教学设计 | BX1 5.3.1 细胞呼吸的原理和应用

年级

高一年级

  授课时间

2课时

课题

第3节  细胞呼吸的原理和应用

教材分析

本节教材的主要内容包括:细胞呼吸的方式、有氧呼吸和无氧呼吸过程中物质与能量的变化，以及细胞呼吸原理在生产生活中的应用。本节内容需要2课时完成。第1课时探究酵母菌细胞呼吸的方式，第2课时学习有氧呼吸和无氧呼吸的概念，以及细胞呼吸原理的应用和生产实践中的实例。通过探究细胞呼吸方式的实验，渗透变量控制的方法，规范实验设计的思路，同时认识到酵母菌存在两种细胞呼吸的方式，并初步认识有氧和无氧条件下呼吸的产物不同。通过本节内容的学习不仅要知道“细胞呼吸”的含义，还要知道“有氧呼吸”“无氧呼吸”的过程、场所、生理意义以及它们之间的异同。

本节内容与前面所学的细胞质基质、线粒体、物质跨膜运输、酶、ATP 等内容都紧密联系。将本节学习内容与上述知识建立联系，可以更深刻地理解细胞生命活动中物质和能最变化的内在联系，更深刻地理解细胞是最基本的生命系统。通过学习本节内容的学习使学生更容易理解各种生命活动及规律。学习本节内容，还可以为后续学习光合作用等其他细胞代谢奠定基础。因此本节内容在全书中具有极为重要的作用。

教学目标

1.通过探究酵母菌的细胞呼吸方式，说出细胞呼吸的类型。

2.描述线粒体适于进行有氧呼吸的结构，说明有氧呼吸过程中物质与能量的变化。

3.比较有氧呼吸与无氧呼吸的异同，阐明细胞呼吸的实质。

4.探讨细胞呼吸原理在生产和生活中的应用。

教学重、难点

1.教学重点

(1)探究酵母菌细胞呼吸的方式。

(2)有氧呼吸过程中物质与能量的变化。

2.教学难点

(1)探究酵母菌细胞呼吸的方式。

(2)有氧呼吸过程中物质与能量的变化。

教学过程

第1课时

教学内容

教师活动

学生活动

引入新课

【情境导入】

利用做馒头这一学生熟悉的情境，展示发面过程面团的变化图片，提出问题:

发面中会有很多的小孔，保鲜膜上有水珠，而且在发面时，早期并没有酒味，而后期会有酒味。

1.发面主要与什么微生物有关?

2.面团上的小孔是怎么产生的呢?保鲜膜上为什么会有水珠?

3.为什么早期没有酒味而后期会有酒味呢?

4.酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生的物质分别是什么呢?

通过对问题的探讨导入对细胞呼吸的学习。

观察发面过程面团的变化，思考有关问题，进入细胞呼吸的学习。

一、 细胞呼吸的方式

【概念诠释】

细胞呼吸定义：是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并产生ATP的过程。细胞呼吸也叫呼吸作用。

呼吸作用的实质：是细胞内的有机物氧化分解，并释放能量。

【注意】呼吸≠呼吸作用 

【布置任务】

任务一：探究酵母菌细胞呼吸的方式

实验原理：

1.CO₂的检测①通入澄清的石灰水： 澄清→浑浊 

②使溴麝香草酚蓝水溶液：蓝→绿→黄

2.酒精的检测

 酸性重铬酸钾溶液：由橙色变成灰绿色

按照探究实验的步骤进行探究活动。

提出问题：酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的产物分别是什么?

作出假设：有氧呼吸会产生CO₂，无氧呼吸会产生CO₂和酒精。

设计实验：实验组  组A：有氧呼吸组  （对比实验）

组B：无氧呼吸组

对比实验是指设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究某种因素对实验对象的影响，这样的实验叫做对比实验，也叫相互对照实验。对比实验不设对照组，均为实验组，是对照实验的一种特殊形式。

引导学生思考：

如何控制有氧和无氧的条件？

怎样鉴定有无酒精产生？

怎样鉴定有无CO₂产生？如何比较CO₂产生的多少？

布置学生思考该实验变量的相关问题:

(1)自变量是什么?如何设置自变量?

(2)因变量是什么?如何检测因变量?

(3)无关变量有哪些?如何控制无关变量?

