4.1被动运输第1课时教学设计-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

第1课时 水进出细胞的原理 目标素养 1．理解渗透作用的原理及发生条件，解释动植物细胞吸水和失水的原理，并尝试结合细胞膜的结构与功能推断被动运输的机制。 2．学会使用显微镜观察植物细胞的吸水和失水，探究外界溶液的浓度对植物细胞质壁分离和复原的影响。 重点难点 重点 1．渗透作用的原理和特点。 2．探究植物细胞的吸水和失水。 难点 1．尝试提出问题、作出假设并设计相关实验。 2．结合探究实验，分析、理解细胞吸水和失水的过程及应用。 教学准备 1．准备水分子通过半透膜扩散的演示实验。 2．制作课件。 学生准备 1．复习植物细胞的结构。 2．预习水进出细胞的原理。 导入新课 导入一 教师 细胞需要的营养物质可以从外界进入细胞，抗体、激素等物质在细胞内合成后分泌到细胞外，细胞产生的废物也要排到细胞外。细胞通过细胞膜不停地与周围环境进行着物质交换，保证了生命活动的正常进行。 细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的。磷脂双分子层是膜的基本支架，其内部是磷脂分子的疏水端，水溶性分子或离子不能自由通过，因此具有屏障作用。蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中：有的镶在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层。这些蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用。物质是如何进出细胞的呢？ 导入二 教师 人体代谢废物由血液运输到肾脏。当血液流经肾小球时，除血细胞和大分子蛋白质外，血浆中的一部分水、无机盐、葡萄糖和尿素等经由肾小球过滤到肾小囊腔中，形成原尿。原尿中的全部葡萄糖、大部分水和部分无机盐在肾小管和集合管等部位被重新吸收后，最终成为终尿排出体外。原尿中的物质在肾小管和集合管等部位的吸收量不同，在终尿中的比例差距很 大，如表： 成分 原尿／（g·L） 终尿 水 980 960 蛋白质 0.3 0 葡萄糖 1 0 Na+ 3.3 3.5 K+ 0.2 1.5 CI 3.7 6 尿素 0.3 18 氨 0.001 0.4 原尿中99％的水会被重吸收，最终仅有1％的原尿会成为尿液。那么，水是如何进出细胞的呢？ 教学过程 环节一：水进出细胞的原理 思路一 一、渗透作用 教师 演示水分子通过半透膜扩散的实验：在一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸（一种半透膜），往漏斗中注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外的液面高度相等。一段时间后，观察漏斗管内的液面变化（如图）。 补充半透膜的知识：半透膜是一种具有多孔的薄膜。不同类型的半透膜的孔径是不同的。常见的半透膜有玻璃纸、羊皮纸、卵壳膜、鱼鳔、动物膀胱、肠衣以及其他一些可从生物体上剥离的薄膜类物质。 特点：只允许小于孔径的小分子透过，大分子物质不能透过。如玻璃纸允许水分子透过，而蔗糖分子不能透过。 教师 组织学生进行分组讨论： 1．漏斗管内的液面为什么会升高？ 提示：从微观角度看，半透膜两侧的水分子都能够自由进出，但由于蔗糖溶液中水的相对含量（单位体积中的水分子数）比烧杯中水的相对含量低，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，导致漏斗中水量增加，液面上升。从宏 观角度看，水从相对含量高的一侧流向相对含量低的一侧。 2．如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？ 提示：不会，管中水柱产生的压力将加快漏斗中水分向外扩散的速度，最终达到平衡，此时半透膜两侧水分子进出速率相等，液面不再升高。 3．当漏斗内液面不再上升（即渗透平衡）时，半透膜两侧的溶液浓度相同吗？ 提示：不相同。