第4章_第1节：被动运输（第1课时）-教案-2023-2024学年高一生物人教版必修一

《被动运输》教学设计
一、教材分析
本节内容为人教版生物学必修1《分子与细胞》第4章“细胞的物质输入和输出”的第1节“被动运输”。
教材首先用一个物理渗透装置演示水分子通过半透膜的渗透现象，通过分析这个装置中水分渗透扩散的原理，为后续学习水进出细胞原理奠定基础。再分别用动物细胞和植物细胞举例归纳出渗透作用的原理，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。并对植物细胞的吸水和失水进行单独分析，为后面探究植物细胞的吸水和失水实验提供理论基础，同时利用这个探究实验让学生进一步学习科学探究的一般方法。在得出被动运输的概念之后，教材又对被动运输的两种形式——自由扩散和协助扩散进行举例说明，并结合模式图分析了它们的异同点。
二、学情分析
在初中阶段的学习中，学生已对植物细胞的吸水和失水有了感性的认识：知道当细胞液溶质浓度小于细胞外液溶质浓度时，细胞就会失水；当细胞液溶质浓度大于细胞外液溶质浓度时，细胞就会吸水；知道一次施肥过多会导致植物烧苗；知道可以利用食盐进行食品腌制等。在物理的学习中，学生对物质分子的扩散现象也有基本的认知。
这些已有的知识和经验可以作为创设教学情境的理想素材，帮助学生更好的理解物质跨膜运输的具体机制。
三、教学目标
1. 通过不同物质的跨膜运输方式，阐明细胞膜具有选择透过性及被动运输的原理和特点。
2. 通过探究植物细胞的吸水和失水，掌握科学探究的一般方法和相关能力，进一步锻炼科学思维。
3. 通过对蔬菜腌制、合理施肥等实际问题的分析和解决，渗透学习物质跨膜运输的实际意义，引导学生分析和解决现实生活中的有关问题。
四、教学重点
1. 被动运输的原理和特点。
2. 探究植物细胞的吸水和失水。
五、教学难点
1. 探究植物细胞的吸水和失水。
2. 转运蛋白的种类和作用。
六、教学流程
（一）问题探讨——分析渗透装置中水分渗透扩散的原理
1. 认识渗透作用
介绍渗透装置和半透膜的特点，播放渗透装置实验现象动图，提问：漏斗管内的液面为什么会升高？播放色素扩散现象动图，引导学生联系物理中学习到的扩散作用。阐述扩散作用的概念，分析其发生条件。基于对扩散作用的认识，得出漏斗管内的液面升高的原因是烧杯中的水分子通过半透膜向漏斗内扩散导致的。
提问引发学生迷思：漏斗管内的水分子会不会向烧杯中移动呢？从而得出半透膜两侧的水分子都能够通过扩散作用自由进出，但由于蔗糖溶液中水的相对含量（单位体积中的水分子数）比烧杯中的水的相对含量低。因此，烧杯中的水扩散到漏斗中的速度比漏斗中的水扩散到烧杯中的速度相对更快些，导致漏斗中水量增加液面上升。并初步理解渗透作用是指水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散。
提问引发学生迷思：如果漏斗管足够长管内的液面会无限升高吗？为什么？引导学生思考和分析，并得出液面不会无限升高，如果漏斗管足够长，当管内的液面上升到一定高度之后，管中的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，液面将不再上升。
2. 分析渗透作用发生的条件
提问：如果用一层纱布代替玻璃纸，还会出现原来的现象吗？引导学生分析纱布不是半透膜，孔隙很大，可溶于水的物质都能够自由通过，包括水分子和蔗糖分子都能通过，所以不会出现原来的现象。并由此得出渗透作用发生的第一个条件是需要具有半透膜。
提问：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？引导学生分析半透膜两侧溶液浓度相同，对水的吸引力相同，所以水分子进出半透膜的相对数量相同，所以漏斗管中的液面将保持不变。并由此的粗渗透作用发生的第二个条件是需要半透膜两侧存在浓度差。
3. 归纳渗透作用的概念
提问：渗透作用的对象是什么？本质是什么？水等溶剂分子移动方向如何？发生条件是什么？由此归纳得出渗透作用的概念是水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜从水的相对含量高（溶液浓度低）的一侧向相对含量低（溶液浓度高）的一侧扩散。
