生物分子与细胞：深度解析与优化

《分子与细胞》是高中生物课程必修内容的第一个模块，本模块的内容包括：细胞的分子组成、细胞的结构、细胞的代谢、细胞的增殖、细胞的分化、衰老和凋亡五部分。

（一）学生学习本模块的目的和意义

自然界和人类社会中千差万别的事物，都是运动着的物质的不同表现形式，生命则是物质运动的最高形式。地球上的生命，除病毒外都是由细胞组成的，细胞是生物体结构与生命活动的基本单位。不同生物的细胞，其物质分子组成大体是相同的，即都含有水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质和核酸。因此，要认识生命活动的规律和探索生命的本质，应从研究生命的分子和细胞开始。

本模块选取了细胞生物学的最基本知识，以及细胞研究的新进展和实际应用，这些知识内容也是学习其他模块必备的基础。通过本模块的学习，学生将在微观层面上了解生命的物质性和生物界的物质统一性，活细胞中物质、能量和信息变化的统一，细胞结构与功能的统一，生物体部分和整体的统一等，有助于辩证唯物主义自然观的形成。学习细胞的发现、细胞学说的建立和发展，有助于学生对科学过程和本质的理解。本模块的学习目标是：

1.知识性目标

（1）简述生命的基本化学组成，理解地球上的生命就是以碳元素为基础构建的，生物大分子的基本性质取决于碳骨架长短、结构排列和功能基团；概述细胞内的水和无机盐的作用，阐明生物大分子的结构和功能。检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质。

（2）归纳细胞学说的基本论点，明确电镜观察技术、细胞破碎技术和超离心技术是探索细胞结构和功能的重要途径和方法；认识生物膜系统是生命的最基本结构，胞质溶胶是细胞多种代谢活动的场所，细胞器对活细胞完成各种生命活动的重要作用，细胞核是遗传和代谢活动的调控中心，理解细胞是生命活动的单位。

（3）探究活细胞的细胞膜具有选择通透性，说明不同物质进出细胞的方式。探究活细胞内酶的来源、作用、特性和化学属性，以及影响酶活性的因素。解释ATP与ADP相互转化的关系，阐明ATP在能量代谢中的作用。阐明光合作用过程中的光系统与光反应、暗反应以及葡萄糖生成过程，简述提高光合作用效率的措施，认识光合作用在自然界中的重要性。

（4）举例说明细胞增殖及其意义，图解分生组织细胞的生长和增殖的周期性。概述分裂间期细胞的代谢活动及结果，描述细胞的无丝分裂过程和特征，观察细胞有丝分裂并概述其过程和特征。

（5）举例说明细胞分化是生物个体发育的主要过程，分化的细胞仍然具有发育的潜能。举例说明细胞衰老和死亡是一种正常生命现象，探讨细胞衰老和凋亡与人类健康的关系。描述癌细胞的主要特征，分析说明细胞发生癌变的原因，搜集和交流防治恶性肿瘤的资料。

2.技能性目标

（1）通过用图示将化学元素加以归类，用表格概括水和无机盐的知识，将糖类和脂质知识条理化，用纲要法归纳蛋白质的知识体系，用流程图呈示核酸分子的研究过程，用比较和对比方法处理有关细胞器的学习材料，接受学习方法和策略的训练，提高自主学习能力。

（2）通过观察细胞中DNA和RNA的分布，观察线粒体和叶绿体，鉴定组织中可溶性还原糖、蛋白质、淀粉和脂肪，提取和分离叶绿体色素，制作和观察根尖细胞有丝分裂压片等实验，培养实验操作技能和实验观察能力；通过探究细胞膜的透性，诱发植物细胞质壁分离和复原，探究影响酶活性的因素，探究酵母菌的呼吸方式等实验，接受科学探究方法的训练，培养其科学探究能力。通过模拟研究生物膜的透性，物质扩散速率与细胞大小的关系，培养其实验创新能力。

