“细胞的生活需要物质和能量”的教学设计

李艳芳 邢凤玉 吴 泠

（北京市十一学校 北京 100039）

《义务教育生物学课程标准》（2011年版）在倡导探究性学习的同时，强调“关注重要概念的学习”。教师在组织学生开展探究性学习时，要尽可能为学生创设动脑、动手的活动，让学生在新情境下运用已有概念解读新的事例，解决类似问题，并在解决问题的过程中，总结规律，揭示本质，形成概念；在科学探究活动中运用科学概念解释和解决相关问题，从而促进学生对核心概念的深入理解，系统地理解和内化知识，最终实现对科学概念的真正掌握。

1 学习内容分析

“细胞的生活”是人教版《生物学》7年级上册第2单元第1章第4节的内容，在之前的学习中，学生观察了各种动、植物细胞，已初步构建了“细胞是生物体结构的基本单位”的重要概念，生物体最基本的生命活动是通过细胞的生命活动实现的，通过学习细胞的生活，了解细胞生活需要无机物和有机物；理解细胞膜控制物质的进出，线粒体和叶绿体是细胞的能量转化器，细胞核是细胞生命活动的控制中心。最终构建“细胞是生物体生命活动（功能）的基本单位”的重要概念。本节内容共2课时，“细胞的生活需要物质和能量”是第1课时。本单元知识点思维导图如图1。

图1 单元知识点思维导图

2 学情分析

细胞的生活是学生看不见、摸不着的，很抽象，且涉及相关的物理学和化学知识，理解相对困难。细胞持续不断地获取物质和能量以维持其生命活动就更为抽象，是本节的难点。但学生从生活中知道，每天摄入的食物中有营养物质，能列举一些营养物质的名词。学生知道能量，但对于能量与物质的概念存在混淆，能列举一些形式的能量，比较容易理解能量可以相互转化。

3 教学目标

1）知识目标：说明细胞生活需要无机物和有机物；有机物构建细胞，为细胞的生命活动提供能量；阐明在细胞的线粒体和叶绿体上，发生物质和能量的转化；阐明细胞膜是有活性的，细胞膜能控制物质的进出。

2）能力目标：通过资料分析，提升处理信息能力；通过小组合作实验、小组讨论等活动，提升合作学习能力；通过3个科学探究活动，提升科学探究能力；通过推测、对比分析、类比分析等，提升理性思维能力。

3）情感态度与价值观目标：通过仔细观察、描述实验现象，养成实事求是的科学态度。

4 教学重、难点

1）教学重点：阐明在细胞的线粒体和叶绿体上，发生物质和能量的转化；阐明细胞膜是有活性的，细胞膜能控制物质的进出。

2）教学难点：阐明在活细胞的线粒体上有机物持续不断地转化为无机物，同时有机物中的化学能释放出来为细胞的生命活动提供能量。

5 教学策略

本节课采用“通过探究性学习构建重要概念”的教学策略，见图2。

图2 “通过探究性学习构建重要概念”的教学策略图

6 课前准备

花生种子、新鲜苋菜、解剖针、白瓷盘、酒精灯、火柴、烧杯、自来水、沸水、多媒体课件。

7 教学过程

7.1 细胞生活需要的物质

1）创设情境，导入新课。为解决大面积烧伤患者的植皮难题，需从皮肤上取下细胞置于培养液中培养，请推测培养瓶里应加入哪些物质才能使细胞存活？

学生根据生活经验做出假设或推测。教师引导学生思考体内细胞要存活是否也需要这些物质？引出课题：细胞的生活。

2）查阅食物营养成分表，对比分析不同食物中共有的营养物质，据此理性推测细胞生活需要的营养物质。

学生凭经验做出的推测是不全面的，体内细胞主要从食物中获取营养，因此，通过分析食物营养成分表中不同食物共有的营养成分，可更准确地获知细胞生活的营养物质有几大类。

3）提供皮肤细胞培养液的配方表（表 1），对比发现实际培养细胞时添加的物质和前面推测的物质的异同点。

表1 皮肤细胞培养液的配方表

是否培养皮肤时就添加了这些营养物质？请学生仔细观察皮肤细胞培养液的配方表，寻找与推测一样的物质。学生对比观察，发现葡萄糖、氯化钠等，绝大部分与推测的不一样，产生质疑。