思考：半透膜两侧分别为质量分数为10%的蔗糖溶液和质量分数为10%的葡萄糖溶液，若蔗糖和葡萄糖均不能通过半透膜，请问水分子的移动方向是怎样的？回忆糖类的结构，明确葡萄糖是单糖、蔗糖是二糖，即蔗糖的相对分子质量大于葡萄糖，虽然两者质量浓度相同，但是蔗糖溶液的物质的量浓度低于葡萄糖溶液，蔗糖溶液中水分子的相对含量相对更高，所以从蔗糖溶液移动到葡萄糖溶液的水分子数量远多于从葡萄糖移动到蔗糖的水分子数量，从宏观上来说，水分子的移动方向是从蔗糖溶液移动到葡萄糖溶液。基于这一例子的分析，明确浓度差是指物质的量浓度，而非质量浓度。
（二）水分进出动物细胞
1. 水进出哺乳动物红细胞的现象
展示外界溶液浓度与细胞质浓度不同大小关系下的哺乳动物红细胞的形态图，描述并思考：不同条件下，哺乳动物红细胞的形态是怎样的？为什么会出现不同的形态？水分子的移动方向是怎样的？
当外界溶液浓度低于细胞质浓度时，细胞会吸水膨胀甚至涨破；当外界溶液浓度高于细胞质浓度时，细胞会失水皱缩；当外界溶液浓度等于细胞质浓度时，水分进出动态平衡，即单位时间进出细胞的水分子数相等，细胞形态不变。
2. 分析水进出动物细胞的原理
提问：红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗？这些有机物相当于渗透装置中的什么物质？红细胞中的什么结构相当于一层半透膜？红细胞吸水或失水取决于什么条件？学生思考后能得出：红细胞中的血红蛋白是大分子有机物，不能透过细胞膜。它相当于渗透装置中的蔗糖分子。红细胞的细胞膜相当于一层半透膜。细胞吸水或失水取决于红细胞内外溶液的浓度差；一般情况下，浓度差越大，红细胞吸水或失水越多。
由此归纳出动物细胞与外界溶液构成一个渗透系统，水分子通过渗透作用进出动物细胞，其中细胞膜相当于半透膜，细胞吸水或失水取决于细胞质与外界溶液的浓度差。
进一步提问：当外界溶液的浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？引导学生思考分析后得出：红细胞不一定吸水涨破，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. 水进出动物细胞的应用拓展
提问：临床上输液为什么要用生理盐水（质量分数为0.9%的NaCl溶液）？学生结合当外界溶液浓度等于细胞质浓度时，水分进出动态平衡，细胞形态不变，可得出：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。
提问：连续咳带盐的瓜子时，为什么口腔和唇的黏膜会有干涩的感觉？学生分析可得出：因为口腔和唇的黏膜细胞的细胞质浓度大于外界溶液浓度，细胞失水。
（三）水分进出植物细胞
1. 创设生活生产情境
展示图片并介绍：菜农在卖菜时会在青菜上洒水使其保持坚挺；用蜂蜜腌制番茄时，番茄会渗出水分；农作物施肥过多时会造成烧苗。思考：为什么会出现这些现象呢？水分又是如何进出植物细胞的呢？水分进出植物细胞也是通过渗透作用吗？
2. 初步分析水分进出植物细胞的原理
展示成熟的高等植物细胞模式图，提问：水分进出细胞是指水进出细胞的什么结构呢？基于对水分进出动物细胞的学习，学生很容易就误以为是进出细胞质，此时提醒学生在成熟高等植物细胞中主要的液体环境是哪里？从而引导学生理解液泡内的液体——细胞液是成熟植物细胞内主要的液体环境，所以水进出细胞主要指水进出液泡。
提问：假设水分通过渗透作用进出植物细胞，那么植物细胞中的什么结构相当于半透膜呢？引导学生分析：植物细胞最外层是细胞壁，其伸缩性比较小，作用是保护和支持细胞；但是对于水分子来说，细胞壁是全透性的，即水分子可以自由地通过细胞壁，所以细胞壁不是半透膜。基于对水分进出动物细胞的学习，学生很容易就误以为是细胞膜相当于一层半透膜，此时提问：渗透作用发生的条件之一是半透膜两侧溶液存在浓度差，那对于植物细胞而言，两侧溶液是指什么？那半透膜又是什么呢？学生简单思考就可知道两侧溶液是指外界溶液和细胞液，从而得出半透膜是指外界溶液和细胞液之间的细胞膜、细胞质和液泡膜，在此基础上得出原生质层的概念是细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质，且伸缩性比较大。