（3）通过剖析细胞各部分的结构与功能、局部与整体的关系，分析细胞的分裂与分化、分化与去分化、分化与转化的关系，观察和分析有丝分裂不同时期细胞之间的结构联系及发展变化，培养和提高其抽象思维能力。

3.情感性目标

（1）主动搜集有关干细胞的研究与应用、防治恶性肿瘤等方面的资料，积极参与有关细胞学研究的参观、观察、模拟或探究实验活动，关注细胞生物学和分子生物学研究的新进展，认同细胞工程研究具有的重大科学价值和应用价值，提高学习兴趣和增强学习主动性。

（2）深刻认识生命的物质性及生物界的物质统一，生物界与非生物界的物质统一，认识细胞结构与功能的统一、各种活细胞中物质、能量和信息变化的统一，生物体部分和整体的统一等，接受辩证唯物主义教育和逐步树立科学的自然观。

（3）在探究性实验活动中，要善于从亲身经历的事物中发现和提出问题，尝试构想假说，自主设计实验计划，在执行实验方案中收集数据，通过分析数据得出探究结论，从而培养实事求是的科学态度和一丝不苟的科学精神。

（二）本模块在高中生物课程中的地位

《分子与细胞》是高中生物课程必修内容的第一个模块。它与其他两个模块共同组成一个相对完整的知识系统，作为高中生物学的核心内容；也与选修模块的某些内容联系紧密，成为继续学习这些知识的必要基础。

1.本模块在必修部分的地位

在高中生物课程的必修模块内容中，《分子与细胞》部分主要是阐述生命的本质，即生命的化学基础和结构基础，实现自我更新的生理基础，实现自我复制的遗传信息传递基础；《遗传与进化》部分主要是阐述生命的延续性，以及生物界的发生和发展过程及原因；《稳态与环境》部分则主要是阐述生命系统通过自我调节机制保持稳态并适应环境，以及生态系统通过自动调节作用使结构与功能达到协调统一并持续发展。因此，必修部分的三个模块之间的知识联系很密切。

本模块的“细胞的分子组成”单元主要阐述生命的化学基础，即生命是由水、无机盐和生物大分子组成的高度有序的动态体系，能量是推动生命体系的物质运动和保持有序状态的动力，信息传递是维系生命体系的调控机制。因此，物质、能量和信息是一切生命系统的化学基础。该单元阐述的生命分子的结构和功能，不仅是学习细胞的结构、功能、代谢和繁殖等的基础，而且也是学习遗传与进化、稳态与环境等的基础。例如，蛋白质和核酸等是进一步探讨DNA分子的结构与功能，基因和遗传信息的概念，遗传信息的传递和表达，以及基因的调控等的必要前提。蛋白质的结构与功能也是学习激素调节机制的必要前提。此外，生命系统的物质、能量和信息传递等，成为理解生态系统的物质循环、能量流动和信息交流的重要基础。

本模块的“细胞的结构”单元主要阐述生命的结构基础，即细胞是生物体结构和功能的基本单位。既然细胞是生命活动的单位，那么，有关细胞的结构与功能的知识，必然对继续学习细胞代谢和增殖等知识起着重要作用。有关细胞核的知识，对于深入理解有性生殖中配子的作用，以及传宗接代过程中基因的传递、重组和突变等知识起着重要作用。

本模块的“细胞的代谢”单元主要阐述生命实现自我更新的生理基础，即生命活动所需要的能量来自于光合作用和细胞呼吸两个过程，细胞膜是细胞与环境之间进行物质交流和能量转换的必要条件，细胞内的物质交流和能量转换也必须在酶的催化下才能进行，ATP则是生命系统输入、储藏和输出能量，以及细胞实现能量释放、转移、贮存和利用的关键化合物。有关细胞与环境之间进行物质交换和能量交换的知识，是继续学习生态系统内物质循环和能量流动等知识的基础；有关细胞内物质转变和能量转换的知识，则是学习内环境及稳态等知识的基础。

