第4章细胞的物质输入和输出大单元教学设计高一上学期生物人教版必修1

任务驱动下的大单元教学设计
必修一《分子与细胞》第四章细胞的物质输入与输出
一、单元学习主题分析
本章内容是在”细胞的基本结构“的基础上，进一步学习细胞的功能，细胞是一个最基本的生命系统要想完成正常的生命活动，需要细胞的各个结构与功能相适应。

而细胞要进行生命活动需要物质的输入与输出从而完成正常的细胞代谢。

因此本章在结构的基础之上学习物质运输的各种方式，第五章则在物质进入细胞后又会发生怎样的化学反应，进行层层递进式学习。

从系统的视角去介绍，帮助学生认识细胞这个微观世界，既符合学生的认知特点和规律，又可以帮助学生理解细胞的结构与功能，形成生命的系统观。

内容结构
课时教学设计
环节一：情景导入情景导入：
环节二：渗透作用
【活动一：阅读与思考】
播放教材P62页中“问题探讨”的实验视频，学生阅读相关内容。

布置任务，展开问题探讨：
任务一：1、讨论什么是渗透作用？2、归纳渗透作用发生的条件 3、判断水分子流动的方向
根据教材P62“问题探讨”中的渗透现象示意图，回答下列问题：
1.漏斗管内的液面为什么会升高?
由于单位体积的清水中水分子数多于蔗糖溶液中的水分子数,因此单位时间内由清水进入蔗糖溶液的水分子数多于由蔗糖溶液进入清水的水分子数。

2.如果用纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面会不会升高？为什么？
不会。

原因是纱布是全透性的，水分子和蔗糖分子都能通过。

3.如果烧杯内不是清水，而是同等浓度的蔗糖溶液，漏斗管内的液面会不会升高？为什么？
不会。

半透膜两侧溶液的浓度相等时，单位时间内透过半透膜进入长颈漏斗的水分子数量等于渗出的水分子数量。

4.尝试概括渗透作用的发生需要具备怎样的条件？
①具有半透膜
②膜两侧溶液存在浓度差
【概括描述】
通过以上问题的探讨，引导学生建构渗透作用的概念。

1.水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散,称为渗透作用。

2.渗透作用方向：
3.扩散:分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动的现象。

从扩散和渗透作用的示意图中，可以看出两种方式有什么异同吗？
渗透作用特指水分子或其它溶剂分子的扩散，而且是通过半透膜的扩散。

【核心归纳】
1.水分子的运动规律
(1)半透膜两侧的水分子进行双向运动，液面变化是由水分子双向运动差异所导致的。

(2)当液面高度不再变化时，水分子仍进出半透膜，但进出达到平衡。

2.渗透平衡≠浓度相等
渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态，既不可看作没有水分子移动，也不可看作两侧溶液浓度绝对相等。

渗透平衡后，溶液浓度高的一侧液面高(反之亦然，即液面高的一侧溶液浓度也高)；浓度差越大，液面高度差也越大。

【知识点突破】
1.如图，在U形管中部c处装有半透膜，在a侧加入红色的细胞色素(相对分子质量为13000的蛋白质)的水溶液，b侧加入清水，并使a、b 两侧液面高度一致。

经过一段时间后，实验结果将是（）
A．a、b 两液面高度一致，b侧为无色
B．a、b两液面高度一致，b侧为红色
C．a液面低于b液面，b侧为红色
D．a液面高于b液面，b侧为无色
(一)动物细胞的吸水和失水
将哺乳动物的红细胞放入不同浓度的氯化钠溶液中，一段时间后，红细胞将会发生变化。

展示动物细胞的吸水和失水实验结果图片，引导学生分析实验条件及现象。

动物细胞的细胞膜相当于半透膜，当外界溶液的浓度比细胞质的浓度低时，细胞吸水膨胀。

当外界溶液的浓度比细胞质的浓度高时，细胞失水皱缩。

当外界溶液的浓度与细胞质的浓度相同时，细胞形态不变。

【思考讨论】
展示一系列问题，分析水进出哺乳动物红细胞的原理，引导学生思考分组讨论，并作答。

1.红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗？这些有机物相当于教材P62“问题探讨”所示装置中的什么物质？
血红蛋白是有机大分子物质，不能透过细胞膜，它相当于“问题探讨”中的蔗糖分子。

