高中生物（高二年级）《物质与能量观视角下的人体稳态维持》教案

高中生物（高二年级）《物质与能量观视角下的人体稳态维持》教案

一、教材与教学内容解析

（一）【基础】教材地位与内容重构

本课内容并非对应高中生物学科某一本教材的独立章节，而是基于《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中“概念1细胞的分子组成与结构”及“概念2细胞的生存需要能量和营养物质”的深度融合与重构。具体而言，本课将必修一《分子与细胞》中“细胞的物质输入和输出”、“酶与ATP”、“细胞呼吸”等核心概念，以及选择性必修一《稳态与调节》中“人体的内环境与稳态”进行跨模块整合。本课以大概念“物质与能量观”为统领，旨在打破模块壁垒，引导学生从系统论视角理解人体作为一个开放系统，如何通过物质转化和能量流动实现自我维持与稳态调节，这既是生命观念的深化，也为后续学习生态系统能量流动奠定基础。

（二）【重要】学情分析

授课对象为高二年级学生，他们已经完成了必修一和选择性必修一的基础学习，掌握了细胞膜的结构与功能、ATP是直接能源物质、有氧呼吸过程以及内环境稳态等零散知识点。然而，学生对知识的理解通常呈现“点状”分布，缺乏将其串联成“线”并织成“网”的系统思维。具体表现为：1.能背诵ATP是“能量货币”，但不理解其“货币”本质在于高能磷酸键的断裂与形成在吸能反应与放能反应之间的偶联作用；2.能复述有氧呼吸的三个阶段，但无法从物质中的化学能逐步释放、转移并储存到ATP的角度进行能量流动分析；3.能说出内环境稳态的调节机制，但难以将细胞代谢（物质与能量转化）与内环境成分（物质）的稳定性建立起因果联系。因此，本课的核心任务不是讲授新知识，而是通过“物质与能量”这一上位概念，帮助学生完成知识的结构化、网络化重构，实现从“记忆者”到“解释者”再到“预测者”的思维进阶。

（三）教学核心目标

基于学科核心素养的四个维度，制定如下教学目标：

1.生命观念：能够以人体为具体实例，系统阐述“物质是能量的载体，能量是物质循环的动力”这一核心原理。能运用物质与能量观解释消化、吸收、呼吸、循环、排泄等生理过程中物质的转化与能量的流动，形成动态、平衡的生命观。【非常重要】

2.科学思维：通过构建人体物质能量转化与流动的概念模型（如“血糖-ATP-生命活动”模型），培养模型与建模能力。能够基于给定的情境（如剧烈运动、饥饿、发烧），运用归纳与演绎的方法，理性分析体内物质含量与能量供给的变化路径。【高频考点】

3.科学探究：通过对“尿常规化验单”或“运动后肌肉酸痛与恢复”等生活实例的分析与研讨，尝试提出关于物质代谢或能量失衡的可探究问题，并设计简单的验证思路。

4.社会责任：能够运用本课所学知识，科学解释节食减肥、剧烈运动后大量饮水等日常健康误区，为健康生活方式提供生物学理论依据，担当健康中国的宣传者。

二、【核心】教学实施过程

（一）【情境创设与问题提出】“奔跑的身体，不息的能量”

1.导入环节：播放一段时长为30秒的“校园运动会百米冲刺”短视频，画面聚焦于运动员起跑、途中跑、冲线后的大口喘息与肌肉颤抖。视频戛然而止，教师抛出连环问题：

（1）在短短十几秒的冲刺中，运动员的腿部肌肉剧烈收缩，这些肌肉细胞收缩做功所需的【能量】从何而来？是不是直接来自于我们吃下去的米饭中的葡萄糖？

（2）我们能看到运动员在赛后会大口喘息，呼吸频率和深度都显著增加，这与他们体内细胞的【物质】代谢有何关联？吸入的氧气最终去了哪里？

（3）剧烈运动后，有人会感到肌肉酸胀，有人第二天会出现肌肉酸痛。这些现象背后，反映了细胞内【物质转化】和【能量供应】的哪种状态改变？

2.设计意图：选取学生亲身体验或目睹过的真实情境，将抽象的“人体”具象化为“奔跑的身体”，瞬间拉近宏观生理现象与微观细胞机制的距离。通过三个连续问题，分别指向能量来源、物质代谢与呼吸的关系、以及代谢产物的生成，巧妙地将学生的思维从宏观现象引入微观本质，并点明本课的核心线索——物质与能量。

