基于物質和能量觀的高三專題復習思路探析

河北

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》（以下簡稱《課程標準》）提出“以發展學生學科核心素養為宗旨，內容聚焦大概念和教學過程重實踐”等基本理念。如何在高三復習課中落實《課程標準》中的理念，在幫助學生理解、鞏固生物學知識的同時發展學生學科核心素養，提升學生的解題能力，筆者對此進行了積極思考和實踐，設計了以構建生物學大概念為教學目標，復習內容“少而精”為原則，突出高考命題的重點、難點，體現知識的綜合性，以發展學生學科核心素養為重點的專題復習思路，取得了良好的教學效果。現以不同生命系統層次中涉及的物質和能量變化為例進行淺析，供教學參考。

一、以問題為引領，初步建構生命活動的物質和能量觀大概念

任何生命系統都不能孤立存在，而是與周圍環境時刻進行著物質和能量的交換，生命系統不斷地從外界環境中獲取物質和能量，形成新的組織結構，也不斷地排出物質、散失熱能，物質和能量貫穿著各層次的生命系統。在高中生物學中，物質（以碳元素為例）和能量的變化是如何貫穿生命系統結構的各個層次，并使各結構層次最終形成一個完整的、相對穩定的系統呢？

教師通過以上引導和提問，啟發學生思考、建構從細胞到生態系統的各層級能量、物質來源和去路概念（關系）圖，師生共同總結、完善（如圖1），明確圖示中字母的生理含義，并依據圖1 梳理出概念圖涉及的光合作用、細胞呼吸、群落的演替、生態系統的結構及物質循環和能量流動等高考命題的核心內容，明確專題復習要點知識，拓展學生思維，使學生建立知識的綜合性、整體性觀念，以提升他們分析問題和解決問題的能力。

圖1 生命系統各層次的物質和能量關系

二、深度研究不同生命系統物質和能量關系，理解生命系統的物質和能量觀

（一）通過結構和功能相適應的思想理解細胞層次的物質和能量觀

細胞是生物體結構和功能的基本單位，其生命活動的進行需要與周圍環境不斷進行物質和能量交換。在復習時，教師可引導學生在建立物質和能量觀大概念的基礎上，選取典型細胞結構和功能圖進行關聯組圖，利用系列問題分析細胞的物質和能量來源及調控情況，建構細胞層次的結構與功能觀、物質和能量觀等生命觀念。

【例1】如圖2（見下頁）為某玉米葉肉細胞幾組代謝過程，其中圖2（a）為該葉肉細胞部分代謝途徑（R為葉綠體中催化CO2固定的酶）。圖2（b）為該葉肉細胞中有關甲、乙兩種細胞器的部分物質及能量代謝途徑（NADPH 指［H］）。圖2（c）為葉肉細胞中丙酮酸進入線粒體過程，孔蛋白為親水通道，分子量較小的物質可以自由通過。圖2（d）為該葉肉細胞光合作用同化物蔗糖在不同細胞間運輸、轉化過程。分析思考回答下列問題：

（1）圖2（a）中CO2進入細胞的方式為____________，在葉綠體中C3-Ⅰ可以合成淀粉和化合物X，該過程需要光反應提供的____________。圖2 中催化C3化合物（C3-Ⅰ）形成的酶R 組裝場所是____________，酶R 的合成受____________基因控制。圖2（a）中影響三碳糖（C3-Ⅱ）在葉綠體中含量的因素有____________（至少答出3 點）。

（2）分離圖2（b）甲結構中吸收光能色素的原理是_________。從圖2（b）中看，甲結構中C3還原、淀粉合成等過程消耗的ATP 可來源于____________（填場所），甲中過多的還原能可通過物質轉化，在細胞質中合成NADPH，NADPH 中的能量最終可在圖2（b）乙的____________（填場所）轉移到ATP 中。

（3）如果圖2（b）中甲、乙兩結構O2和CO2產生和交換速率相等，則該葉肉細胞所處的生理狀態為__________________。圖2（b）甲輸出的三碳糖在____________（填場所）能轉化為丙酮酸。有學者提出“丙酮酸進入線粒體基質要受到O2和ATP 的影響”，請據圖2（c）中信息說明該學者所提觀點的理由是________________________________________________________________________________。

圖2 葉肉細胞中幾種結構生命活動過程

（4）蔗糖是植物細胞運輸糖類的主要形式，葉肉細胞中蔗糖的合成場所是___________________，圖2（d）可以反映細胞膜具有的功能是_______________________________________________。