漏斗内溶液浓度仍然较高，由于漏斗管内液面升高形成的静水压会阻止水分子由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，故半透膜两侧溶液浓度关系仍是漏斗内溶液浓度高于烧杯中清水的浓度。 4．如果用一层纱布代替玻璃纸，还会出现原来的现象吗？ 提示：不会。纱布孔隙大，蔗糖分子和水分子都可自由通过，最终纱布两侧浓度相等。 5．如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？ 提示：液面不会升高，膜两侧浓度相同，水分子进出平衡。 教师 用课件出示渗透作用的概念，并从不同角度解释水（或溶剂分子）的渗透方向。 1．渗透作用：水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散。 2．渗透方向： （1）相对含量：相对含量高的一侧→相对含量低的一侧。 （2）溶液浓度（物质的量浓度）：低浓度溶液→高浓度溶液。 （3）渗透压（指溶液中溶质微粒对水的吸引力）：渗透压低→渗透压高。 师生 根据思考、讨论的结果归纳渗透作用发生的条件： 1．有半透膜； 2．半透膜两侧有浓度差。 教师 补充讲解水分子（溶剂分子）通过半透膜的运动规律： 1．水的运输方向：从水含量高的一侧向水含量低的一侧运输。 2．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的差异导致的。 3．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。 二、水进出动物细胞 设置情境：类比推理的方法是高中生物学中常用的方法，如果把长颈漏斗比作细胞，水分子通过细胞膜进出动物细胞也是渗透作用吗？ 如果是，则必须满足两个条件：具有半透膜，膜两侧具有浓度差。 教师 布置学习任务：将哺乳动物红细胞放入不同浓度的氯化钠溶液中，观察教材中“水进出哺乳动物红细胞的示意图”中红细胞的形态变化，总结水分子进出红细胞的规律。 学生观察并分析图片，总结规律。 当外界溶液的浓度＜细胞质的浓度时，细胞吸水膨胀； 当外界溶液的浓度＞细胞质的浓度时，细胞失水皱缩； 当外界溶液的浓度＝细胞质的浓度时，细胞形态不变。 总结：水分子通过细胞膜进出细胞也是渗透作用。红细胞与外界溶液构成了一个渗透系统，红细胞的细胞膜相当于一层半透膜，水分子通过渗透作用进出红细胞。 教师 组织学生讨论： 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“问题探讨”所示装置中的什么物质？ 提示：红细胞中的血红蛋白是大分子有机物，不能透过细胞膜，它相当于“问题探讨”中的蔗糖分子。 2．红细胞的细胞膜是否相当于一层半透膜？ 提示：是（是“相当于”，不是“等同”）。 3．当外界溶液的浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？ 提示：不一定。如果外界溶液浓度不是很低，细胞质的浓度下降后，与外界溶液的浓度相等，此时红细胞将不再吸水。 4．红细胞吸水或失水取决于什么条件？ 提示：取决于红细胞的细胞质与外界溶液的浓度差。一般情况下，浓度差越大，细胞吸水或失水越多。 5．与生活的联系：吃比较咸的食物，口腔和唇的黏膜有什么感觉？为什么？ 提示：吃比较咸的食物口会干，因为外界溶液浓度高，口腔和唇黏膜细胞失水。 6．临床上输液为什么要用生理盐水？ 提示：因为生理盐水的渗透压与血浆的渗透压基本一致，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。 总结：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。 拓展：我们了解了水通过渗透作用进出动物细胞的知识，对我们的日常生活有什么帮助？ 提示：人体细胞只有在等渗溶液中才能维持正常的形态，所以在日常生活中，我们要注意摄入适量的水分。例如，在大量出汗后要及时补充淡盐水，腹泻后要饮用补盐液，防止脱水。输液时医护人员通常用质量分数为0.9％的NaCl溶液或者质量分数为5％的葡萄糖溶液溶解药物，这也是为了保持血浆的正常渗透压。 三、水进出植物细胞 出示植物细胞模式图，引导学生说出植物细胞和动物细胞在结构上的主要区别。 