本模块的“细胞的增殖”单元主要阐述生命实现自我复制的遗传信息传递基础，即细胞增殖是通过细胞周期实现的，在细胞生长和分裂的周期中，复制的遗传信息平均分配到两个子细胞中去，使亲代细胞与子代细胞保持遗传的相对稳定性。该单元知识是学习减数分裂、配子生成和融合、合子发育的重要基础，也是学习DNA复制及遗传信息传递的重要基础。

本模块的“细胞分化、衰老和凋亡”单元主要阐述生命的有限性，即分化是细胞、组织和器官的特化，是新生细胞的结构与功能进一步发展的必然，同样，细胞衰老和凋亡是特化细胞的结构与功能活动的必然。细胞癌变则是细胞发生畸形分化的结果。这部分内容与继续学习生物的个体发育、基因的调控机制、基因突变、人类遗传病等知识有着密切联系。

2.本模块与选修模块的内在联系

《分子与细胞》模块的某些内容，与选修模块的相关内容有着内在联系。例如，选修模块中有关酶的应用、微生物发酵、蛋白质的提取和分离、生物净化原理和方法等，都是以“酶与代谢”部分的相关内容为基础的。克隆技术、胚胎干细胞移植等内容，都是对有关细胞全能性知识的应用、引申和拓展。此外，学生通过《分子与细胞》模块的探究性学习活动获得的技能，对进一步学习生物技术实践等知识起到保证作用。(www.xing528.com)

（三）本模块课程内容的要求

本模块内容包括：细胞的分子组成，细胞的结构，细胞的代谢，细胞的增殖，细胞的分化、衰老和凋亡五个部分。每部分内容都是一个相对独立的命题，对各个命题的内容要求如下：

1.“细胞的分子组成”部分

本部分内容的单元知识点有：细胞的元素组成、细胞的分子组成、水和无机盐、糖类、脂质、蛋白质、核酸等。要求是：简述生命元素的类别，说明生物大分子以碳链为骨架；说出细胞内水和无机盐含量、存在形式和生理作用；概述糖类的种类和作用，明确糖类既是细胞的重要结构成分，又是生命活动的主要能源；知道脂质具有区别于糖类的特征，举例说出脂质的种类和作用；举例说出蛋白质的相对分子质量大，阐明蛋白质是结构和功能最复杂的生物大分子，认识蛋白质分子的空间结构对其功能起决定性作用；简述科学家研究核酸化学组成的大体过程，概述核酸的分子结构和功能。检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质，观察DNA、RNA在细胞中的分布。

2.“细胞的结构”部分

本部分内容的单元知识点有：细胞的发现和细胞学说的建立、细胞的研究方法、细胞的类别、细胞的基本结构、细胞膜、细胞器、细胞核、细胞的整体性等。要求是：简介罗伯特·虎克（H.Robert）和列文虎克（A.Leeuwenhoek）在细胞发现过程中的贡献，简述细胞学说的创立过程及其基本观点。列举细胞的多样性，观察多种多样的细胞。阐明生物膜结构“流动镶嵌模型”的主要论点，简述细胞膜的大体功能；说出细胞溶胶的功能，描述细胞骨架的作用；举例说出几种细胞器的结构和功能，观察线粒体和叶绿体；简述细胞核的基本结构，阐明细胞核贮存遗传信息。举例说出细胞各部分结构相互联系和协调一致，理解细胞是一个有机的统一体。