3. 探究植物细胞的吸水和失水
（1）提出问题
水分是通过渗透作用进出植物细胞吗？原生质层是否相当于一层半透膜？细胞壁伸缩性比较小，原生质层的伸缩性比较大，那植物细胞吸水和失水时，其形态会发生怎样的改变呢？
（2）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。
（3）设计实验
实验材料如植物细胞和外界溶液应该如何选择？实验现象有哪些观察要点？实验步骤如何？
提问：选用的植物细胞应满足哪些要求？具有发生渗透作用条件的细胞有哪些？容易观察形态变化的细胞有哪些？引导学生思考并得出：成熟的植物活细胞因为具有中央大液泡和原生质层，所以具备发生渗透作用的条件；而未成熟的植物细胞（如根尖分生区细胞）和死细胞则不具有发生渗透作用的条件。此外，由于需要观察原生质层或液泡的形态变化，所以细胞液具有颜色的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞，以及具有较多叶绿体从而使细胞质具有颜色的叶肉细胞容易观察到细胞的形态变化。
提问：选用的外界溶液应满足哪些要求？如何使细胞外溶液的浓度提高或降低？盐酸、酒精、醋酸等溶液是否适用？引导学生思考并得出：外界溶液应选择高于细胞液浓度的溶液以及低于细胞液浓度的溶液如清水，高于细胞液浓度的溶液应既能使细胞发生明显失水，同时又不会使细胞因失水而过快死亡。盐酸、酒精、醋酸等溶液不适用，因为这些溶液对细胞有害，会破坏细胞的活性。
提问：植物细胞吸水和失水的观察要点有哪些？假如植物细胞发生了吸水和失水，植物细胞形态会发生怎样的改变？引导学生思考并得出：应该观察紫色中央液泡体积、紫色中央液泡颜色、原生质层的位置和细胞大小四个指标。
播放动画并介绍实验步骤。第一步是制作装片：选取新鲜洋葱鳞片叶，用刀片在外表皮上画一方框，用镊子撕下表皮，在洁净的载玻片上滴一滴清水，将撕下的表皮放在水滴中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。第二步是低倍镜观察，用低倍显微镜观察洋葱鳞片叶外表皮细胞中紫色的中央大液泡的体积、颜色，原生质层的位置以及细胞体积，以观察细胞的自然状态。第三步是滴加蔗糖溶液，从盖玻片的一侧滴入蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸引流，这样重复几次，将洋葱鳞片叶表皮浸润在蔗糖溶液中。第四步用低倍显微镜观察，观察要点同第二步，以观察细胞的失水状态。第五步是滴加清水，操作方法同第三步，将洋葱鳞片叶表皮浸润在清水中。第六步用低倍显微镜观察，观察要点同第二步，以观察细胞的吸水状态。
（4）进行实验
播放探究植物细胞的吸水和失水的实验视频，有条件的让学生进行实验操作并观察。
（5）分析结果
展示未滴加蔗糖溶液之前、滴加蔗糖溶液之后以及滴加清水之后的紫色洋葱鳞片叶显微镜观察图，引导学生比较观察并从中央液泡的体积和颜色、原生质层的位置和细胞体积四个方面描述实验现象。
在滴加蔗糖溶液之后，中央液泡体积逐渐变小、颜色逐渐变深，原生质层逐渐脱离细胞壁，但细胞体积基本不变；而滴加清水之后，中央液泡体积逐渐变大并恢复原来大小，颜色逐渐变浅，原生质层逐渐贴近细胞壁并恢复原来位置，但细胞体积仍然基本不变。
与初始状态相比，滴加蔗糖溶液之后发生的现象称为质壁分离。提问：质壁分离中的“质”和“壁”分别指什么？为什么会发生质壁分离这一现象？请从外因和内因两个方面分析。从宏观上来看，植物细胞发生质壁分离后植物形态将是怎样？引导学生思考并得出：质壁分离中的“质”指原生质层，“壁”指细胞壁。发生质壁分离的外因是外界溶液浓度大于细胞，液浓度细胞失水，而内因是原生质层伸缩性大于细胞壁，所以在细胞失水时，原生质层会与细胞壁发生分离。从宏观上来看，植物细胞发生质壁分离之后，植物将表现为萎蔫。
与滴加蔗糖溶液之后的状态相比，滴加清水之后，分离的原生质层与细胞壁逐渐贴合，这种现象叫做质壁分离复原。为什么会发生质壁分离复原这一现象呢？从宏观上看，植物细胞发生质壁分离复原后植物形态将是怎样？引导学生思考并得出：质壁分离复原的原因是外外界溶液浓度小于细胞液浓度，细胞失水，从而使原生质层总体积增大并与细胞壁逐渐贴合。从宏观上来看，植物细胞发生质壁分离复原之后，植物将表现为坚挺。