教师讲解表中的各种氨基酸、酰胺、肽是构建蛋白质的主要成分，生物素、D-泛酸钙、叶酸属于维生素类，硝酸钙、无水硫酸镁、无水磷酸二氢钠、氯化钾、氯化钠属于无机盐类。展示氨基酸、蛋白质、葡萄糖、淀粉的分子模型，讲解氨基酸是构建蛋白质的最小单位，葡萄糖是构建淀粉等糖类的最小单位。

有的学生提出细胞生活需要的物质还有能量，表中为什么没列能量，能量存在哪里？学生想到能量存在于脂肪里。教师讲解储存能量的物质除了脂肪外还有糖类、蛋白质等，储存在这些物质中的能量称为化学能。出示水分子、氯化钠分子、葡萄糖分子、淀粉分子、氨基酸分子、蛋白质分子模型，讲解细胞生活需要的物质可以分为两大类，一类分子比较小，一般不含碳；一类分子比较大，一般含碳。学生直观感受有机物分子大，无机物分子小的特点。

4）细胞生活需要的物质对细胞有什么作用？转承下一个探究活动。

引导学生回顾摄取的食物归根到底来自组成生物的细胞。体会细胞从外界吸收的物质具有构建细胞自身的作用。提供细胞各结构成分的资料，引导学生思考哪些是有机物，哪些是无机物？除水分之外，哪种物质的含量较高？有机物除了构建细胞，还有什么重要作用？

学生最后发现有机物含量较高，能说出有机物让细胞增殖、养活细胞等。

7.2 细胞生活需要能量

1）实验探究：用能量转化的方法释放花生种子中的能量。

细胞有机物中储存的能量怎样才能释放，供给细胞的生命活动？这个问题对学生有难度，可转化为燃烧花生的直观情境，学生在仔细观察花生燃烧中物质和能量转化后，再尝试类比推理细胞有机物中的能量释放过程。提供花生为实验材料，在教室这样一个环境，能否设计实验，设法释放花生中储存的能量？

学生想到吃花生、在纸上挤压看到油渍、将花生榨油等，学生关注点在花生中储存能量的物质“油”，可见学生对物质和能量存在混淆。怎样才能用能量转化的原理设法释放花生中储存的能量？教师用生活中能量转化的例子，例如开灯、小汽车发动等，引导学生类比思考得出燃烧花生。

提出燃烧花生实验要求，引导学生安全高效地完成实验：用解剖针的针尖扎好花生；点着花生后熄灭酒精灯；在白瓷盘上燃烧；仔细观察花生燃烧过程中的现象及燃烧后的变化；将燃烧后的花生放在培养皿里。

学生做实验的过程中有许多新发现，有的说看到花生变脆了，有的说花生碳化了，有的说看到花生从中间裂开了，中间烧得更旺，推测花生里的油在中间，有的发现在扎花生的孔处看到了小气泡，油滴从中流出，有的说观察冒出黑烟，黑烟可能就是二氧化碳。教师对学生仔细观察、积极思考给予肯定，并通过追问纠正学生的一些错误认识。

例如：学生发现花生燃烧冒出了黑烟，认为黑烟就是二氧化碳。教师追问：人类时刻要呼出二氧化碳，有气味吗？黑烟是否可以称为二氧化碳？学生经思考后判断黑烟不是二氧化碳。教师讲解确实产生了二氧化碳和水，但黑烟不是二氧化碳，是燃烧后产生的细小颗粒。