（二）【构建概念模型】“细胞能量通货的周转”——ATP与ADP的微观动态

1.核心问题：肌肉细胞收缩的能量，究竟是如何被调用起来的？

2.活动设计：小组合作，利用磁吸式教具（包含腺苷、核糖、磷酸基团、普通化学键、特殊化学键、能量符号、酶等卡片）在黑板上构建动态模型。

3.教学过程：

（1）【基础】结构还原：引导学生回顾ATP的结构简式A—P~P~P，并利用教具组装出一个ATP分子。教师强调其中“A”并非腺嘌呤而是腺苷（腺嘌呤+核糖），两个“~”代表特殊的化学键（高能磷酸键），其水解时释放的能量远高于普通化学键。【重要】

（2）【难点突破】供能机制模拟：教师展示肌肉收缩的微观动画截图，并提出任务：“假设右侧的肌丝需要能量进行滑动，请你们小组用模型演示ATP如何为其供能，供能后自身结构发生了什么变化？”

学生操作：将一个ATP分子末端的磷酸基团连同特殊的化学键一起“水解”下来，形成ADP和一个游离的磷酸（Pi），并将代表“能量”的爆炸型符号移动到肌丝蛋白上。

（3）【热点】即时再生：教师追问：“细胞中的ATP储量很少，只能维持几秒钟的剧烈运动，为什么运动员能持续奔跑？”引导学生理解ATP与ADP的相互转化。

学生操作：将刚才剩下的ADP与游离的Pi，在另一组“合成酶”卡片的作用下，再次结合上“特殊的化学键”，重新组装成ATP。教师补充，这个过程需要能量，能量的来源就是后面要讲的细胞呼吸。

（4）提炼概念：通过模型的“水解-合成-再水解”的动态循环，教师引导学生归纳出ATP作为“能量货币”的本质——它不是能量的“蓄水池”，而是能量的“流通货币”。吸能反应（如肌肉收缩）伴随着ATP的水解，放能反应（如细胞呼吸）伴随着ATP的合成。ATP-ADP循环构成了细胞内能量流动的基本单元。【非常重要】

4.教学评价：观察学生是否能准确操作模型的拆分与重组，是否能解释清楚“特殊的化学键”在能量释放中的作用，并随机提问货币“储蓄”与“流通”的类比是否恰当。

（三）【解密能量来源】“燃尽的能量，源于物质的分解”——细胞呼吸中的物质转化与能量流动

1.核心问题：ADP转化成ATP所需的能量，又来自哪里？被消耗的ATP末端磷酸基团最终去了哪里？

2.活动设计：基于“葡萄糖是主要的能源物质”这一已知结论，引导学生以“碳原子”的视角，追踪葡萄糖在细胞内的“旅行”与“重生”。

3.教学过程：

（1）【基础】创设物质流任务：给出一个葡萄糖分子（C6H12O6）和一名正在安静阅读的学生图片。任务：“请你们以化学家的视角，追踪这个葡萄糖分子中的‘碳原子’和‘化学能’最终的命运。”

（2）【高频考点】有氧呼吸的物质转化过程：

教师提供简化版的有氧呼吸流程图（包含细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜三个场所及主要产物）。