PPT展示自变量:有氧或无氧环境——通入氧气或密闭

因变量:产物的区别——通过观察相同时间内澄清石灰水混浊的程度或者相同混浊程度所需的时间长短，用滴管取出部分培养液加入酸性条件下的重铬酸钾检测。

无关变量:温度、葡萄糖溶液浓度、酵母菌活性等。

根据以上提出的变量控制方案，提供锥形瓶、玻璃管等仪器，请学生以小组为单位组装实验装置，并设计实验。

实验步骤：

引导学生思考讨论以下问题：

以上锥形瓶中的溶液在实验中的作用分别是什么？

10%NaOH的作用是：吸收空气中的CO₂； 澄清的石灰水作用是：检测CO₂的产生。

如何说明CO₂产生的多少？

根据石灰水的浑浊程度。

B瓶应封口放置一段时间后，在连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，这是为什么？

可以让酵母菌消耗完瓶中原有氧气，创造无氧环境。

实验现象：

实验结论：

1.酵母菌在有氧气条件下进行有氧呼吸，产生大量二氧化碳，不产生酒精；

2.酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸，产生了少量二氧化碳，同时也产生了酒精。

【与社会联系】

汽车司机酒驾检测： 

饮酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100ml，小于80mg/100ml的驾驶行为。

醉酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100ml的驾驶行为。

阅读教材，理解呼吸作用的定义及实质。注意区分呼吸和呼吸作用。

根据自己已有的知识和生活经验，针对所提出的问题作出合理假设。

思考后进行讨论，分析变量、运用控制变量法完成探究酵母菌呼吸方式的实验设计方案。

思考讨论有关问题，在表格中记录实验现象，由此得出实验结论。

习题巩固

1.(2023·广东肇庆高一期末)如图是某同学制作的探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置，下列叙述正确的是

A.实验中可依据澄清石灰水是否变浑浊来判断细胞呼吸的方式

B.甲装置中空气先通过NaOH溶液的目的是去除空气中的CO₂ 

C.在酸性条件下，乙醇可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄

D.乙装置中B瓶连接后即可连通盛有澄清的石灰水的锥形瓶进行实验

【答案】B

【解析】A、酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都产生CO₂，所以不能根据澄清石灰水是否变混浊判断酵母菌细胞的呼吸方式，A错误;

B、甲装置中添加质量分数为10%的NaOH溶液的目的是吸收空气中的二氧化碳，目的是排除空气中的二氧化碳对实验结果的干扰，B正确;

C、CO₂可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，C错误;

D、乙装置中的B瓶应封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，消耗掉瓶中原有的氧气，以保证引起澄清石灰水变浑浊是由于无氧呼吸产生的CO₂所致，D错误。

故选: B。

2.下列关于“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的叙述，错误的是

A.实验中将葡萄糖溶液煮沸的目的是灭菌和去除溶液中的O₂ 

B.可以根据石灰水的浑浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间长短检测CO₂产生情况

C.葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，所以应该等葡萄糖充分消耗完以后再进行酒精的检测

D.该实验通过设置有氧和无氧两种条件探究酵母菌细胞呼吸的方式，其中有氧条件为实验组，无氧条件为对照组

【答案】D

【解析】A、将葡萄糖溶液煮沸可灭和去除溶液中的O₂，A正确;

B、二氧化碳浓度越高，澄清石灰水越浑浊，溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间越短，因此可以根据石灰水的混浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间长短检测CO2产生情况，B正确;

C、橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与乙醇(俗称酒精)发生化学反应，变成灰绿色;葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，c正确;

D、该实验通过设置有氧和无氧两种条件探究酵母菌细胞的呼吸方式，运用对比实验法，有氧条件和无氧条件都是实验组，D错误。

故选D。

二、有氧呼吸

【知识重现】

根据刚才以酵母菌进行的实验，引导学生回顾一下有关酵母菌的知识。

1.酵母菌是什么生物，有线粒体吗？

2. 有线粒体的功能是什么？

【概念阐述】

指导学生阅读教材，理解有氧呼吸概念，掌握线粒体的结构。

1.概念：

细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。 

2.反应的主要场所： 线粒体

内膜的某些部位向线粒体的内腔折叠形成嵴，嵴使内膜的表面积大大增加。

线粒体的内膜上和基质中含有许多种与有氧呼吸有关的酶。

【布置任务】

任务二：展示资料，通过资料分析有氧呼吸的过程。

1.有氧呼吸场所分析

资料一　科学家提取了新鲜的动物肝脏组织，研磨离心后获取了细胞质基质(作为A组)和线粒体(作为B组)以及细胞匀浆(其中既有细胞质基质又有线粒体，作为C组)。分别向三组材料中加入等量的葡萄糖，检测葡萄糖含量的变化，实验结果如图。