【參考答案】（1）自由擴散 ［H］（或NADPH）和ATP 葉綠體基質 細胞核和葉綠體 CO2濃度、光照強度、C3-Ⅱ輸出速度、X 消耗的強度（任答3 點，合理即可） （2）色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快，反之則慢 葉綠體類囊體（或葉綠體）、線粒體 內膜 （3）光合速率與細胞呼吸速率相等 細胞質基質 丙酮酸進入線粒體基質受膜間隙中H+濃度調節，線粒體基質中H+通過內膜進入膜間隙需要消耗氧氣，說明H+通過內膜進入膜間隙是需要消耗ATP 的主動運輸過程，也同時說明丙酮酸通過線粒體內膜進入基質中要受到O2和ATP 的影響（4）細胞質基質 控制物質進出細胞

【分析】本題圍繞“葉肉細胞結構和功能”進行命題。從知識和能力上看，試題注重對教材知識的挖掘和加工，考查學生獲取信息能力、歸納推理能力和分析問題及解決問題的能力。從學科核心素養角度看，本題主要考查學生科學思維、生命觀念。第（1）問主要考查通過圖2 信息推斷在CO2→C3→（CH2O）過程中碳元素轉移涉及的物質變化和能量的來源，并結合所學知識歸納總結該過程的影響因素，考查學生獲取信息能力和分析問題及解決問題的能力。第（2）問主要圍繞細胞中葉綠體和線粒體之間的聯系展開，考查二者物質和能量的轉換關系，并利用圖2（c）和文字提示的信息，通過第（3）問進一步分析和判斷三碳化合物（丙酮酸）在線粒體中運輸的特點，為學者提出“丙酮酸進入線粒體基質要受到O2和ATP 的影響”這一觀點提供了依據。通過這樣的設計，讓前三問形成一個整體問題，始終結合細胞結構與功能相適應的觀點，對細胞中相關物質和能量的變化進行貫穿，考查學生推理與判斷、歸納與總結能力。第（4）問題干中提示了“蔗糖是植物細胞運輸糖類的主要形式”，結合圖2（a）即可知道蔗糖的合成場所為細胞質基質。圖2（d）展示了胞間連絲運輸蔗糖的機制及細胞膜上單糖轉運載體運輸單糖的機制，說明細胞膜具有控制物質進出細胞的功能，主要考查學生的獲取信息能力。

【復習提示】本考點在命題中，多以選擇題形式出現，個別年份也會以簡答題的形式出現，考查細胞結構和代謝相關的知識。在復習中，教師要特別注意對教材知識的挖掘和圖表信息的綜合分析，多角度整合信息，拓展學生思維、拓寬學生視野，在整體知識和知識細節處下功夫，以提升學生分析問題及解決問題的能力，如在分析光合作用與細胞呼吸關系時，可以借鑒圖3，通過問題串形式，讓學生從局部到整體掌握光合作用、細胞呼吸過程及二者聯系等知識，并利用流程圖等形式梳理C、H、O 等元素在細胞中的轉移情況，提升學生綜合運用知識解決問題的能力。

圖3 植物光合作用和細胞呼吸的關系

（二）通過科學思維和科學探究理解個體層次的物質和能量觀

由多種細胞構成的生物體，與生存環境緊密聯系，不斷從環境中獲取物質和能量，維持自身的穩態與平衡，同時也在參與環境的形成和改變環境，最終適應復雜多變的環境。個體水平的物質和能量代謝過程與細胞水平的物質和能量代謝過程有一定的聯系和區別，比如細胞中有機物增多，由細胞構成的個體中的有機物不一定增多，個體具有的特征可能是細胞不具有的，這種特點也要在復習中體現。

【例2】茶葉有降壓、提神和保健等功效。科研人員在晴朗夏季的一天中探究某茶樹凈光合速率和胞間CO2濃度的日變化規律，結果如圖4。請據圖4 回答下列問題：

圖4

（1）胞間CO2是由葉片的_________________________進入的，研究CO2在植物體內的轉移途徑時，采用的方法是___________________，CO2中的氧經光合作用和有氧呼吸后轉移到終產物____________中。

（2）圖4 中曲線表示凈光合速率的是________________（填“實線”或“虛線”），影響凈光合速率大小的主要環境因素有_________________________________________。在11-12 時間段，茶樹在中午時分會出現光合“午休”現象，從圖4 中的曲線分析12 時左右茶樹“午休”現象導致凈光合速率下降的原因主要是______________________________________________。

（3）該茶樹某一枝條產生了變異，枝條上葉片氣孔白天關閉、夜晚開放。為研究其光合作用特點，科研人員將該枝條的葉片進行離體培養，在光、暗交替條件下分別測定葉片內的淀粉和蘋果酸的含量變化（CO2是合成蘋果酸的原料，蘋果酸也能分解產生CO2），結果如圖5 所示。據圖5 分析該葉片在白天___________（填“能”或“不能”）進行光合作用，依據是__________________________________________________________。

