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高一生物集体备课-4-1 物质跨膜运输的实例

[日期:2012-06-24]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:490[字体: ]

本模块教材是以细胞是基本的生命系统为主线展开的,从前到后依次讲述这个基本的生命系统的物质组成、结构、功能和发展变化。第2章和第3章的内容分别是细胞的物质组成和结构,本章和第5章的内容都属于细胞的功能。细胞的功能包括物质的输入和输出、能量的供应和利用、信息的传递和识别等方面。关于细胞的信息功能,在第2章中已经穿插介绍细胞间的信息交流等内容,不再另立章节。任何一个生命系统都是开放的系统,都与外界有物质的交换。可见本章内容对学生理解细胞是基本的生命系统有着重要意义。

本章教材分析

一、教学目的要求

知识方面

1.举例说出细胞膜是选择透过性膜。

2.简述生物膜的结构。

3.说明物质进出细胞的方式。

情感态度与价值观方面

1.探讨在建立生物膜模型的过程中,实验技术的进步所起的作用。

2.探讨建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点。

能力方面

1.尝试提出问题,作出假设。

2.进行关于植物细胞吸水和失水的实验设计和操作。

3.进行图表数据的解读。

仅从标题上看,本章各节之间似乎关联度不高,实际上有着内在的逻辑联系:第1节主要说明细胞膜是选择透过性膜。为什么具有选择透过性?这与膜结构有关,于是进入第2节内容。能透过膜的物质进行跨膜运输的方式一样吗?这正是第3节要探讨的问题。把握好这三节内容之间的内在联系,对搞好本章教学十分必要。这三节内容具有不同的特点,教师应针对各节特点,设计相应的教学策略。第1节重在引导学生探究,第2节重在引导学生分析建立生物膜结构模型的过程,第3节可以讲授法为主。

二、教学内容的结构和特点

(一)教学内容的结构

 


(二)教学内容的特点

本章内容包括《物质跨膜运输的实例》、《生物膜的流动镶嵌模型》和《物质跨膜运输的方式》三节,其中《物质跨膜运输的实例》可用2课时教学,《生物膜的流动镶嵌模型》和《物质跨膜运输的方式》可各用1课时教学。

第1节《物质跨膜运输的实例》包括细胞的吸水和失水、物质跨膜运输的其他实例两部分内容。与以往教材不同的是,本节不是将细胞的吸水和失水作为生物体新陈代谢的一个方面(水分代谢)来讲述,而是以物质的跨膜运输为主题,将水的跨膜运输作为一个实例来分析,得出水是从单位体积中水分子多的一侧向水分子少的一侧(顺相对含量的梯度)运输的结论。其他物质是否也都是从浓度高的一侧向浓度低的一侧(顺相对含量的梯度)跨膜运输呢?本节第二部分提供了物质跨膜运输的其他实例,引导学生分析这些实例,得出物质跨膜运输并不都是顺浓度梯度进行、膜具有选择透过性这一结论。教学中应该注意本节教材立意的变化。

本节的“问题探讨”展示了渗透作用的实验现象,让学生通过分析现象认识半透膜的作用,为本节讲述动物细胞的细胞膜和植物细胞的原生质层都相当于一层半透膜打基础。

高中生物必修1教师教学用书第4章细胞的物质输入和输出关于细胞的吸水和失水,教材首先根据已有知识,分析水分进出哺乳动物红细胞的现象,认识到红细胞的细胞膜相当于半透膜,吸水或失水取决于细胞内外的浓度差。植物细胞因为外有细胞壁、内有中央液泡,对其吸水和失水的情况的分析要复杂得多。为此,教材安排了一项探究活动“探究──植物细胞的吸水和失水”。这项“探究”与以往教材中的实验“观察植物细胞的质壁分离和复原”内容相近,却又有着重要区别。以往教材中这项实验,重在知识的验证和实验的操作,因此在“实验原理”中将原生质层和细胞壁的特性、植物细胞在什么条件下吸水、什么条件下失水讲得清清楚楚。本节的这项探究,则是让学生通过探究活动自主发现原生质层是否相当于一层半透膜,细胞壁对水分进出细胞有没有影响等问题的答案。由于这是必修课中的第一个“探究”,学生在如何提出问题、作出假设和设计实验等环节都还缺乏训练,教材在这些环节都提供了指导和参考案例。

关于物质跨膜运输的其他实例,教材将实例列入“资料分析”栏目,让学生通过分析这些实例,认识到物质跨膜运输并不都是顺浓度梯度(相对含量的梯度)进行的,细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜,从而为后面两节的学习打下基础。

第2节《生物膜的流动镶嵌模型》以较多的篇幅介绍了对生物膜结构的探索历程,并安排了两个“思考与讨论”,让学生在认识生物膜结构的同时,了解这些知识的来龙去脉,认识到可以通过对现象的推理分析提出假说,假说仍然需要观察和实验来验证,随着技术手段的改进,不断发现新的证据,原有的观点或理论不断得到修正。