学生 植物细胞的细胞膜外面有一层细胞壁，细胞壁具有保护和支持细胞的作用；成熟植物细胞具有中央大液泡，液泡内部的液体叫作细胞液，其中含有糖类、无机盐、色素、蛋白质等物质；绿色植物叶肉细胞中还有叶绿体。 进行补充：对于很多分子而言，细胞壁是全透性的，即它们可以自由通过细胞壁。由于细胞壁主要由纤维素构成，其伸缩性比较小。 出示资料： 成熟植物细胞一般只具有一个中央大液泡，其体积能够占到细胞体积的90％以上，细胞质及其中的各种细胞器被挤成一薄层。我们把细胞膜、细胞质、液泡膜统称为原生质层。细胞内的液体主要指的是液泡中的细胞液。 思考：为什么说一个成熟的植物细胞就是一个渗透系统？ 提示： 成熟的植物细胞符合渗透系统的条件： 1．具有半透膜（原生质层相当于一层半透膜）； 2．膜两侧存在浓度差-外界溶液与细胞液之间存在浓度差。 实际上，植物与外界环境进行水分交换，指的是水分通过原生质层在细胞液与外界环境之间的交换。 设计意图 基于学生已有的认知，通过分析探讨水进出哺乳动物红细胞的实例，理解什么是渗透作用，发生渗透作用需要具备什么条件。分别用动物细胞和植物细胞举例，归纳渗透作用的原理。 思路二 一、扩散 教师进行演示实验。 学生观察实验现象，归纳扩散的概念。 扩散：分子或离子从高浓度处向低浓度处运动的现象叫作扩散。 教师 进行补充：扩散使得该分子或离子分布均匀，直到平衡。此后分子或离子继续运动，以维持平衡的状态。 二、渗透 教师 用课件出示渗透的概念和示意图。 1．渗透：水分子通过半透膜的扩散称为渗透。 教师 结合生活实际对半透膜进行解释，如玻璃纸、肠衣、卵壳膜等。 2． 物质渗透示意图： 水分子是从其分子数相对较多处向相对较少处扩散的。对于生物体内的各种溶液来说，水是溶剂。水分子数相对较多的溶液中，溶质分子数相对较少，溶液的浓度相对较低。渗透的方向是从水分子数相对较多的一侧进入水分子数相对较少的一侧，也就是溶液中的水分子从溶液中溶质浓度低的一侧进入浓度高的一侧。 3．资料分析 教师 出示相关资料： 透析袋是由半透膜制成的袋状容器，我们可以用透析袋模拟细胞膜，直观认识其对物质的选择透过性。 取15cm长的透析袋，向透析袋中加入质量分数为5％的可溶性淀粉溶液至距顶端5cm 处，封口。在流水中冲洗除去透析袋外表面的淀粉。将透析袋放在盛有蒸馏水的烧杯中，静置一段时间，观察透析袋的体积变化。 教师 布置思考题，让学生进行小组讨论。 （1）请预测实验现象并说明原因。 提示：①透析袋内液体体积变大；②颜色变化如图。 （2）上述实验中哪些物质可以透过透析袋？ 提示：水分子、KI-I2分子可以透过透析袋，淀粉分子则不能透过透析袋。 （3）烧杯中的蒸馏水换成质量分数为5％的蔗糖溶液，透析袋和烧杯内的液体会发生什么变化？ 提示：如果蔗糖分子不能通过透析袋，则透析袋内的液体体积会减少；如果透析袋允许蔗糖分子通过，透析袋内的液体体积会先减少后增加。颜色变化同上。 三、渗透作用及其条件 教师 用课件演示渗透作用的相关概念，引导学生进行识记和理解。 1．渗透作用：水分子（或其他溶剂分子）透过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液的扩散。 2．发生渗透作用的条件： （1）具有半透膜； （2）半透膜两侧具有浓度差。 3．溶液渗透压：指溶液中溶质微粒对水的吸引力，大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目。 教师出示资料，引导学生观看并分析。 资料1 细胞膜是一种选择透过性膜，能选择性地控制物质的进出。 资料2 成熟的植物细胞一般都有液泡，它与细胞膜共同作用，把细胞质挤压成薄薄的一层。细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层。细胞内的液体环境主要是指液泡中的细胞液，细胞液的渗透压能随外界溶液渗透压的变化而变化。原生质层与半透膜类似，能选择性地控制物质的进出。 资料3 水分子通过渗透作用进入红细胞和植物细胞所引起的现象：当细胞内、外水分子的相对数目相等，即溶质的浓度相等时，红细胞和植物细胞都没有发生变化。 当细胞外水分子相对较多，也就是溶液中溶质的浓度相对低时，红细胞在水中会因渗透作用吸水胀大甚至破裂；植物细胞在水中会因渗透作用吸水膨胀，但不会像红细胞那样发生破裂，因为细胞壁限制了植物细胞的过度膨胀。 