1、细胞中的元素和无机化合物第一章 第一节教材分析本课时内容是“模块1 分子与细胞”的第一课，也是学习普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）（以下简称“新课标”）下的高中生物学的第一课，依据“新课标”的“核心素养为宗旨”的基本理念，本课从物质与功能的角度解释构成细胞的元素、水、无机盐是多种生命活动的物质基础，依据新课标设计和实施的“内容聚焦大概念”的基本理念，本课时精选的主要包括构成细胞的元素、水、无机盐是细胞中的无机化合物等内容，是学习“概念1 细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的知识基础。由于学习本课内容需要化学相关知识的支持，本节以门捷列夫创建化学元素周期表的事实为例，为探
2、索从元素到分子、从自然界到生物体的物质世界的奥秘创设了生物学与化学相联系的跨学科情境、无机自然界与生物界相联系的观念情境。作为高中生物学必修1的第一课，设计了以人体细胞里含有的一些化学元素及其含量为主要内容的“积极思维”活动，在探讨组成生物体的元素的种类、含量及作用时，既体现了人体细胞的特殊性，又体现了人体细胞属于生物细胞的一般性，教科书采用有关人体的相关数据，期待引导学生从认识自我出发，产生进一步认识复杂生命世界的愿望，并由此深入学习本课其他内容。水和无机盐是细胞中的化合物，水是细胞鲜重时含量最多的物质，无机盐是种类多、含量少、作用大的物质。它们对细胞的生命活动都有非常重要的作用。以Ca2+
3、为例，其在细胞内的信号传导中具有特殊作用，对许多酶和功能蛋白质产生多种生物学效应，如肌肉收缩、神经兴奋传导、细胞分泌、细胞分化和增殖等生命活动中，都不能缺乏Ca2+。因此，本节内容的学习，对于认识生物与环境在物质联系上的相关性及生命活动中作用的特殊性，认识生物体在细胞结构和功能上的协调统一性都具有重要意义。教学目标1通过积极思维活动，说出细胞主要由C、H、O、N、P、S等元素组成。2通过比较自然界存在的元素和组成细胞的元素，分析生物体内不同元素的含量，以及以硒为例的元素的作用，理解组成生物体的元素、大量元素、微量元素的概念和作用。3通过比较生物细胞中不同化合物的含量，了解水和无机盐是组成细胞的
4、无机分子。4通过阐述水在细胞中的含量、存在形式（如结合水、自由水）、赋予细胞的许多特性等，理解水在生命活动中有重要作用。5通过举例说出无机盐在细胞内含量虽少，但与生命活动密切相关，理解无机盐是生命活动中不可缺少的重要物质。教学目标1：着重体现了“生命观念”的要素。教学目标2：着重反映了“生命观念”和“科学思维”的要素。教学目标3：着重体现了“生命观念”“科学探究”和“社会责任”的要素。教学目标4：着重反映了“生命观念”和“科学思维”的要素。教学目标5：着重反映了“生命观念”“科学思维”和“社会责任”的要素。情境设置1展示图片：化学元素周期表、铜草花。（简要介绍化学元素周期表和铜草花。）2提问：
5、铜草花所指示的“铜”在化学元素周期表中的哪个位置上？在初中生物学中，有哪些内容能反映生物体内具有化学元素周期表（以下简称“表”）中所列的物质？举例1：CO2和H2O是光合作用的原料和呼吸作用的产物，含有C、H、O三种元素。举例2：钙和磷是构成牙齿和骨骼的重要成分。在表中找到学生所述元素在表中的位置，在初中知识与高中知识有机联系中引入新课。新课学习一、开展“积极思维”的活动教师引导1：当我们翻阅本章内容时，会发现本章内容是围绕“细胞的分子组成”展开的。在初中生物学中，已经了解了哪些与生物体生命活动有关的物质？（设计意图：初高中知识衔接，降低学习难度。） 学生活动：学生议论，举例说出人体所需要的营