（6）得出结论
基于上述分析，引导学生得出结论：成熟的植物细胞与外界溶液共同构成渗透系统，植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。植物细胞是通过渗透作用吸水和失水的，当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离；当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
提问：质壁分离状态时，植物细胞的原生质层与细胞壁之间存在什么物质？引导学生分析：由于植物细胞壁具有全透性，所以外界溶液可以通过细胞壁，同时细胞失水会使细胞液中的水分通过原生质层渗透出来，所以质壁分离后原生质层与细胞壁之间的是稀释的外界溶液。
提问：发生质壁分离的细胞一定可以复原吗？学生思考并得出：不一定可以复原，如浓度差过大导致细胞失水过多或质壁分离时间过长等，会使细胞死亡而质壁分离不能复原。提问：植物细胞是否会因吸水而涨破？学生思考并得出：植物不会吸水涨破，因为细胞壁具有支持和保护作用。
（7）进一步探究
呈现课后习题，引导学生思考植物细胞质壁分离与复原实验的其他应用：
1. 基于对植物细胞质壁分离原理的理解判断，下列各项无法通过质壁分离实验证明的是（ ）
A. 成熟植物细胞的死活
B. 原生质层比细胞壁的伸缩性大
C. 成熟的植物细胞能进行渗透吸水
D. 水分子可以通过通道蛋白进入细胞
结合所学知识，学生较易分析得出：只有活的成熟植物细胞才能发生质壁分离，A正确；质壁分离的内因是原生质层比细胞壁的伸缩性大，B正确；液泡体积增大说明植物细胞吸水，C正确；质壁分离实验无法证明水分子可以通过通道蛋白进入细胞，D错误。
2. 细胞液中物质的浓度对于维持细胞的生命活动非常重要。先提供紫色洋葱鳞片叶表皮细胞，请设计实验，测定该细胞的细胞液的浓度相当于多少质量分数的蔗糖溶液。写出你的实验思路，并分析其中的原理。
引导学生思考并得出：配制一系列浓度梯度的蔗糖溶液，将紫色洋葱鳞片叶表皮细胞置于配好的各种浓度的蔗糖溶液中，适当时间后用显微镜观察细胞质壁分离的情况。记录刚好发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，以及刚好尚未发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，据此推算出细胞液浓度应介乎与这两个浓度之间。
4. 水分进出植物细胞的生活应用
结合水分进出植物细胞的原理，思考：在青菜上洒水，为什么可使其坚挺？用蜂蜜腌制番茄时，为什么番茄会渗出水分？农作物施肥过多时，为什么会造成烧苗？
学生分析可得出：①在青菜上洒水，外界溶液浓度低于细胞液浓度，细胞吸水，宏观表现为植物坚挺；②用蜂蜜腌制番茄时，外界溶液浓度高于细胞液浓度，细胞失水，所以番茄会渗出水分；③农作物施肥过多时，外界土壤溶液浓度高于根毛细胞液浓度，细胞失水，导致农作物烧苗。
（四）水进出细胞的原理
展示动物细胞和植物细胞在不同条件下的水分子进出细胞的情况和细胞形态，归纳水进出细胞的原理是渗透作用，并总结动物细胞和植物细胞分别对应渗透系统中的结构。
（五）被动运输
1. 自由扩散（简单扩散）
展示自由扩散模式图，介绍水分子可以很容易自由地通过细胞膜的磷脂双分子层。这种物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式成为自由扩散或简单扩散。引导学生根据自由扩散模式图分析自由扩散的特点，并归纳得出为顺浓度梯度运输，由此引出物质在进行扩散作用时顺浓度梯度运输，此时的浓度差为物质运输提供了势能，所以不需要消耗细胞释放的能量，由此得出第二个特点。
阐述除了水以外，氧、二氧化碳、尿素等小分子物质也很容易自由地通过细胞膜的磷脂双分子层，故其跨膜运输方式也属于自由扩散。此外，甘油、乙醇和苯等也是通过自由扩散的方式进行跨膜运输的，为什么它们能以这种方式进出细胞呢？结合细胞膜的结构，引导学生分析细胞膜的骨架是磷脂双分子层，而甘油、乙醇和苯等都是脂溶性小分子有机物，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。