学生思考从图中能够得出有氧呼吸的场所在哪里吗？

葡萄糖可以在细胞质基质中分解；葡萄糖不能在线粒体中直接分解；线粒体促进了葡萄糖的分解。

2.有氧呼吸第一阶段分析

(1)阅读下列资料，回答细胞质基质为葡萄糖的分解提供了什么物质？

资料二　科学家发现酵母汁液(主要成分是细胞质基质)能够发酵(分解)葡萄糖，但将酵母汁液加热到50 ℃以上，便会失效。酵母汁液经过透析(除去小分子物质)以后，也失去了发酵能力。

细胞质基质为葡萄糖的分解提供了酶和小分子物质。

(2)阅读拓展资料：

资料三　细胞质基质中的一种小分子物质——NAD^＋(氧化型辅酶Ⅰ)，实际上是电子和氢离子的载体，能够与葡萄糖氧化过程中脱下来的氢离子和电子结合，形成NADH(还原型辅酶 Ⅰ )。NADH在后续的反应中还会解离出电子和氢离子，使得电子和氢离子能够继续用于后续的反应。而NAD^＋则可以重新结合新的电子和氢离子。由于NADH携带了电子和氢离子，因此具有较强的还原性，通常可以把它简化为[H] 

请学生根据资料完善下面有氧呼吸第一阶段图解。

3.有氧呼吸第二阶段分析

(1)资料四　丙酮酸在线粒体中氧化分解生成CO₂和H₂O。20世纪30年代，克雷布斯等科学家发现，向鸽子胸肌悬浮液中加入少量草酰乙酸(C₄H₄O₅)或苹果酸(C₄H₆O₅)，都能大大提高丙酮酸的氧化分解速率。

根据以上资料分析，草酰乙酸或苹果酸是否是丙酮酸分解的中间产物？为什么？

不是，因为如果草酰乙酸或苹果酸是丙酮酸分解的中间产物，那么外加的草酰乙酸或苹果酸都能够与丙酮酸分解产生的草酰乙酸或苹果酸竞争结合相应的酶，应该会降低丙酮酸的分解速率，而不是大大提高丙酮酸的氧化分解速率。

(2)请学生结合资料，完善有氧呼吸第二阶段的简化图解。

资料五　有氧呼吸第二阶段图解

4.有氧呼吸第三阶段分析

有氧呼吸第三阶段的特点有：[H]和O₂参与反应，产生大量ATP，场所为线粒体内膜。

(1)请学生结合资料六，分析O₂的消耗和ATP的生成是否为同一个化学反应。

资料六　线粒体内膜两侧有H^＋浓度差；有一种能破坏这种浓度差的药物，可以使线粒体产生大量热量，也消耗氧气，但不生成ATP。

上述资料说明O₂的消耗和ATP的生成是两个过程，H^＋浓度可能起到将两个过程连接起来的作用。

(2)请学生结合资料七，完善有氧呼吸第三阶段反应的简化图解。

资料七　有氧呼吸的第三阶段的反应主要有两方面：一方面，前两个阶段产生的[H]在线粒体基质分离为电子和氢离子，电子在线粒体内膜的蛋白复合体之间进行传递，传递过程中将氢离子由线粒体基质泵入膜间隙，使得膜间隙的氢离子浓度更高，电子失去能量后与氢离子和氧气结合生成了水；另一方面，氢离子顺着浓度梯度又由膜间隙流回到线粒体基质，同时推动ATP合成酶合成ATP。

5.通过以上资料的分析，引导学生写出有氧呼吸总反应方程式，并标注反应物葡萄糖、氧气和水中的氧的去向。

学生分析、总结有氧呼吸的能量利用特点：

1mol葡萄糖彻底氧化分解，共释放2870kJ能量，其中一部分以热能形式散失(约65.95%)；另一部分转移到ATP中(977.28kJ，约34.05%)储存，约形成32个ATP。

【核心归纳】

1.图示展示有氧呼吸的过程，引导学生对有氧呼吸的三个阶段进行核心归纳。

2.对总反应式进行剖析

有氧呼吸反应式中的能量与ATP的关系：有氧呼吸各个阶段的反应式和总反应式中的能量都不能写成ATP，因为ATP并不是有氧呼吸的直接产物，只是糖类等有机物氧化分解时释放的部分能量可以用于合成ATP。

