知识的认识较少，因此教案采用图示和举例等方式进行三种信息交流方式的解读，有效破解难点。 关于细胞膜的成分，看上去很简单，但是通过对细胞膜成分的探索提升学生的科学探究和科学思维核心素养，却是非常困难的。在教学设计中，将该探索环节分成4个阶段，让学生在散乱的科学史中发现科学家探索的清晰脉络，同时根据科学家探索过程中实验的方法、现象，分析得出推论或假说。通过拓展“脂质体药物”的内容，让学生体会科学研究与健康生活之间的紧密联系，体会学以致用，增强社会责任感。 学科网（北京）股份有限公司 $$