3.“细胞的代谢”部分

本部分内容的单元知识点有：物质进出细胞的方式、ATP与代谢、酶与代谢、光合作用、细胞呼吸等。要求是：实验探究物质通过半透膜的扩散原理，观察植物细胞质壁分离和复原现象，论证细胞膜具有选择通透性；说明离子和小分子物质的跨膜运转方式，以及大分子和颗粒性物质的膜泡运转方式。探究活细胞内酶的来源、作用、化学属性，以及酶作用的特性；探究温度、p H等因素对酶活性的影响。简述ATP分子结构，解释ATP与ADP相互转化的关系，说明ATP的生成途径，阐明ATP在能量代谢中的作用。分析科学家对光合作用的认识过程，形成光合作用的基本概念；提取和分离叶绿体色素，简述叶绿体色素的吸收光谱和作用光谱；阐明光合作用的过程及实质，探究影响光合作用速率的环境因素，认识光合作用原理对提高作物产量的指导作用，理解光合作用是生物界乃至整个自然界最基本的物质代谢和能量代谢。探究酵母菌的呼吸方式，阐述有氧呼吸的化学过程，举例说明无氧呼吸与有氧呼吸的异同，理解细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径。

4.“细胞的增殖”部分

本部分内容的单元知识点有：细胞增殖及其意义、细胞周期、细胞分裂间期、无丝分裂、有丝分裂等。要求是：模拟探究物质扩散速率与细胞大小的关系，理解生物体大多是由许多体积很小的细胞组成的，以及细胞分裂是其发展的必然；举例说明细胞分裂是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。简述细胞生长和增殖的周期性，图解一个细胞周期的持续时间和大体分期。概述间期细胞内进行的正常代谢活动，理解间期是细胞分裂期的准备阶段；描述细胞的无丝分裂过程，概述植物细胞的有丝分裂，观察植物细胞有丝分裂各个分期的特征，简述动物细胞有丝分裂与植物细胞的异同，归纳细胞有丝分裂的共同特征。

5.“细胞的分化、衰老和凋亡”部分

本部分内容的单元知识点有：细胞分化、细胞衰老和凋亡、细胞癌变等，要求是：以合子发育为例，说明细胞分化是生物个体发育的主要过程；以植物组织培养和动物克隆为例，说明分化细胞仍然保持其全能性；搜集有关干细胞研究进展和应用的资料。列举细胞衰老和凋亡是一种正常生理活动的事实，简述衰老细胞的主要特征，探讨防止细胞衰老和延长细胞寿命的可能性，综述有关细胞衰老的理论研究成果。描述癌细胞的主要特征，对致癌因子进行分类，说出正常细胞发生癌变的原因；关注恶性肿瘤的防治，搜集和交流防治恶性肿瘤方面的资料。

（四）教学策略、教学活动的建议

本模块的各单元知识类别的差异很大，教师在教学中对教学策略的选择和活动安排应有所侧重。要组织好各种观察、实验等探究性学习活动，帮助学生增加感性认识，克服对微观结构认识的困难，使学生领悟科学研究的方法并习得相关的操作技能。结合生物个体水平的知识、化学和物理学知识以及学生的生活经验，突破学习难点。鼓励学生搜集有关细胞研究和应用方面的信息，进行交流，以丰富相关知识，加深对科学、技术、社会的相互关系的认识。

“细胞的分子组成”部分，应以生命元素和生命分子为主线，以糖类、脂质、蛋白质和核酸等生物大分子为重点，主要阐明物质、能量和信息是一切生命系统的化学基础。

通过初中阶段的物质科学知识的学习，学生认识到世界是物质的，物质是可分的，构成物质的要素叫做化学元素，由各种元素的原子组成物质的分子。由于学生有一定的知识基础，教学时应给学生提供充足的自主学习时间。生命元素、各种生命分子占细胞体重的大体比例、水和无机盐、糖类等知识要点的教学，可采用指导阅读、学法点拨的教学策略，引导学生逐步学会用精加工策略和组织策略处理知识信息。脂肪的元素组成与糖类相同，但两者的化学性质有显著的区别，教学中要重视引导学生从直接经验中发现脂肪与糖类之间的异同，并且积极思考解决问题的切入点，然后教师运用建立模型的方式讲述各种脂质的分子组成和主要生理作用。蛋白质和核酸是典型的生物大分子，具有相对分子质量大、结构复杂、种类多样、功能重要等特点。教学时，要重视引导学生从感性到理性、从简单到复杂、从局部到整体、从结构到功能，依次地解析蛋白质和核酸的上述特点，并将两者的结构层次加以比较。这样，学生不仅获得有关蛋白质和核酸化学的知识，而且得到科学思维方式的训练。本单元安排的两个实验属于一级探究实验，要求学生通过对研究对象的操作过程，认识其观察对象“是什么”或检测出研究对象中“有什么”，同时接受实验技能的训练，这两个实验容易取得成功。