2.当外界溶液溶质的浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？
不一定。

因为红细胞吸水膨胀后细胞内液浓度也会下降，如果外界溶液浓度不是很低，有可能细胞内液浓度下降后与外界溶液的浓度达到平衡，此时，红细胞将不再吸水。

3.红细胞吸水和失水取决于什么条件？
取决于红细胞内外溶液的浓度差。

一般情况下，浓度差越大时，细胞吸水或失水越多。

4.想一想临床上输液为什么要用生理盐水？
因为生理盐水的浓度与血浆的浓度基本一致，血细胞不会因为过度吸水或失水而出现形态和功能上的异常。

水进出其他动物细胞的原理与进出红细胞的原理是一样的，都是通过渗透作用。

过渡：水又是怎样进出植物细胞的呢?
展示成熟植物细胞的结构图，对比渗透装置。

探究实验流程：
1.提出问题：水分进出细胞是通过渗遇作用吗?
原生质层是否相当于一层半透膜 ?
2.作出假设：原生质层相当于层半适膜，水分进出细胞是通过渗透作用
3.实验设计：①如果假设是正确的,当外界溶液的浓度高于细胞液的浓度时,细胞就会失水,液泡体积就会编小;当外界溶液的浓度低于细胞液的浓度时,细胞就会吸水，液泡体积就会增大。

所以可以通过液泡体积的大小变化反映水分进出细胞的情况。

②如何使细胞外溶液的浓度升高或降低?
提供蔗糖溶液使细胞外溶液浓度升高，提供清水使细胞外溶液浓度降低。

③如何看到细胞,需要借助到什么材料和用具?
利用显微镜观察临时装片。

④用对实验结果作出预测——细胞失水或吸水后可能出现哪些可观察的变化?
实验思路：将植物细胞分别浸润在较高浓度的蔗糖溶液和清水中，
用显微镜观察液泡大小、原生质层位置的变化。

4.进行实验，视频播放
观察并记录结果：
5.分析结果，得出结论
当外界溶液浓度 > 细胞液浓度，细胞失水，原生质层与细胞壁分离开来——质壁分离
当外界溶液浓度 < 细胞液浓度，细胞吸水，与细胞壁分离的原生质层慢慢恢复原来的状态——质壁分离复原
结论：
(1)植物细胞的原生质层相当于一层半透膜；
(2)植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。

(1) 质壁分离的内因和外因：内因：原生质层具有选择透过性
原生质层的伸缩性 > 细胞壁的伸缩性
外因：外界溶液浓度 > 细胞液浓度
(2)观察质壁分离和复原，对材料的要求：
活细胞
细胞有大液泡
外界溶液浓度 > 细胞液浓度
(3) 介于细胞膜与细胞壁之间的溶液：外界溶液
可以选用黑藻或者洋葱鳞片叶内表皮细胞进行实验吗？
植物细胞的质壁分离及复原实验有哪些应用？
（1）测定细胞液浓度范围
（2）比较不同植物细胞的细胞液浓度
（3）用高浓度盐水处理，使细菌失水死亡。

（4）对农作物施肥过多，会造成“烧苗”现象的解释。

【知识点突破】
植物体内有三个相邻的细胞a、b、c，已知它们的细胞液浓度大小关系是a>b>c，那么它们三者之间水分渗透的方向表示正确的是( c )
解析：细胞液的浓度越高，则吸水能力越强，a细胞液浓度最高，c细胞液浓度最低，b 细胞液浓度介于a、c细胞液浓度之间，水分的渗透方向是由c→b→a，以及由c→a。