第3节《物质跨膜运输的方式》包括被动运输和主动运输两部分内容。此外还以小号楷体字形式介绍了胞吞和胞吐。

本节“问题探讨”首先图示了不同物质通过不含蛋白质的人工脂双层的实验结果,让学生讨论相关问题。从图中可以看出,水、氧等能自由通过脂双层,葡萄糖不能通过脂双层,而小肠上皮细胞不仅能吸收水,还能大量吸收葡萄糖,对此该如何解释?这就给学生造成认知冲突,积极思考细胞膜与人工脂双层的区别,运用所学膜结构的知识进行推测,从而为下面讲述协助扩散打基础。值得注意的是,“问题探讨”并未将所有该提的问题和盘托出,而是鼓励学生自己提出问题。比如,学生可能会问:“钠离子、钾离子也不能通过脂双层,但是却能够被细胞吸收,这是为什么?”这就为后面讲述主动运输埋下了伏笔,同时也培养了提出问题的能力。

三、与学生经验的联系

本章内容虽然属于微观水平,又比较抽象,但是与学生的生活经验并非毫无联系。生活中许多现象都与物质的跨膜运输有关。例如,学生在初中做过或见过这样的实验:泡在盐水中的萝卜条会软缩,泡在清水中的萝卜条会更加硬挺。学生也有这样的生活经验:做菜馅时加入一些盐,蔬菜中的水会大量浸出;很多学生知道对农作物施肥过多,会造成“烧苗”现象,等等。这些生活经验对学习本章内容都有帮助。

四、与其他章的联系

第2章中关于细胞内的水和无机盐离子的含量和作用的内容,与本章内容有一定联系。第3章第1节《细胞膜──系统的边界》中已讲述细胞膜主要由脂质和蛋白质组成,此外还有少量的糖类,并且安排了用哺乳动物的红细胞制备细胞膜的实验,为学生学习本章内容打下了基础。本章中关于植物细胞的吸水和失水的探究,是全书中第一个“探究”。通过这项探究活动,学生可以在提出问题、作出假设、设计实验等环节得到一定的体验和感悟,从而为完成后面各章的探究活动打下一定基础。

第1节 物质跨膜运输的实例
 

一、 教学目标

1.举例说出细胞膜是选择透过性膜。

2.尝试提出问题,作出假设。

3.进行关于植物细胞吸水和失水的实验设计和操作。

二、教学重点和难点

1.教学重点

举例说出细胞膜是选择透过性膜。

2.教学难点

尝试提出问题,作出假设。

三、教学策略

建议本节用两课时完成。

由“问题探讨”引入,可以从“扩散”迁移到“渗透”。回忆细胞膜制备的实验,分析教材给出的“水分进出哺乳动物红细胞的状况”,认识动物细胞的吸水和失水就不困难了。

探究植物细胞的吸水和失水重在做好引导。在细胞的吸水和失水问题上,植物细胞与动物细胞应该相近吗?如果相近,植物细胞又有什么与动物细胞的不同之处呢?这就需要探究活动来解决了。探究活动顺利,得出结论也就不难。要通过实验认识到水分子可以自由进出细胞膜,并且是顺相对含量的梯度进行的,为第3节作铺垫。

资料分析提供的素材是为了帮助学生了解细胞对无机盐离子的吸收。讨论题试图引导学生归纳出两点:一是细胞对无机盐离子的吸收不一定都是顺相对含量梯度的(为第3节作铺垫);二是细胞吸收物质是有选择性的,说明细胞膜具有选择通透性。组织好学生的讨论对于突出整节重点并突破难点非常关键。可以先留一段时间让学生分小组讨论,然后小组代表发言,教师帮助引导和归纳。这对教师的要求较高,既要求教师充分了解学生、有较好的预见性和快速灵活的应变能力,又要求教师有较强的课堂把握能力和归纳能力。

关于本节的“探究”,指导如下。

新鲜洋葱鳞茎外表皮(紫色洋葱最好)是进行此项实验的较理想材料。它既容易被剥离而制成临时装片,又很容易在显微镜下观察。实践证明:质量分数为30%的蔗糖溶液很容易使洋葱鳞茎外表皮细胞发生质壁分离,短时间内对细胞的伤害很小;而清水又可使质壁分离得到复原。

植物细胞的质壁分离和复原证明水分子是可以出入细胞膜(在本实验中是原生质层,下同)的物质;而且水分子进出细胞的方向取决于细胞膜两边溶液的浓度,细胞吸水和失水是水分子顺相对含量梯度进行跨膜运输的过程。同时也证明细胞膜是选择透过性膜,因为,蔗糖分子并未如水分子那样进出细胞膜。