教师引导学生思考，花生燃烧过程中能量发生了怎样的转化？学生说出化学能转化为热能和光能。

2）类比思考：用小汽车的发动机类比细胞中能量释放的场所线粒体。

教师提供花生和小汽车的图片，呈现以下材料：1 L汽油燃烧能释放的热量为32 120 kJ，能让小汽车行驶约10 km。1 g花生完全燃烧释放的热量的23.5 kJ，大约相当于0.00073 L汽油燃烧释放的热量，能让小汽车行驶约7.3 m。

提出问题：小汽车燃烧汽油需要发动机，同样细胞中能量的释放是否也需要一个场所？请学生回顾动、植物细胞的共有结构，推测能量释放的场所在何处？学生运用所学知识做出推测：细胞核，细胞质，线粒体，教师讲解该场所实际是线粒体。

3）类比推理：用花生和汽油的燃烧，类比思考细胞中的能量转化。

细胞中能量释放的过程和燃烧的过程有相似性，请你尝试根据花生燃烧过程中的物质和能量转化过程，类比推理细胞分解有机物、释放能量的过程。

学生通过类比思考，理解细胞中发生类似的能量释放和物质转化过程。说出花生燃烧能量释放后转化为光能和热能，汽油燃烧，能量释放后转化为动能，细胞有机物中的能量释放后转化为细胞生命活动需要的能，都是大分子有机物转化为小分子无机物水和二氧化碳。

花生和汽油在真空里能燃烧吗？同样细胞有机物中的能量释放是否也需要氧气的参与？提供煤气中毒的文字资料，凸显氧气的作用，学生认识到细胞中能量释放过程也需要氧气的参与。没有氧气，细胞就会因无法获取能量窒息而死。

4）对比思考：用汽车加油可以等待较长时间和细胞中的“燃料”用完不能等待相对比，理解细胞的生命特征。

汽车里的汽油烧完了，可以等几个月甚至更长时间再加油，汽车依然正常开动，细胞里会发生类似的过程吗？学生通过思考说出细胞中的“燃料”需要持续不断地供给，否则细胞就会死去。最终理解在线粒体里持续不断地发生着能量释放过程，以供给细胞的生命活动，此过程有氧气的参与，大分子有机物分解为小分子无机物。

请学生解释：1）植物细胞中的线粒体数目比动物细胞少；2）皮肤细胞中的线粒体数目比骨骼肌细胞和大脑神经细胞中的少。学生思考发现：不同种类的生物细胞，同一种类的生物细胞里的“发动机”数量不同，与细胞需要能量的多少有关，需要的能量越多，“发动机”的数目越多。

5）知识迁移：追踪细胞有机物的来源，理解植物细胞叶绿体中物质和能量的转化过程。

活细胞不断地消耗有机物获取能量，细胞所需的有机物最终来自哪里？

学生想到了食物，食物分为植物类和动物类，追踪有机物的来源，归根结底追踪到植物。植物可以通过光合作用制造有机物，这是学生不太关注的，前面运用能量转化原理解决了线粒体功能的问题，很容易实现知识的迁移，从而理解植物细胞叶绿体中发生的物质和能量的转化过程。

7.3 细胞膜能控制物质的进出 细胞时刻都与外界进行物质和能量的交换，细胞的哪个结构是其与外界进行物质交换的边界？

1）创设实验情境，引导学生推测动物细胞膜的功能。教师在前一天将鸡蛋的卵白和卵黄分开，卵黄放进清水里浸泡5～6 h后，拍摄浸泡前和浸泡后的图片，并出示用刻度尺测量浸泡前、后蛋黄直径的图片。提供用筷子捅破没有浸泡和浸泡过的卵黄的小视频。请学生观察实验现象，猜测哪个是浸泡后的卵黄，为什么？

学生仔细观察，判断出色浅、直径大、变稀的是泡过的卵黄。教师引导学生不仅关注水进入卵黄，也要关注卵黄里面的黄色物质没有出来。这说明细胞膜具有什么功能？学生思考得出细胞膜具有吸收、保护功能。