【课堂小结】
课时教学设计
学物质所释放的能量，这种物质跨膜运输的方式称为被动运输。

【布置任务】
任务一：探究气体和甘油等分子进出细胞的方式
资料1：科研人员对同种物质在人工膜(只含有磷脂双分子层)和生物膜中的透性做了比较，结果如下图。

1.请学生根据图分析气体和甘油是如何进出细胞的？
人工膜和生物膜对气体和甘油的通透性相同，因此它们是通过扩散作用进出细胞的。

PPT展示氧气、二氧化碳通过磷脂双分子层动画，引导学生分析总结出自由扩散的概念、特点等。

自由扩散:物质通过简单扩散作用进出细胞。

特点:
①顺浓度梯度运输
②不需要载体
③不需要消耗能量
实例:如：氧气、二氧化碳、甘油、乙醇、苯等。

2.学生讨论推测，教师归纳阐述甘油、乙醇等分子为什么能以自由扩散的方式进出细胞。

甘油、乙醇等都是脂溶性物质，与磷脂分子有较强的亲和力，容易通过磷脂双分子层进出细胞。

任务二：探究水分子进出细胞的方式
1.由“生物膜和人工膜对同种物质的通透性差异”的实验结果，推测水分子是如何通过细胞膜的？
水分子通过细胞膜时的速率高于自由扩散的速率，由此推断细胞膜上可能存在特殊的水的跨膜运输方式。

资料2：科学家阿格雷在红细胞膜上发现了一种疏水性跨膜蛋白AQP1。

他将这种蛋白镶嵌在人工合成的脂质体上，并将镶嵌有AQP1的脂质体和普通脂质体同时放入蒸馏水中，每隔一段时间观察，结果如图所示。

2.由上述实验结果，你能得出什么推论？
疏水性跨膜蛋白AQP1能够加快水分子进入细胞的速率。

阐述1988年，美国科学家阿格雷从红细胞和肾小管细胞中分离出一种新的膜蛋白，后来经过实验获得了该蛋白的氨基酸序列结构，证实了水通道蛋白的存在。

目前，人们已经从细菌、酵母菌、植物、动物的细胞中分离出多种水通道蛋白。

任务三：探究葡萄糖进出细胞的方式
资料3：人体血浆中的葡萄糖经肾小球滤过进入原尿后流经肾脏近曲小管，全部由位于管腔面的钠－葡萄糖共转运蛋白(SGLT)重吸收进入近曲小管上皮细胞，使得排出的尿液中不含葡萄糖。

随后葡萄糖被位于肾脏近曲小管上皮细胞基底膜上的葡萄糖载体蛋白(GLUT)转运至组织液进而进入毛细血管，进入血浆的葡萄糖会被红细胞等吸收(注：ATP水解为ADP和Pi时放能)。

提出问题，学生分析讨论并作答。

1.载体蛋白(GLUT)将葡萄糖运出肾脏近曲小管上皮细胞时的运输特点是什么？
顺浓度梯度运输、不消耗能量、需要载体蛋白的协助。

2.如图表示人体成熟红细胞的部分结构和功能，葡萄糖进入红细
胞时的运输特点是什么？
顺浓度梯度运输、不消耗能量、需要载体蛋白的协助。

PPT展示物质通过协助扩散方式进出细胞的动画，引导学生根据上述资料分析结果及动画归纳概括出协助扩散的概念、特点等。

协助扩散:进出细胞的物质借助载体蛋白的扩散。

特点:
①顺浓度梯度运输
②需要载体参与
③不需要消耗能量
实例:
红细胞吸收葡萄糖、
大部分的水跨膜运输
PPT播放物质的跨膜运输方式视频，对比几种物质跨膜运输方式。