学生活动：分三步追踪“碳原子”。

第一阶段（细胞质基质）：1个葡萄糖（6C）→2个丙酮酸（3C）+少量[H]+少量ATP。

追问：“碳原子消失了没有？”引导学生明确物质不灭，只是从一种有机物（葡萄糖）转化成了另一种有机物（丙酮酸）。能量也未被完全释放，大部分还储存在丙酮酸中。

第二阶段（线粒体基质）：2个丙酮酸（3C）+6H2O→6个CO2（1C）+大量[H]+少量ATP。

追问：“葡萄糖的碳骨架最终去了哪里？”明确最终以CO2形式排出体外。这部分碳来自有机物，氧来自有机物和水。

第三阶段（线粒体内膜）：前两阶段产生的[H]（实际是NADH和FADH2）与吸入的O2结合生成H2O，并释放大量能量合成ATP。

（3）【非常重要】能量流动的“定量”感知：教师引导学生计算数据（以1mol葡萄糖为例）：

最初稳定化学能：2870kJ。

最终转化为ATP中活跃化学能：约977kJ（约30-40%）。

最终以热能形式散失：约1893kJ。

得出结论：物质转化（葡萄糖→CO2+H2O）为能量流动提供了载体；能量流动（化学能→热能+ATP中的化学能）是物质转化的根本驱动力。其中一部分能量被临时储存在ATP中供细胞使用，另一部分则以热能形式维持体温。【非常重要】

（4）【难点】联系生活：为什么剧烈运动后体温会升高？为什么呼吸会急促？学生基于上述模型解释：为满足ATP需求，细胞呼吸速率加快，有机物分解加快，更多能量释放，同时散失的热能增加导致体温升高；呼吸急促是为了摄取更多O2作为最终电子受体，保证[H]的氧化和大量ATP的生成。

4.教学评价：请学生绘制从葡萄糖到肌肉收缩的“能量流动”路径图，要求包含物质形式、能量形式和主要场所，并评价其逻辑的严密性。

（四）【拓展与应用】“内环境中的物质能量流”——从细胞代谢到稳态维持

1.核心问题：每一个细胞都在进行着上述的物质转化与能量流动，那么这些数量庞大的细胞代谢活动，是如何协同共存于人体内的？内环境在其中扮演什么角色？

2.活动设计：分析“血浆生化检测报告单（模拟版）”。

3.教学过程：

（1）情境切换：从单个细胞的微观世界，拉回到人体系统层面。教师展示一张模拟的血液生化检测单，其中显示血糖浓度（3.9-6.1mmol/L）、甘油三酯、血氧分压、乳酸含量等指标。

（2）【热点】分析讨论：

教师提问：为什么我们血液中的葡萄糖浓度能维持在一个相对恒定的水平？如果刚吃完饭，大量葡萄糖进入血液，这些葡萄糖的物质和能量会流向哪里？

学生基于前述模型进行推理：

物质流向：血糖可以进入全身细胞（如肌细胞、肝细胞、脂肪细胞）被氧化分解供能；可以进入肝细胞和肌细胞合成糖原（储能物质）；可以进入脂肪细胞转化为甘油三酯（储能物质）。

能量流向：以稳定的化学能形式储存在糖原、脂肪中，或通过细胞呼吸转化为ATP中的活跃化学能和热能。

教师追问：如果处于饥饿状态（如早上没吃早饭），血糖浓度偏低，上述流向会发生什么逆转？此时维持血糖稳定的物质来源是什么？

学生推理：肝糖原分解为葡萄糖；脂肪和肌肉中的脂肪、蛋白质可转化为血糖。

（3）【高频考点】构建“三位一体”模型：引导学生将物质（血糖）、能量（ATP）、稳态（血糖浓度）三者联系起来，构建一个概念模型：血糖作为物质载体，其来源与去路维持动态平衡（稳态），保证了全身细胞能持续获得燃料，通过氧化分解将物质中的化学能转化为生命活动所需的能量。一旦这个物质转化链（血糖→丙酮酸→乙酰CoA→CO2）或能量偶联环节（细胞呼吸→ATP合成）受阻，内环境稳态即遭破坏。