一个卵黄相当于一个动物细胞，卵黄膜相当于动物细胞的哪个结构？学生回顾前面所学，说出细胞膜。

细胞膜的保护作用体现在哪里？什么样的物质才能透过细胞膜？教师再次出示培养皮肤细胞成分表，让学生体会小的、对细胞有用的物质才能透过细胞膜。

教师讲解不同种类的生物体细胞中含有的营养物质的种类和数量并不完全相同，这说明不同种类生物体细胞从外界吸收的物质的种类和数量不完全相同，总会将一些物质挡在膜外。此外细胞产生的二氧化碳和多余的水等废物也要排出细胞，以维持细胞稳定的内环境。

2）创设实验情境，引导学生推测物质进、出植物细胞的边界也是细胞膜。前一节课，学生做了浓盐水滴加到紫洋葱外表皮细胞的装片。出示洋葱在浓盐水作用下发生质壁分离的照片，请学生观察、思考紫色部分变小的原因是什么？学生联系前面所学，根据细胞膜和细胞壁分离的事实，思考得出水分从细胞膜内出来。

教师出示荧光显微镜下植物细胞壁图片，学生观察到细胞壁上有大孔洞，理解物质进出植物细胞的边界也是细胞膜。

3）创设实验情境，体会细胞膜是有活性的。细胞膜在任何条件下都能控制物质的进出吗？每个小组分发2个烧杯，一个烧杯中放有清水浸泡的苋菜叶子，另一个烧杯中只放有等量的苋菜叶子，请学生加入与清水等量的沸水，观察实验现象。学生发现，沸水变红了，推测细胞膜在沸水中受损破裂，使得细胞里面的红色物质流出。

通过观察细胞膜分子结构图片、分析细胞重金属中毒的文字资料，学生理解细胞膜控制物质进出的作用是有限的。

7.4 总结提升：识图，归纳本节课学习的主要内容

学生仔细观察形象的板书图，归纳得出：

1）细胞生活需要无机物和有机物，有机物不仅构建细胞，还能为细胞的生命活动提供能量。

2）活细胞的线粒体，在氧气的参与下，有机物持续不断地转化为二氧化碳和水等无机物，同时有机物中的化学能释放出来为细胞的生命活动提供能量。

3）细胞生活需要的能量最终来源于植物，在植物细胞的叶绿体上，水分和二氧化碳等无机物转化为有机物和氧气，同时光能转化为储存在有机物中的化学能。

4）细胞膜是有活性的，能够让水分、氧气分子、小分子有机物等小分子物质进入，将一些物质挡在膜外，让二氧化碳和多余的水分等对细胞有害的代谢废物排出细胞。

7.5 学习效果检测

1）请用所学知识解释：海水中碘的含量为0.06 mg/L，海带就是著名的“采碘能手”，它有高度富集碘的本领。一般干海带中含碘量达0.3%～0.5%，有的高达1%，约比海水中的碘浓度提高了10万倍。

2）为什么要给危重患者输氧和注射葡萄糖？

3）雾霾天气可能会对植物有什么影响？

7.6 板书设计

图3 “通过探究性学习构建重要概念”的板书设计

8 教学反思

本课设计的创新之处在于：聚焦关键问题，并以此为主线，设计探究性学习活动，在每一探究性学习活动中，从学生经验出发，精心组织探究素材，设计层层递进的探究问题，学生在解决问题中，通过经验推测、理性推测、对比分析、动手实验体会、类比思考、分析实验现象推理等途径，较为深入地思考、理解、构建重要概念。

主要参考文献

［1］中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2011年版).北京:北京师范大学出版社,2012.

［2］杨文源，刘恩山.为了理解的教学设计：从指向核心概念的问题开始.生物学通报，2014,49(1):28.

［3］王愉鑫.初中生物学探究性学习与重要概念学习的关系与融合.生物学通报,2013,48(7):37.

［4］陈静,张忠华,温亚,等.概念教学与探究教学的融合：以“肺与外界的气体交换”一课为例.生物学通报,2015,50(7)：21.

［5］王愉鑫,石建.初中生物学教学关键问题指导.北京:高等教育出版社,2015.