3.易错提醒

(1)葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。

(2)葡萄糖不能进入线粒体，需要在细胞质基质中分解为丙酮酸和[H]后，丙酮酸才能进入线粒体中进一步分解。

(3)真核细胞中哺乳动物成熟的红细胞、蛔虫中无线粒体，只能进行无氧呼吸。线粒体不是进行有氧呼吸必需的结构，如蓝细菌(原核生物)无线粒体，但能进行有氧呼吸。

回顾酵母菌结构及线粒体的功能。

阅读教材，理解有氧呼吸概念，认识线粒体内膜、外膜、基质等结构。体会结

构与功能相

适应。

分析资料掌握有氧呼吸的过程。

根据分步反应式得出有氧呼吸的总反应式，并标注反应物葡萄糖、氧气和水中的氧的去向。

分析、总结有氧呼吸的能量利用特点。

对有氧呼吸的三个阶段进行核心归纳。

习题巩固

3.(2023·北京顺义牛栏山第一中学高一期末)如图为线粒体的结构示意图。在相应区域中会发生的生物过程是

A.②处发生葡萄糖的分解

B.①中的O₂穿过内膜耗能

C.②处丙酮酸分解为CO₂和H₂O 

D.③处[H]与O₂结合生成水

【答案】D

【解析】A、②处为线粒体基质,葡萄糖的分解发生在细胞质基质，A错误;

B、①是膜间腔,其中的O2往线粒体基质扩散,穿过内膜为自由扩散,不消耗能量, B

错误;

C、②处为线粒体基质，H2O是在线粒体内膜_上形成, C错误;

D、③处为线粒体内膜，此处[]与O2结合生成水，D正确。

故选D。

4.线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所。研究发现，经常运动的人肌细胞中线粒体数量通常比缺乏锻炼的人多。下列与线粒体有关的说法，正确的是

A.葡萄糖在线粒体中分解释放大量能量

B.线粒体内膜上的酶可以参与丙酮酸的分解

C.肌细胞有氧呼吸形成水的[H]来源于细胞质基质和线粒体基质

D.进行有氧运动时，细胞内葡萄糖氧化分解释放的能量大部分储存在ATP中

【答案】C

【解析】A、葡萄糖在细胞质基质中分解，A错误;

B、丙酮酸在线粒体基质中分解，相关酶分布在线粒体基质中，B错误;

C、有氧呼吸第三阶段形成水的[H]来源于细胞质基质(有氧呼吸第一阶段场所)和线粒体基质(有氧呼吸第二阶段场所)， C正确;

D、进行有氧运动时，细胞内葡萄糖氧化分解释放的能量大部分以热能形式散失，D错误。

故选C。

【补偿训练】 

如图甲是某绿色植物叶肉细胞在晴朗的白天有氧呼吸各阶段反应图解(1～8表示物质或能量),图乙是线粒体简图,下列叙述不正确的是

A.所有叶肉细胞都能进行2→3过程 

B.3→6过程发生在图乙的②处 

C.大量能量的生成发生在图乙的③处 

D.4和8表示的物质都为水,其来源相同

【答案】D

【解析】A、2→3表示细胞呼吸的第一阶段，所有活细胞都能进行该过程，A正确;

B、3-6表示有氧呼吸第二阶段，发生在线粒体基质，即图乙的②处，B正确;

C、大量能量的生成发生在有氧呼吸第三阶段，场所是线粒体内膜，即图乙的③处, C正确;

D、由分析可知，4和8表示的物质都为水，其来源不同，4来自细胞吸收的水分，而8来自有氧呼吸第三阶段，D错误。

故选D。

课堂小结

板书设计

第3节  细胞呼吸的原理和应用

一、细胞呼吸的方式

1.细胞呼吸

(1)定义

(2)实质：是细胞内的有机物氧化分解，并释放能量。

2.探究酵母菌细胞呼吸的方式

(1)CO₂的检测①通入澄清的石灰水： 澄清→浑浊 

②使溴麝香草酚蓝水溶液：蓝→绿→黄

(2)酒精的检测

酸性重铬酸钾溶液：由橙色变成灰绿色

二、有氧呼吸

1.概念：细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。 

2.反应的主要场所：线粒体

3.有氧呼吸分三个阶段