2. 协助扩散（易化扩散）
展示协助扩散模式图，介绍水分子除了可以通过自由扩散的方式进出细胞外，还有如果的方式，让学生分析其不同点，从而得出协助扩散的概念和特点。在此基础上强调，水分子进出细胞的方式既有自由扩散，又有协助扩散，但以协助扩散为主。再补充协助扩散的其他实例和转运蛋白的类型。
展示协助扩散的两种载体蛋白模式图，让学生结合课本介绍，比较分析通道蛋白和载体蛋白的不同点。并强调物质通过通道蛋白时不需与其结合，通道蛋白的自身构象也不会改变；而物质通过载体蛋白质时需要与其结合，并使其自身构象发生改变。
3. 人类对水通道蛋白的探索历程
展示水通道蛋白的结构模式图，让学生阅读课本，并简要归纳人类对水通道蛋白的探索历程：首先是在动物肾脏内发现水分子的跨膜运输远大于自由扩散的速率，此外氢的同位素标记的水分子通过细胞膜时的速率高于通过人工膜，由此推测出细胞中存在特殊的输送水分子的通道。阿格雷通过实验分离出了构成水通道蛋白的蛋白质，由此证实了水通道蛋白的存在，此外还在多种生物的多种细胞中发现了多种水通道蛋白，而且肾小球的滤过作用和肾小管的重吸收作用都与水通道蛋白有关。
4. 自由扩散和协助扩散的比较
展示自由扩散和协助扩散模式图，引导学生从物质跨膜运输方向和是否需要消耗细胞内化学反应产生的能量两个方面，分析自由扩散和协助扩散的相同点，由此归纳出被动运输的概念：物质以扩散方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量的物质跨膜运输方式。
引导学生分析自由扩散和协助扩散的不同点，得出自由扩散不需要转运蛋白，而协助扩散需要转运蛋白。展示两种物质跨膜运输方式的膜内外物质浓度差与运输速率的关系图，让学生分析哪条线指代哪种跨膜运输方式，并说明原因。引导学生分析得出：由于自由扩散不需要转运蛋白，所以只会受到膜内外物质浓度梯度的影响，所以甲线表示自由扩散；而协助扩散除了会受膜内外物质浓度梯度影响外，还受转运蛋白的数量影响，所以乙线表示协助扩散。进一步提问：转折点（A点）后限制运输速率的因素是什么？学生较容易分析得出是转运蛋白的数量。
5. 探究实验设计
提问：温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率吗？请你提出假设，并设计检验该假设的实验方案。学生很容易就可以提出假设：温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率。提示：那应如何设计实验方案呢？就应该分析变量，使无关变量保持一致，让自变量改变，观察其对因变量的影响。引导学生分析得出：温度是自变量，可以设置不同温度；因变量是水分通过半透膜的扩散速率，应该观察其变化；其他因素如漏斗内蔗糖溶液的量和浓度为无关变量，应保持一致。进一步提示：如何观察水分通过半透膜的扩散速率？引导学生分析得出：可用渗透装置进行实验，并将单位时间内外界溶液浓度的变化或漏斗管液面上升的速率作为观察要点。最后让学生整合要点并尝试描述实验方案：将渗透装置置于不同温度的环境中，漏斗内蔗糖溶液的量和浓度等其他条件相同，观察漏斗管液面上升速率的快慢，分析温度对水分子扩散速率的影响。
6. 被动运输与植物细胞吸水和失水实验的综合应用
假如将甲乙两个植物细胞分别放在蔗糖溶液和甘油溶液中，两种溶液的浓度均比细胞液的浓度高，在显微镜下连续观察，可以预测甲乙两细胞的变化是（ ）
A. 甲乙两细胞发生质壁分离后，不发生质壁分离复原
B. 甲乙两细胞都发生质壁分离，但乙细胞很快发生质壁分离复原
C. 只有乙细胞发生质壁分离，但不会发生质壁分离复原
D. 甲乙两细胞发生质壁分离，随后都很快发生质壁分离复原
引导学生分析：蔗糖不能通过原生质层；甘油和水能通过原生质层，但甘油（自由扩散）的扩散速率慢于水（协助扩散和自由扩散）。开始时，蔗糖溶液和甘油溶液的浓度均高于细胞液浓度，细胞失水，发生质壁分离。一段时间后，随着甘油进入细胞液的量增多，细胞液浓度升高，甘油溶液浓度降低，当甘油溶液浓度低于细胞液浓度，细胞吸水，发生质壁分离复原；而蔗糖无法进入细胞液，故无法发生质壁分离复原。故答案为B。
进一步拓展：如果外界溶液为HNO3溶液，则植物细胞将发生什么现象？
（六）总结归纳