6、养物质有蛋白质、脂肪、糖类、维生素、水和无机盐等。（设计意图：由初中所学知识进入高中阶段对相关知识的深度学习。）教师引导2：以营养物质组成细胞的物质人体细胞含有的元素为线索，引导开展积极思维活动。人体从食物中获取的营养物质，最终成为组成人体细胞的各种物质。那么，组成人体细胞的物质又是由哪些元素组成的？阅读教科书P5“积极思维 人体细胞里含有哪些元素呢？”，尝试对有关问题作出解答。学生活动：学生阅读教科书P5“积极思维”。（学生阅读期间，教师可以引导学生特别关注表1-1-1所列举的数据。）教师引导3：以提问的形式引导学生概括“事实”的主要内容。两个“事实”主要说明了哪些事实？表内外列举了几种人体
7、细胞含有的元素，这些元素在细胞中的含量有什么不同？为什么没有列出铜元素？（没有忽视拓展的情境信息的作用。事实是铜元素含量更少。）学生活动：学生在阅读教科书P5“积极思维”基础上，回应教师的提问，并观察教师展示的图片“生命元素在元素周期表中的位置分布”。（设计意图：初步了解组成生物体的元素种类，为深度学习“构成细胞的元素”做准备。）(引自：朱万森生命中的化学元素上海：复旦大学出版社2014)引自：陈阅增普通生物学生命科学通论北京高等教育出版社1997教师引导4：根据上述事实和已有经验，能对“思考”中的问题作出解答吗？学生活动：学生自主交流，尝试解答“思考”问题。1列举：从人体所需的营养物质分析，
8、上述含量较多的元素（如氧、碳、氢、氮）可能参与了细胞中蛋白质、糖类、脂肪等物质的组成，而钙和磷是组成牙齿和骨骼的重要成分。另外，蛋白质燃烧时，会产生特殊的臭味，是因为蛋白质含有硫。2推测：人体内除Fe、Se含量很少外，Cu、Zn等元素的含量也很低。Fe是血红蛋白的组成元素。科学家研究发现Se与人体的多种生命活动有关。（展示生命元素图，简要说出科学家对硒研究的成果。如视力超群的鹰眼中的硒含量是人眼的100倍）3生物体通过各种途径，从其生活的环境中获取所需的元素，组成生命活动所需的各种物质。学生活动：在师生交流、归纳“积极思维”的活动内容后，提出活动中产生新的疑问，师生简要解答。二、学习“构成细胞
9、的元素”教师引导1：展示“生命元素在元素周期表中的位置分布”图，指导学生阅读教科书P6“构成细胞的元素”的第一段和第二段，并简要描述、归纳。（教师提出同座合作学习、交流。）学生活动：观察阅读PPT展示的“生命元素在元素周期表中的位置分布”图，阅读教科书P6“构成细胞的元素”的第一段和第二段，同座同学之间尝试就教科书内容进行简要的描述、归纳。教师引导2：1不同元素在地壳中和在生物细胞中所占的比例是否相同？举例说明。（可用教科书中的数据。）2生物细胞中含量最多的元素是哪些？举例说明。（可回顾前“积极思维”表中数据。）3为什么说组成生物体的任何一种元素都能在无机自然界中找到？（可结合“生命元素在元素
10、周期表中的位置分布”图，尝试举例质疑此说法。）4对生物体中常见的20多种元素，科学家是如何进行分类的？（设计意图：使学生认识到根据在生物体内的含量多少，将生物体内的化学元素分为大量元素和微量元素，是科学研究中常用的分类方法之一，而这些元素在生物体内的含量会因生物种类的不同、生物生长阶段的不同等多种因素的影响而有所不同。）5了解不同元素在生物体内含量的多少，对于认识生物的生命活动有什么意义？（设计意图：C、H、O、N、P、S是所有细胞结构和功能的基本元素；不同生物体内所含元素基本相同；不同生物体内的每种元素的含量存在一定的差异。由此说明了生物界的不同生物之间虽然具有差异性，但生物界又具有统一性。
11、）学生活动：学生通过阅读教科书相关内容，针对教师提出的问题，自主给出解答，并在教科书上做相应的笔记。1不同元素在地壳中和在生物细胞中所占的比例各不相同。2生物细胞（鲜重）中含量最多元素是O。3组成生物体的元素都是化学元素周期表中的天然元素（非人造元素）。4根据在生物体内的含量多少，生物体内的化学元素分为大量元素和微量元素。5O含量，O、C、H、N含量，O、C、H、N、P、S含量具有特殊意义。6生物界的不同生物之间虽然具有差异性，但生物界又具有统一性。教师引导3：阅读教科书P6第三段内容。分析思考：克山病的病因是什么？科学家研究、治疗该病所采用的方法是什么？科学家研究所得出的结论是什么？学生活动