当细胞外水分子相对较少，也就是溶液中溶质的浓度相对高时，红细胞会因渗透作用失去水分而导致细胞皱缩；植物细胞也会因渗透作用失水，细胞膜以及细胞膜以内的部分因收缩而发生质壁分离。 思考： 1．外界溶液的浓度如何影响细胞的水分得失？ 提示： 细胞失水：外界溶液浓度＞细胞质浓度（动物）／细胞液浓度（植物）； 细胞吸水：外界溶液浓度＜细胞质浓度（动物）／细胞液浓度（植物）； 水分进出平衡：外界溶液浓度＝细胞质浓度（动物）／细胞液浓度（植物）。 2．植物细胞是否为活细胞，可以根据其能否发生质壁分离和质壁分离复原来判断，请分析原因。 提示：因为植物细胞在质壁分离过程中，原生质层作为半透膜，水分子可以自由通过，而溶质分子不能通过，这种特性只有活细胞具有，死细胞失去了这种选择透过性，不会发生质壁分离。 教师 布置合作学习任务：列表分析动植物细胞的吸水和失水。 学生进行合作学习，通过列表比较的方式对动植物细胞的吸水和失水过程进行分析。 细胞类型 外界溶液 内部溶液 充当半透膜 失水 吸水 动物细胞 细胞膜以外 细胞质 细胞膜 皱缩 膨胀 植物细胞 细胞膜以外 细胞液 原生质层 质壁分离 质壁分离复原 设计意图 本环节以扩散、渗透、渗透作用等一系列概念为依托，引导学生理解渗透作用的实质，并将其应用于动植物细胞失水和吸水的分析中，让学生理解并体会细胞通过渗透作用吸水或失水。 环节二：探究植物细胞的吸水和失水 一、观察现象，提出问题 教师用课件演示现象： 将放置一段时间的马铃薯切成如图所示形状，凹槽内倒入一定量的清水，一段时间后液面下降；再将适量蔗糖加入凹槽内的清水中，一段时间后液面上升。 布置学习任务： 1． 试解释上述现象。 提示：凹槽内注入清水后，由于马铃薯细胞液的浓度大于清水，马铃薯细胞吸水，导致清水液面下降；当向清水中加入适量蔗糖后，蔗糖溶液的浓度大于马铃薯细胞液的浓度，马铃薯细胞失水，一段时间后液面上升。 2．观察现象，提出需要进行探究的问题。 提示： （1）水分进出植物细胞是通过渗透作用吗？ （2）原生质层是否相当于一层半透膜？ 二、作出假设 教师 布置小组活动：请结合植物细胞的结构特点和自己的生活经验，与本小组同学讨论上述问题的合理答案。 学生 进行小组讨论。 作出假设：水分通过渗透作用进出植物细胞，原生质层相当于一层半透膜。 三、设计实验 教师 提出问题串，引导学生设计实验。 1．如果假设是正确的，当外界溶液的浓度高于（或低于）细胞液的浓度时，细胞会发生什么变化？液泡体积会变大还是变小？哪种细胞结构的变化可以反映水分进出细胞？ 提示：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，细胞会失水，液泡体积会缩小；当外界溶液的浓度低于细胞液的浓度时，细胞会吸水，液泡体积会增大。因此，液泡的大小变化可以反映水分进出细胞。 2．如何使细胞外溶液的浓度升高或降低？ 提示：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，需要借助什么材料和器具？ 提示：利用显微镜观察临时装片。 4．细胞失水或吸水后可能出现哪些可观察的变化？ 提示：由于原生质层相当于一层半透膜，水分子可以自由透过，而蔗糖分子不能透过。因此，在蔗糖溶液中植物细胞的中央大液泡会变小，发生质壁分离。加入清水后，细胞液浓度大于外界溶液的浓度，外界溶液中的水会透过原生质层进入细胞液，发生质壁分离复原。 根据上述分析进行分组讨论，设计实验方案。 关键点1：先设计吸水现象的观察还是先设计失水现象的观察？ 关键点2：细胞液会出现什么变化？是否能够观察到？ 关键点3：预测原生质层与细胞壁的位置变化，是否能够观察到？ 四、进行实验 1．材料紫色的洋葱鳞片叶，黑藻叶片，质量浓度为0.3g／mL的蔗糖溶液，蒸馏水，质量分数为6％的KNO3溶液，物质的量浓度为2mol／L的乙二醇溶液；刀片，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸，显微镜等。 2．方法步骤（示例） （1）制作紫色洋葱鳞片叶外表皮的临时装片。 （2）在低倍镜下观察，注意观察原生质层的位置和中央大液泡的大小。 （3）引流法加入蔗糖溶液，低倍镜下观察。 （4）引流法加入清水，低倍镜下观察。 