圖5

（4）研究人員為探究大氣CO2濃度上升及紫外線（UV）輻射強度增加對茶樹的影響，現模擬一定量的UV輻射和加倍的CO2濃度處理茶樹幼苗，測定了相關生理指標，結果如表所示。

①從表中A、C 兩組數據分析，C 組光合速率明顯高于對照組，其原因一方面是由于______________________________，加快了_____________反應的速率；另一方面是由于_____________的含量增加，使光反應速率也加快，提高了光合速率。

②從表中數據可知，A、D 兩組光合速率_____________。結合B、C 組數據分析，說明______________________________________。

③CO2濃度倍增可以促進茶樹生長。研究者認為，這可能與CO2參與了植物生長素的合成啟動有關。如要證明此結論正確，請設計簡要的驗證思路。

【參考答案】（1）氣孔 同位素標記法 CO2（2）實線 溫度、CO2濃度、光照強度（缺一不可）中午氣溫較高，葉片部分氣孔關閉，導致吸收的CO2減少，暗反應速率下降，導致凈光合速率下降 （3）能在有光的條件下，蘋果酸分解產生CO2供光合作用利用，使淀粉的含量逐漸上升 （4）①CO2濃度倍增 暗葉綠素 ②無明顯差異（或幾乎相等） CO2濃度倍增對光合作用的影響可以抵消（或消除、緩解均可）UV輻射對光合作用的影響 ③在相同且適宜條件下測定A、C 組植株中生長素的含量，結果為C 組植株中的生長素的含量大于A 組植株中的生長素含量（或A 組植株中生長素的含量小于C 組植株中的生長素含量），說明CO2濃度倍增促進了植物生長素的合成，進而促進了茶樹的生長。

【分析】本題以茶樹“午休”現象這一真實情境展開設問，分析個體水平的物質和能量變化情況，考查植物個體的光合作用與細胞呼吸關系、影響光合作用和細胞呼吸的環境因素。在第（1）問中，素材和答案都主要來源于教材，考查學生對知識的理解和記憶。第（2）問特別突出高考命題中原因類長句式問答思路，主要考查學生運用所學知識分析、解決問題的能力和語言表述能力。第（3）問主要考查科學思維中的推理判斷能力。第（4）問為中等難度試題，主要考查學生分析表格數據獲取信息的能力和科學探究能力，以及運用所學知識解決問題的能力。

【復習提示】利用圖、表考查光合作用和細胞呼吸是歷年高考命題的特點，這樣的命題方式可以考查學生通過圖表獲取信息能力和分析問題能力。從近兩年看，高考命題又加大了對學生的科學探究和語言表達能力的考查力度，多維度地考查學生科學思維能力。在復習中，教師要多為學生提供相關素材，創設真實的教學情境，培養學生的演繹-推理、歸納和概括能力及批判性思維能力，拓展學生知識面和思維角度，如在例2第（3）問分析中，教師可以引入圖解（如圖6），引導學生分析景天科植物A光合作用的特點，拓展學生知識。此外，教師還可以指導學生對影響光合作用和細胞呼吸的因素進行列表歸納總結（如利用黑白瓶法、半葉法、實驗裝置法等測定光合速率等）及模型化分析，讓學生動手動腦，學會繪制基本圖像、分析較為復雜的曲線，并提出與之相應的具有訓練思維的問題讓學生分析，發展其科學素養，提升其應試能力。

圖6

（三）通過整體性思想理解群體層次的物質和能量觀

生物圈是最大的生態系統，任何嚴重影響某種生態系統結構和功能的因素，都可能最終影響到人類目前唯一生存的星球。從整體上分析生態系統的物質和能量流動問題，有利于學生理解生態系統結構和功能的協調統一對于生態系統穩定性的重要意義及保護生態環境和生物多樣性的重要性，從而踐行“綠水青山就是金山銀山”的可持續發展理念，最終達到立德樹人的教育目標。

【例3】如圖7 是某地退耕還林后演替到某一階段的生態系統部分生物關系。圖8 為該生態系統能量流動關系，圖9 為該生態系統的物質循環情況，其中甲、乙、丙是生態系統的成分，A、B、C、D 是乙中的四種生物。請回答下列問題：

圖7

圖8

圖9

（1）如圖7 所示生態系統的功能有___________、___________和物質循環，物質循環是指________________過程。碳在生物種群間傳遞的形式是___________。同碳元素一樣，氮元素在生物群落與無機環境間也是不斷循環的，演替前的農田生態系統還要不斷施加氮肥的原因是___________________________________________。

（2）如圖7 所示生態系統的總能量為___________，該生態系統最基本的生物成分是___________，其同化的能量可以直接流向___________（答出2 點即可）。圖9 中X、Y 兩種生物在細胞結構上的主要區別是___________，它們獲得能量的途徑分別是_________________。從圖7 所示的營養關系分析，屬于分解者的有___________。由于喬木的遮擋程度不同，導致了不同區域地表的草本植物、真菌等生物種類和數量有一定差異，地表生物的這種區域差異分布體現了群落具有___________結構。