“细胞的结构”部分，应以认识细胞各部分的结构与功能为主线，以结构是功能的基础、功能是结构的运动形式为重点，主要阐明细胞是一个有机的统一体，是生命活动的基本单位。

本单元教学始于细胞的发现和细胞学说的创立，学生们已经知道罗伯特·虎克利用显微镜观察软木，发现了植物死细胞的轮廓。列文虎克是自学成才的楷模，是世界上最早看到细菌的人，他的事迹对学生具有强烈的教育作用。施莱登（M.J.Schleiden）、施旺（T.Schwann）、微耳和（R.L.C.Virchow）创立细胞学说的过程，使学生领悟到一个学说是经过不断地去伪存真、充实发展而日臻完善的。

细胞的结构和功能的教学，首先要启发学生认识到研究细胞应遵循选择典型、由表及里、由局部到整体的工作程序；对细胞结构的各个部分，都应该从存在位置、外部形态、内部结构、生理功能等方面进行研究。然后，结合典型实例向学生阐明细胞培养、形态观察、成分分析是当前细胞生物学的主要研究方法，这样不仅能开阔学生的眼界和思路，而且为进一步学习细胞的结构打下基础。在教学手段上，要充分利用示意图、模型、照片等直观教具以及科学家研究细胞获得的相关资料，尽量为学生提供足够的感性材料。与此同时，要引导学生将感性认识上升到理性认识，从亚显微结构水平上揭示出相关的生物大分子在细胞内的构建方式及其作用。在本单元的教学中应安排相应的形态观察实验，如观察细胞质流动、观察叶绿体和线粒体等，通过这两个实验要求学生学会使用高倍显微镜。

“细胞的代谢”部分，应以代谢过程为知识链，以细胞膜的物质、能量交换，细胞内物质、能量转化为重点，主要阐明生命实现自我更新的生理基础。

细胞膜作为细胞与环境之间的界膜，不仅为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，而且在细胞与环境之间的物质、能量交换及信息传递过程中起着决定性作用。教学时，先组织学生复习有关细胞膜的位置、形态和结构等知识，进而启发他们感悟到在细胞与环境进行物质、能量的交换过程中细胞膜是否具有选择通透性呢？然后，引导学生完成一组探究细胞活性膜透性的实验，其中包括：实验探究物质通过半透膜的扩散原理，观察植物细胞质壁分离和复原现象，观察细胞活性膜的透性等。在学生领悟细胞膜具有选择性物质运输的功能基础上，教师可借助于图片、录像和相关资料等讲述物质的跨膜运转和膜泡运输。

酶是生物催化剂，代谢实质上是细胞内高度有序的酶促反应的总称。教学中，可安排H2O2分解的比较实验、探究唾液淀粉酶特异性的实验等，引导学生通过概念形成的途径学习酶的概念，并揭示酶作用的高效性和专一性。此外，组织学生探索影响酶活性的因素，初步进行自主性探究。