12、：学生通过阅读相关内容，交流对问题的认识。（设计意图：这是本课时首次呈现科学家研究方法，意在引导学生学习运用科学方法来解决生物学问题。）1克山病是由环境中缺乏微量元素硒。说明含量极少的微量元素对生命活动也具有重要作用。2科学家的研究方法是对照实验法。治疗方法是服用亚硒钠酸。3结论：生物体会因环境中缺乏某种元素而发生该元素的缺乏症。教师小结：简要概括“构成细胞的元素”的主要内容，重点突出大量元素、微量元素、基本元素等；通过缺硒导致疾病的研究，在说明各种元素都具有特定作用外，兼顾科学方法的学习。三、学习“水和无机盐是细胞中的无机化合物”教师引导1：请阅读教科书P6“表1-1-3”，讨论以下问题（学
13、习细胞中的主要化合物）：1表中所列某种植物细胞中的主要化合物与初中生物学中提到的人体所需要的营养物质有什么不同？2为什么“表1-1-3”中列出了核酸，而没有列出维生素？（设计意图：初高中知识衔接，同时突出核酸作为遗传信息携带者的生物学核心知识地位，而维生素的生理作用非现阶段生物学的核心内容。）学生活动：学生通过阅读比较“表1-1-3”中内容，交流对问题的认识。教师引导2：展示植物细胞中化合物图、大肠杆菌细胞的分子组成，进一步认识“表1-1-3”中所示物质在生物生命活动中的含量与作用相匹配的事实（是否展示根据学情决定）。引自：陈阅增普通生物学生命科学通论北京高等教育出版社1997（一）学习“水赋
14、予细胞许多特性”教师引导3：与植物细胞和大肠杆菌细胞一样，动物和其他生物的活细胞中，水都是含量最多的物质，无机盐都是含量很少的物质。首先通过阅读P7第一段的内容，注意观察分析“图1-1-1”的内容信息，同学之间可以交流。（学习水分子、氢键与水的理化特性。）水分子是如何组成的？水分子之间是通过什么样的作用力相互联结的？这种作用力是如何形成的？氢键的存在使水具有哪些特殊的理化性质？水的理化性质与细胞的生命活动有什么关系？学生活动：阅读P7第一段的内容，尝试解答教师提出的问题，并进一步提出自己的疑问。1水分子是由2个氢原子和一个氧原子以共价键结合而成的。2水分子之间是通过氢键相互联结的？氢键是一个水
15、分子带负电荷（-）的氧原子与另一个水分子带正电荷（+）的氢原子以静电引力相互吸引形成的。3氢键使水具有的理化性质包括：水分子具有极性；水的熔点和沸点增高。4水的理化性质与细胞生命活动的关系（举例）：水分子具有极性，使具有极性基团的分子都能溶于水中，如细胞中的糖类分子能溶于其中，水分子还能附着在纤维素、淀粉和蛋白质等物质上。水的熔点和沸点增高，能使细胞温度维持相对稳定，有利于细胞的代谢活动。教师引导4：教师展示拓展资料：细胞质膜的化学组成（设计意图：为学习水的两种存在形式提供事实依据）。成分相对含量蛋白质30%40%脂质40%50%糖类1%5%金属离子、无机盐少量水少量（20%结合水，80%自由
16、水）教师引导5：请阅读教科书P7第三段的内容（学习自由水的内容）。思考问题：1自由水为什么能参与细胞中的各种代谢活动？2举例说明自由水参与了细胞的代谢活动。学生活动：阅读教科书P7第三段的内容，思考并回答上述问题，并提出有关新问题（如自由水也是细胞质膜的结构物质）。（可播放细胞质流动、血液流动等视频，说明自由水使其可以流动）：1自由水的理化特性使其具有以下作用：自由水是细胞中良好的溶剂。自由水是细胞中生化反应的介质。自由水还能直接参与生化反应。自由水具有细胞内外物质运输的功能。2举例：直接参与细胞代谢活动光合作用：叶绿体利用CO2和H2O合成糖类。教师引导6：请阅读P7第四段的内容（学习结合水