教师 用三目显微镜进行实验操作，连接教学交互一体机，实时展示显微镜视野。 学生，进行分组实验，并参考教师机的视野进行操作和观察。 五、实验结果与分析 1．实验现象用具 第一次观察 滴加蔗糖溶液后观察 滴加清水后观察 对学生展示的现象进行点评并提出质壁分离的概念：原生质层与细胞壁分离开来就是质壁分离。 2． 填写实验记录表格 溶液 中央大液泡变化 原生质层位置变化 细胞大小 蔗糖溶液 变小 脱离细胞壁 基本不变 清水 逐渐恢复到原来大小 恢复原位 基本不变 3．实验结果分析与讨论 （1）实验中共涉及三次显微镜观察，其中第一次观察的目的是什么？ 提示：观察正常洋葱鳞片叶外表皮细胞的状态，以便与处理后的细胞状态形成对照。 （2）将紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞放在质量浓度为0.3g／mL的蔗糖溶液中，一段时间后，该细胞的颜色如何变化？其吸水能力又如何变化？ 提示：细胞颜色逐渐变深。吸水能力逐渐增强。 （3）有位同学错取了质量浓度为3g／mL的蔗糖溶液，发现细胞发生了质壁分离，给临时装片滴加清水并引流后几乎没有观察到质壁分离复原现象，原因可能是什么？ 提示：蔗糖溶液浓度太高，细胞过度失水而死亡，不能再发生质壁分离复原。 六、得出结论 学生 各小组进行归纳，得出实验结论： 1．植物细胞的原生质层相当于半透膜。 2．植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。 七、实验延伸 指导学生利用黑藻叶片、紫色洋葱鳞片叶外表皮、质量分数为6％的KNO3溶液、物质的量浓度为2mol／L的乙二醇溶液进行重复实验，观察质壁分离及自动复原的现象。 示例1 紫色洋葱鳞片叶外表皮、质量分数为6％的KNO3溶液 1．制作临时装片。 2．显微镜下观察细胞。每隔1min观察一次。 3．记录：选取细胞长宽比为3：1到2：1的质壁分离细胞3个，用测微尺测量其细胞长度（L1）和原生质体长度（l2），或者用软件计算细胞面积（S1）和原生质体面积（S2），记录测量结果。 时间／min 0 1 2 3 4 5 6 l1 l2 S1 S2 3． 计算：计算出每个时间点三个细胞（或S1／S2）的平均值。 时间／min 0 1 2 3 4 5 6 l1/l2 S1/S2 5．绘制曲线：以（或S1／S2）为纵坐标，以时间为横坐标，绘制曲线。 示例2 黑藻叶片、物质的量浓度为2mol／L的乙二醇溶液 黑藻是高等植物细胞，含有大液泡和大而清晰的叶绿体，能观察到质壁分离及复原现象。 1．用黑藻叶片、物质的量浓度为2mol／L的乙二醇溶液制作临时装片，迅速在低倍镜下观察。 2．持续观察质壁分离及质壁分离复原的现象。 八、质壁分离与复原实验的拓展 教师 用课件演示并讲解几种与质壁分离实验相关的应用。 1．农业生产中的水肥管理 植物的根毛细胞通过渗透作用从土壤中吸收水分，所以在农作物栽培过程中，要适时、适量地灌溉。施肥时要对肥料进行充分稀释，以避免土壤溶液渗透压过高，造成作物失水萎蔫。大型超市里的蔬菜货架上往往带有喷水装置，可以定时喷出水雾防止蔬菜失水，保持蔬菜挺拔、舒展的姿态。 2．生活中杀菌、防腐、腌制食品 微生物细胞也通过渗透作用吸水。如果将食品糖渍、盐渍或者干制，就可以使微生物难以从食品中获取水分，增殖缓慢，从而延长食品的保存期。 教学研讨 这节课的内容是在学习了细胞的基本结构之后学习的，主要包括动物细胞和植物细胞的吸水和失水、质壁分离及复原实验，为下一课时学习自由扩散、协助扩散奠定了基础。 本节课充分发挥教材中蕴含的创新、探究素材，通过问题探讨、思考讨论、概念辨析等，将教材进行优化处理，潜移默化地培养了学生的概念描述、示意图解读能力。首先通过展示实验现象引起学生的注意并激发学生的兴趣，形成感性认识。然后将一系列概念，如扩散、渗透、渗透作用、渗透作用发生的条件等进行循序渐进式引入，继而顺理成章地展开对动植物细胞吸水和失水原理的分析。 在探究实验中，教师适度限定学生自主探究的目标和任务，避免学生出现盲目性，保证探究活动取得实效。在实验操作中，教师提供多种实验材料供学生进行当堂探究和课外延伸，充分调动学生通过探究实践解决问题的积极性。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$