ATP是生命活动的直接能源，是能量代谢过程中的关键化合物。通过细胞的分子组成的教学，学生已知淀粉和糖原是细胞的储备能源物质，那么，细胞内有直接能源物质吗？细胞怎样利用储备能源物质呢？学生自然是亟待这些问题的答案。ATP的教学以启发性的讲述为主，通过描述ATP在细胞内呈游离态、含量低且不稳定，学生会对ATP是生命能源提出质疑；通过讲述ATP分子的结构及特点，学生会领悟到ATP与ADP的相互转化并伴有能量的贮存与释放；通过解说ATP的形成过程（通过ADP磷酸化反应）需要可持续性能源提供能量，学生会推测出ATP的形成途径；通过解说ATP水解时释放的能量必须被消耗，学生会联想到细胞利用能量的方式。

光合作用是生物界乃至整个自然界最基本的物质代谢和能量代谢，光合作用也真实地显示出生命系统的自主性和高度有序性。初中阶段，学生通过一系列探索性实验，初步形成光合作用的概念。高中生物学课本将为学生提供光合作用的研究史料，期望学生不仅能从光合作用的发现过程中深化对概念的理解，而且能受到科学家们崇高的精神境界的熏陶，因此，教学中要组织学生认真学习和讨论这部分史料。光合作用始于叶绿体色素吸收和转化光能，教学中要指导学生做好提取和分离叶绿体色素的探索性实验，有条件的学校教师应组织部分学生参与叶绿素吸收光谱的演示实验。光合作用过程中物质和能量的转化，是该单元的教学重点和难点之一。由于叶绿素分子在光子驱动下发生的得失电子反应是光合作用过程中最基本的反应，所以教学时要充分利用学生对得失电子反应的已有知识，借助于多种教学媒体，引导学生沿着电子传递链探索能量吸收、传递、转换与贮存的过程，以及相应发生的物质转变。

细胞呼吸是一切活细胞中进行的产能代谢，其实质上也是得失电子的反应。有氧呼吸和无氧呼吸是生物氧化的两种基本方式，两种方式主要以葡萄糖为反应底物。教学时，先启发学生对细胞内产能代谢的方式作出推测，并鼓励他们说出细胞内可能发生类似体外燃烧过程的依据，进而指导学生通过阅读课文初步了解有氧呼吸过程划分的阶段。然后，教师可结合板图阐述有氧呼吸过程发生物质和能量的变化，以及各个阶段的产物和场所；在此基础上，通过引导学生比较有氧呼吸与体外燃烧过程的异同，明确有氧呼吸的本质特征。无氧呼吸的概念教学可运用概念同化的方式，当学生了解到酒精发酵和乳酸发酵的大体过程后，引导学生以有氧呼吸为对照归纳出无氧呼吸的概念。此外，做好酵母菌呼吸方式的探索性实验，有助于学生理解细胞呼吸原理的应用。

“细胞的增殖”部分，应以细胞增殖的方式、过程和意义为主线，以有丝分裂过程中染色体动态及遗传信息传递为核心，主要阐明细胞分裂是生命延续的基础。教学时，首先要启发学生思考：为什么生物体大多是由许多体积很小的细胞组成的，而且细胞生长到一定程度会发生细胞分裂或者不再继续生长？然后组织学生模拟探究物质扩散速率与细胞大小的关系，从中寻找问题答案并认识细胞分裂的意义。

“细胞的分化、衰老和凋亡”部分，应以多细胞生物个体发育过程中的细胞活动为线索，以细胞分化及分化细胞保持全能性为重点，阐明细胞分化、衰老和凋亡是一种正常生理活动，细胞癌变则是细胞发生畸形分化的结果。教学时，应先启发学生回忆初中习得的有关受精卵发育成多细胞生物体的大体过程，然后，通过列举人体发育过程中的具体实例，依次阐述发生的细胞分裂、分化、衰老、死亡、去分化、再分化、再生、转化等术语，从而使学生初步了解发育过程中的细胞变化。细胞分化的教学，可以多能造血干细胞分化程序为例，阐明细胞分化的基本概念；以植物组织培养和动物克隆为例，揭示分化细胞的全能性。细胞衰老和凋亡、细胞癌变的教学，应重视学生搜集的相关资料，引导他们在广泛交流的基础上对有关信息加以整理。