17、的内容）。举例说出结合水在生物生命活动的作用。学生活动：阅读P7第四段的内容，思考并回答上述问题，进一步交流含结合水较多的生物类型。（PPT展示相关图片）：1结合水是细胞的组成成分。2休眠的种子，越冬的植物，耐旱、耐寒、耐盐碱的植物结合水含量相对较多。 举例：如越冬植物细胞中含糖量增加，使结合水增加，自由水减少，抗寒力增强。教师引导7：反思“水赋予细胞许多特性”的全部内容，用示意图简要归纳相关主要概念。（教师可提供相关学案，指导学生学习归纳的方法。）学生活动：快速整体性浏览“水赋予细胞许多特性”的内容，划出重点，并画出概念简图。教师引导8：PPT展示相关图片，简要小结：1水对于维持细胞形态、保
18、证细胞代谢等方面的作用。（启发学生举例：如细胞失水萎蔫；生命活动旺盛的细胞自由水含量高；干燥种子吸水后才能萌发。）2着重点明水在生命活动中的重要作用：没有水就没有生命（生命观念的基石）。（二）学习“细胞中的无机盐与生命活动关系密切”教师引导9：阅读教科书内容时，特别注意比较无机盐和水之间的含量和作用的比较。1回顾阅读教科书“表1-1-3”，注意无机盐的所属化合物的类别，以及在细胞中含量。2阅读教科书P7第六段及“表1-1-4”有关无机盐的内容，并与水在细胞中的含量、作用进行比较。学生活动：围绕上述学习要求阅读分析“表1-1-3”中数据，获得无机盐的相关信息；阅读分教科书析P7第六段及“表1-1
19、-4”有关无机盐的内容，获得“细胞中无机盐含量少，生理作用大”的结论。教师引导10：指出“表1-1-4”有关无机盐的内容，需要在今后的学习过程中逐步加深理解。例如，本模块第二章第三节的内容对理解无机盐维持细胞渗透压的作用有一定的帮助；选择性必修2中稳态的内容对理解生物体液的酸碱平衡有一定的帮助；本模块其他章节内容对铁、碘、镁的作用都有相应描述，有助于进一步学习。（可以带着学生翻阅相关内容，既避免死记硬背，又使学习有全局观念。）学生活动：在教师的启发下，初步了解几种无机盐在维持细胞代谢活动、细胞的渗透压、生物体液酸碱平衡等方面的作用。教师引导11：缺硒会引起心肌功能不全症导入（瞻前顾后），某些无
20、机盐缺乏或过多，都会引起生物体出现相应病症。阅读教科书P8内容（知识链接的内容简读或课后读），注意以下相关问题：1哺乳动物缺钙或钙过多时，会出现什么现象？缺钙、缺钾的番茄会出现什么现象？2了解植物的某种元素缺乏症，对农业生产有什么指导意义？3如何解决化肥施用过量造成的环境污染问题？4什么是精准农业？在我国是否已经实施？（可以查阅资料或阅读P10“课外阅读”。）学生活动：阅读P8内容，讨论有关问题，并进行交流。1哺乳动物缺钙时，肌肉抽搐，钙过多时，肌肉乏力。番茄缺钙得果实脐腐病，缺钾老叶尖端、边缘失绿或坏死。2根据植物元素缺乏症针对性施肥。 3通过精准农业解决化肥过量问题。4精准农业是根据农田的
21、土壤元素状况和作物的元素缺乏症，定位、定量的精确施肥。我国部分地区已经开始实施。教师引导12：对本节课的主要内容进行归纳小结，落实知识点和主要概念，对板书内容进行适当补充和完善。学生活动：翻阅教科书、同伴交流，明确本课的重点内容。教学板书第一章 细胞的分子组成第一节 细胞中的元素和无机化合物一、构成细胞的元素（一）含量最多的元素：O（占细胞鲜重65%）、C、H、N 大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Na、Cl（二）常见元素20多种 构成细胞结构和功能的基本物质 微量元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Co、Se（三）生物体的元素缺乏症二、水和无机盐是细胞中的无机化合物 水分