探究活动材料和仪器的准备包括:质量分数为30%的蔗糖溶液、新鲜紫色洋葱鳞茎、解剖刀或刀片、尖嘴镊、载玻片、盖玻片、小滴管、吸水纸、显微镜等。

以下操作可供参考。

1.剥取洋葱鳞茎的鳞片叶,外表皮紫色较浓的更好。用解剖刀或刀片在叶片外表皮划一0.5 cm见方的“井”字。

2.用尖嘴镊从“井”字中央的一角小心地将洋葱鳞片叶外表皮撕下,平铺在载玻片中央。

3.用小滴管在表皮上滴一滴质量分数为30%的蔗糖溶液,盖上盖玻片。用吸水纸吸去多余液体。

4.在显微镜下观察,可见原生质缓慢收缩,逐渐出现与细胞壁分离的现象,直到原生质收缩成球状小团,与细胞壁完全分开。

5.在盖玻片的一侧滴加清水,用吸水纸在盖玻片的另一侧吸收,使清水置换蔗糖溶液。

6.在显微镜下观察,可见质壁分离现象缓慢复原。

实验记录:

中央液泡大小
原生质层的位置
细胞大小

蔗糖溶液
变小 原生质层脱离细胞壁 基本不变
清水
逐渐恢复原来大小 原生质层恢复原来位置 基本不变


四、答案和提示

(一)问题探讨

1.由于单位时间内透过玻璃纸进入长颈漏斗的水分子数量多于从长颈漏斗渗出的水分子数量,使得管内液面升高。

2.用纱布替代玻璃纸时,因纱布的孔隙很大,蔗糖分子也可以自由通透,因而液面不会升高。

3.半透膜两侧溶液的浓度相等时,单位时间内透过玻璃纸进入长颈漏斗的水分子数量等于渗出的水分子数量,液面也不会升高。

(二)思考与讨论

1.红细胞内的血红蛋白等有机物一般不能透过细胞膜。

2.红细胞的细胞膜相当于“问题探讨”中的半透膜。

3.当外界溶液的浓度低于红细胞内部的浓度时,红细胞一般会因持续吸水而涨破。

4.红细胞吸水或失水的多少主要取决于红细胞内外浓度的差值。一般情况下,差值较大时吸水或失水较多。

(三)资料分析

1.在培养过程中,水稻吸收水分及其他离子较多,吸收Ca2+、Mg2+较少,结果导致水稻培养液里的Ca2+、Mg2+浓度增高。

2.不同作物对无机盐的吸收是有差异的。

3.水分子跨膜运输是顺相对含量梯度的,其他物质的跨膜运输并不都是这样,这取决于细胞生命活动的需要。

4.细胞对物质的吸收是有选择的。这种选择性具有普遍性。

(四)练习

基础题

1.√。 2.√。 3.×。

拓展题

提示:农业生产上的轮作正是针对不同作物根系对矿质元素的选择性吸收而采取的生产措施。如果长期在同一块田里种植同种作物,地力就会下降(俗称伤地),即某些元素含量下降,这样就会影响作物的产量。

五、参考资料

水势与植物细胞吸水

细胞吸水有三种方式:未形成液泡的细胞,靠吸涨作用吸水;液泡形成以后,细胞主要靠渗透作用吸水;与渗透作用无关的代谢性吸水。在这三种方式中以渗透作用吸水为主。渗透作用是水分进出细胞的基本过程,而且水分移动需要能量做功。根据热力学原理,系统中物质的总能量可分为束缚能和自由能,束缚能是不能转化为用于做功的能量,而自由能是在温度恒定的条件下用于做功的能量。一种物质每摩尔的自由能就是该物质的化学势,衡量水分反应或转移能量的高低,用水势表示。水溶液的化学势与同温同压同一系统中的纯水的化学势之差除以水的偏摩尔体积所得的商,称为水势。

纯水的自由能最大,水势也最高。溶液中的溶质颗粒降低了水的自由能,所以溶液中水的自由能要比纯水低。将纯水的水势定为零,溶液的水势就成为负值。溶液越浓,水势越低。在一个渗透系统中,水移动方向决定于半透膜两边溶液的水势高低。水势高的溶液的水,流向水势低的溶液。水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象,称为渗透作用。一个成长植物细胞的细胞壁主要是由纤维素分子组成的,它对水和溶质是全通透的。而细胞膜和液泡膜都是半透膜,实际上可以把包括细胞膜、细胞质和液泡膜在内的原生质层当做一个半透膜来看待。液泡里的细胞液具有一定的水势。这样,细胞液、原生质层和环境中溶液之间,便会发生渗透作用。当环境中溶液的水势高,而液泡中细胞液的水势低时,环境中溶液所含的水就会进入细胞中。当然,细胞吸水不仅仅与水势有关,还受到其他因素的影响。
 


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