（3）圖9 甲所示細胞結構a～ d 中，產生CO2的結構有___________。該生態系統中可能存在的食物鏈為___________（用圖9 中相關字母表示），食物鏈中能量流動逐級遞減的原因是_____________________。該生態系統中的食物鏈___________（填“是”或“不是”）可變的，原因是_________________________________________（答出1 點即可）。

（4）某地退耕還林后的演替屬于____________________________，從圖7 中得出，從農田棄耕到該階段過程中，生態系統的穩定性會逐漸增強，請從生態系統的結構和功能角度分析原因為______________________________________________________________。

（5）圖8 是圖7 所示生態系統中能量流動關系，其中a～d 表示能量值。初級消費者糞便中的能量包含在________________________（填圖8 中字母）中，a 與c 的差值可表示___________________________。

【參考答案】（1）能量流動 信息傳遞 組成生物體的C、H、O、N、P、S 等元素，都不斷進行著從無機環境到生物群落，又從生物群落到無機環境的循環

含碳有機物 農田土壤中氮含量不足，且農產品會不斷自農田生態系統輸出到城市生態系統等其他系統，氮元素并不都能歸還土壤 （2）生產者固定的太陽能總量 生產者 初級消費者和分解者 X 有核膜包被的細胞核，Y 無核膜包被的細胞核 X 從無機物氧化中獲取能量，Y 從有機物中獲取能量 大型真菌和跳蟲水平 （3）a、b 如圖所示：每個營養級都有大量能量通過熱能形式散失，都有部分能量流向分解者，故上一個營養級能量不能100%流入下一營養級，導致能量在食物鏈中逐級遞減 是 生物有遷出和遷入（或動物發育不同階段及不同季節食性有改變） （4）次生演替 從農田棄耕到該階段過程中，生態系統的物種種類和數量增加，營養結構更加復雜，物質循環速度加快，輸入到生態系統的能量逐漸增多，生態系統的穩定性逐漸增強 （5）d 初級消費者用于自身生長、發育和繁殖的能量

【分析】本題以“退耕還林”這一生態現象為命題背景，考查真核及原核細胞結構、群落演替、生態系統的結構、生態系統的物質循環和能量流動特點。從學科素養角度考查生命觀念、科學思維、社會責任等。第（1）問主要考查教材中生態系統功能和物質循環概念，要求學生能根據所學知識推斷農田生態系統還要不斷施加氮肥的原因，能理解碳循環和氮循環的異同點。第（2）問主要考查生態系統能量來源、各類生物獲取能源的途徑和群落的結構知識，考查學生識記能力和概括能力。第（3）問和第（4）問主要考查學生對食物鏈的結構和能量流動特點的分析，以及在演替過程中群落中物質和能量變化情況分析。在農田棄耕到圖7 階段的演替過程中，要從生態系統結構和功能關系的整體上分析，回答時要強調生態系統營養結構更加復雜，輸入到生態系統的能量逐漸增多，導致生態系統穩定性增強。第（5）問從生態系統能量流動模型角度分析群落中能量變化情況，主要考查學生運用所學知識分析、推理和概述的能力。整個題目體現了從生態系統整體上的物質和能量分析，滲透運用科學知識指導農業生產活動的重要性及保護生物多樣性的意義。

【復習提示】對于生態系統的物質和能量變化，高考考查較多集中在種群數量變化和群落的結構上，但由于國家加大生態環境治理和保護力度，近兩年高考命題更多地向生態系統的穩定性和保護方面傾斜，教師在復習中應引起重視。在該部分復習中，教師要多注重引導學生對種群、群落和生態系統穩定性等相關概念的理解和強化；注重對教材中圖表知識的整合及再加工；注重理論與實踐相結合，讓學生真正理解生態系統的結構和功能對生態系統穩定性的重要性。

總之，通過對本專題的復習，讓學生從細胞結構和功能角度，理解細胞代謝中物質和能量的變化特點，理解光合作用和細胞呼吸的過程與聯系。從生物與環境關系的角度，理解影響動、植物個體的物質和能量代謝的因素，并能夠利用數學模型進行分析，利用實驗進行探究。能運用整體性和系統性觀點分析生態系統穩定性與其結構和功能具有密切聯系，進而深刻理解生態系統的各種組成成分是通過物質循環和能量流動緊密聯系的，使生態系統形成一個統一的整體。在整個復習過程中，始終在真實的情境中以問題為導向，啟發學生思維，讓學生在構建的“物質和能量觀與生命系統生命活動緊密聯系”大概念框架下理解知識，發展學科核心素養，提高分析問題及解決問題的能力，提升復習備考效率。