（4）【难点】乳酸的处理：剧烈运动后，部分细胞无氧呼吸产生乳酸。引导学生追踪乳酸的“碳原子”与“能量”：乳酸（3C）进入血液，随循环到达肝脏，在肝脏中可再转化为葡萄糖（糖异生）或丙酮酸进入线粒体氧化。这体现了物质在体内的循环利用，以及能量流动的连续性。

4.教学评价：要求学生以小组为单位，画出从“一顿丰盛午餐”到“完成一套试卷”的过程中，体内“血糖”的物质变化路径和“能量”的转化路径，并标注关键场所。

（五）【总结与升华】“生命，是物质流与能量流的‘有序’开放系统”

1.师生共建板书型概念图：教师引导，学生口述，共同构建本课的终极概念图。

核心起点：外界营养物质（糖类、脂质、蛋白质）→消化吸收→进入内环境（血糖、氨基酸、脂肪酸等）。

核心枢纽：细胞通过细胞膜选择性地吸收这些物质。

核心引擎：在细胞内，物质通过细胞呼吸被逐步“拆卸”（物质转化），其蕴含的化学能被“释放”出来，一部分以热能形式维持体温，另一部分通过“ATP-ADP循环”这个能量货币体系，被“包装”成通用的ATP。

核心应用：ATP被运往细胞的各个“工地”（如肌肉收缩、主动运输、物质合成），水解释放能量，驱动各种生命活动。这些活动的最终产物（CO2、尿素、H2O等）又通过内环境运输至排泄器官排出体外。

2.【非常重要】升华生命观念：教师总结：人体不是一个静止的物体，而是一个“耗散结构”。它通过不断地从外界摄取低熵的物质（如淀粉、蛋白质），在体内将其转化为高熵的产物（如CO2、尿素）并排出体外，同时维持了自身高度有序的结构和功能。在这个过程中，物质构成了流动的“载体”，能量驱动了生命的“引擎”，而稳态则保证了整个系统的“有序”。这就是生命观念中“物质与能量观”的精髓。

三、板书设计

一、能量“货币”的周转：ATP-ADP循环

（板书模型图：ATP（~）→水解（放能）→ADP+Pi+能量（供生命活动）

↑合成（吸能）↓

能量（来自细胞呼吸）←←←←←

二、能量“源泉”的挖掘：细胞呼吸中的物质转化与能量流动

（板书流程图：葡萄糖（C、H、O）→丙酮酸→CO2（呼出）

[H]+O2→H2O（排出、利用）

化学能→热能（维持体温）+ATP中的化学能（供生命活动）

三、能量“系统”的运行：内环境中的物质能量流

（板书系统图：外界食物→消化→内环境（血糖）→细胞（呼吸作用）→ATP→生命活动

↑↓↑↑

储能物质（肝糖原、脂肪）循环废物（CO2、尿素等）

↓

稳态维持

四、【重要】核心素养导向的课后评价体系

（一）【基础】知识巩固

1.请简述ATP与ADP相互转化的过程，并说明为什么这种转化被形象地称为“能量货币”的收支？

2.请写出有氧呼吸的总反应式，并用文字描述在葡萄糖氧化分解过程中，物质（碳原子、氧原子）和能量（化学能、热能）分别经历了怎样的变化？

（二）【高频考点】情境应用

3.资料分析：一位马拉松运动员在比赛途中，为了补充能量，喝了一支含糖饮料。请分析，这支饮料中的葡萄糖，从进入口腔到最终为他的腿部肌肉收缩提供能量，经历了哪些主要的体内途径？其中发生了哪些关键的“物质-能量”转换？

4.概念辨析：有人说“脂肪是储能物质，糖类是能源物质，ATP是能量货币”。请结合本课所学，谈谈你对这三句话的理解，并解释它们之间的内在联系。

（三）【难点】拓展探究

请查阅资料，了解“线粒体功能障碍”与人类疾病（如糖尿病、神经退行性疾病）的关系。撰写一篇300字左右的科普短文，从“