22、子的特性：水分子是极性分子（一）水赋予细胞许多特性 氢键：使水的熔点和沸点增高 维持细胞形态 自由水参与细胞中各种代谢活动 保证细胞代谢 结合水是组成细胞的重要成分（二）细胞中的无机盐与生命活动关系密切含量少，作用大：细胞代谢、细胞渗透压、体液酸碱平衡过多过少引起病症：缺钙、钙过多、缺钾（举例）精准农业课堂反馈1下表是某生物细胞中主要的分子组成，表中数据不能确定的是( )成分水蛋白质核酸糖类脂质无机盐相对含量/%70157321A水是细胞中含量最多的物质B蛋白质是细胞中含量最多的有机物C无机盐是细胞中含量较少的物质D氧和氢占该细胞鲜重的百分比解析在该生物细胞的分子组成表中，各种物质的量(相对含
23、量/%)已经明确标出，通过读表可以得知水是所有物质中含量最多的物质，此外蛋白质的含量是有机物中最多的，这也符合细胞在鲜重时的情况。由于表中没有列出全部物质，无机盐虽在表中最少，但在细胞中不一定最少，故为相对较少。表中除无机盐不确定外，几乎所有物质中都含有氧和氢，但有机物中的氧和氢含量会各有不同（鲜重百分比）。如果是从原子总数来看，在人体原子总数占百分比最多的是氢原子。同时，有关内容还需要通过进一步学习才能理解。答案D2下列有关水分子和氢键关系的说法，不准确的是( )A氢键是水分子的氢原子和氧原子之间形成的化学键B在水分子的氢原子和带负电荷的氮原子之间可形成氢键C氢键是水分子间较弱的吸引力，可以
24、形成也可以断裂D氢键使水分子间的作用力增加，使水的熔点和沸点都增高解析氢键是不同水分子之间的氢原子和氧原子之间形成的化学键，水分子内部的氢原子和氧原子以共价键结合。氢键可以在相同分子之间如水分子之间形成，也可以在不同的分子之间形成，大分子内部的也可以形成氢键（进一步学习可以获得相关知识）。氢键不是化学键，而是分子间的静电引力，受到多种因素的影响，可以形成，也可以断裂，水中的氢键处于动态变化中。由于水分子之间极易形成氢键，而氢键断裂需要吸收能量，例如，当1 g水的温度上升1时，不仅需要消耗热量使分子运动加快，还需要能量破坏氢键。答案A3在初中生物学中，我们已经学习了植物的光合作用的知识，还知道植
25、物的生长需要无机盐。请结合初中所学内容，回答问题。（1）光合作用的原料是水和 。用于光合作用的水直接来自细胞中的 （选填“结合水”或“自由水”）。（2）在遭遇较长时间干旱的情况下，农作物会因为失水发生 现象，此时失去的水是 。将收获的农作物种子晒干后才能长期贮藏，此时种子的细胞中含量最多的是 。（3）植物生长需要 种无机盐，所需无机盐中含量较多的是含 的无机盐。（4）镁是植物细胞中合成 所需的元素，可在我国有些地区的实际生产中并不施用含镁的化肥。其原因可能是 。解析本题联系初中所学知识解决相关的应用问题。光合作用的水直接来自细胞中的自由水，因为结合水是和其他分子结合的水，不能直接参与生化反应。
26、干旱时，细胞失水出现萎蔫现象，失去的是自由水，此时有的叶片卷曲，能减少水的散失，具有一定的保护作用。植物生长需要多种无机盐，其中氮、磷、钾是需要量较多的无机盐。一些地区农作物栽培中不施镁肥，是因为当地土壤中含有较多的镁，能满足农作物生长的需要。而一些地区，由于土壤中镁含量极低，生产上就需要施镁肥了。答案（1）二氧化碳 自由水 （2）萎蔫 自由水 结合水 （3）多 氮、磷、钾 （4）叶绿素 这些地区的土壤中含有较多的镁，植物生长中不会发生缺镁现象课堂总结今天这节课，我们主要学习了构成细胞的元素、细胞中的无机化合物水和无机盐的知识。通过学习，我们知道不同生物细胞中所含的元素种类基本相同，含量不同的大量元素、微量元素各有不同的生理功能。细胞中水的两种存在形式自由水和结合水，都是生命活动所需的水；无机盐在细胞中虽然含量较少，却有重要的生理功能。环境中缺乏某种元素，可能会导致生物出现相应的元素缺乏症。在农业生产上，合理利用水和无机盐进行灌溉、施肥，减少污染，已经成为现代化的精准农业所追求的目标。 16 / 16