【阅读阐述】
学生阅读教材P66页，阐述转运蛋白定义及类型。

(1)定义：镶嵌在膜上的一些特殊的蛋白质，能够协助离子和一些小分子有机物顺浓度梯度跨膜运输，这些蛋白质称为转运蛋白。

(2)类型:分为载体蛋白和通道蛋白两种类型。

列表对比载体蛋白和通道蛋白。

【知识拓展】
通过图片叙述通道蛋白的开放和关闭受到调控。

通过图片分析载体蛋白的开启过程。

【思考讨论】
请学生对比自由扩散与协助扩散，回答问题：
1.自由扩散和协助扩散需要消耗能量吗?为什么?
不需要。

因为两者都是顺物质的浓度梯度。

2.自由扩散和协助扩散有什么异同?
共同点:都是顺物质的浓度梯度,不需要细胞消耗能量。

不同点:前者不需要蛋白质的协助,后者必须有蛋白质的协助。

3.为什么自由扩散和协助扩散被称为被动运输?
两者都是顺物质浓度梯度进行的,不需要细胞消耗能量,所以统
称
为被动运输。

4.影响自由扩散和协助扩散的因素有哪些？
(1)膜内外物质浓度梯度的大小。

(2)某些物质的运输速率还与转运蛋白的数量有关。

(3)温度变化会影响物质运输速率。

展示图形，请学生判断:哪条曲线是自由扩散/协助扩散?
并在下面坐标上画出自由扩散和协助扩散的曲线图。

(1)相对分子质量小的物质和离子都可以通过自由扩散进出细胞( ×)
【解析】相对分子质量小的物质或离子的运输方式可能是自由扩散，也可能是协助扩散等其他方式。

(2)同种物质在不同情况下的运输方式可能不同(√ )
【解析】如:水分子可以通过协助扩散和自由扩散进出细胞。

(3)温度变化会影响分子通过细胞膜的速率( √)
2.(2022·广东中山一中高一期中)协助扩散需要细胞膜上载体蛋白或通道蛋白的协助。

如图甲、乙分别表示载体介导和通道介导的两种协助扩散方式，其中通道介导的扩散速率比载体介导的快得多。

下列有关叙述正确的是
A.该过程的运输速率与膜两侧浓度差完全呈正相关
B.载体蛋白和通道蛋白均具有一定的特异性
C.甲、乙两种方式均存在溶质分子与相应蛋白质的结合过程
D.该过程需要消耗能量
【答案】B
【解析】A、协助扩散需要转运蛋白的协助，其运输速率既与膜两侧浓度差相关，又
与转运蛋白的数量相关，因此并不是与膜两侧浓度差完全呈正相关，A错误;
B、载体蛋白和通道蛋白均具有定的特异性，B正确;
C、载体蛋白在转运离子或分子时会与离子或分子结合，而离子或分子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，C错误;
D、该过程为协助扩散，协助扩散不需要消耗能量，D错误。

故选B。

3.(2023·福建泉州高一月考)肝细胞和细菌都能以协助扩散的方式吸收葡萄糖，其中细菌协助葡萄糖运输的载体蛋白为GLUT1，肝细胞协助葡萄糖运输的载体蛋白为GLUT2，其运输的速率和葡萄糖浓度的关系如图所示。

下列推测错误的是
A.协助扩散可以降低细胞内外葡萄糖的浓度差
点与b点相比，制约葡萄糖转运速率的因素是GLUT1的数量
点与a点相比，c点葡萄糖转运速率低的原因可能是肝细胞GLUT2少
D.载体蛋白的存在能显著提高细胞摄取葡萄糖的速率
【答案】B
【解析】A、协助扩散是将物质顺浓度梯度的运输,运输过程中，膜两侧的浓度差缩小，所以协助扩散可以降低细胞内外葡萄糖的浓度差,A正确;
B、a点与b点相比，载体蛋白GLUT1的数量一样多,制约葡萄糖转运速率的主要因素是葡萄糖的浓度,B错误;
C、c点与a点相比，两点葡萄糖浓度一样，因载体蛋白数量不同而运输速率不同,C 正确;
D、与无蛋白质的磷脂双分子层相比，有载体蛋白时运输速率明显加快，所以载体蛋白的存在能显著提高细胞摄取葡萄糖的速率,D正确。

故选B。

一、自由扩散
课时教学设计
比较被动运输与主动运输在物质运输方向、条件的异同，进一步对三种运输方式进行理解。

根据所学知识，画出不同因素对被动运输、主动运输运输速率的影响曲线。