基于物质和能量观的高三专题复习思路探析

河北

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》（以下简称《课程标准》）提出“以发展学生学科核心素养为宗旨，内容聚焦大概念和教学过程重实践”等基本理念。如何在高三复习课中落实《课程标准》中的理念，在帮助学生理解、巩固生物学知识的同时发展学生学科核心素养，提升学生的解题能力，笔者对此进行了积极思考和实践，设计了以构建生物学大概念为教学目标，复习内容“少而精”为原则，突出高考命题的重点、难点，体现知识的综合性，以发展学生学科核心素养为重点的专题复习思路，取得了良好的教学效果。现以不同生命系统层次中涉及的物质和能量变化为例进行浅析，供教学参考。

一、以问题为引领，初步建构生命活动的物质和能量观大概念

任何生命系统都不能孤立存在，而是与周围环境时刻进行着物质和能量的交换，生命系统不断地从外界环境中获取物质和能量，形成新的组织结构，也不断地排出物质、散失热能，物质和能量贯穿着各层次的生命系统。在高中生物学中，物质（以碳元素为例）和能量的变化是如何贯穿生命系统结构的各个层次，并使各结构层次最终形成一个完整的、相对稳定的系统呢？

教师通过以上引导和提问，启发学生思考、建构从细胞到生态系统的各层级能量、物质来源和去路概念（关系）图，师生共同总结、完善（如图1），明确图示中字母的生理含义，并依据图1 梳理出概念图涉及的光合作用、细胞呼吸、群落的演替、生态系统的结构及物质循环和能量流动等高考命题的核心内容，明确专题复习要点知识，拓展学生思维，使学生建立知识的综合性、整体性观念，以提升他们分析问题和解决问题的能力。

图1 生命系统各层次的物质和能量关系

二、深度研究不同生命系统物质和能量关系，理解生命系统的物质和能量观

（一）通过结构和功能相适应的思想理解细胞层次的物质和能量观

细胞是生物体结构和功能的基本单位，其生命活动的进行需要与周围环境不断进行物质和能量交换。在复习时，教师可引导学生在建立物质和能量观大概念的基础上，选取典型细胞结构和功能图进行关联组图，利用系列问题分析细胞的物质和能量来源及调控情况，建构细胞层次的结构与功能观、物质和能量观等生命观念。

【例1】如图2（见下页）为某玉米叶肉细胞几组代谢过程，其中图2（a）为该叶肉细胞部分代谢途径（R为叶绿体中催化CO2固定的酶）。图2（b）为该叶肉细胞中有关甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径（NADPH 指［H］）。图2（c）为叶肉细胞中丙酮酸进入线粒体过程，孔蛋白为亲水通道，分子量较小的物质可以自由通过。图2（d）为该叶肉细胞光合作用同化物蔗糖在不同细胞间运输、转化过程。分析思考回答下列问题：

（1）图2（a）中CO2进入细胞的方式为____________，在叶绿体中C3-Ⅰ可以合成淀粉和化合物X，该过程需要光反应提供的____________。图2 中催化C3化合物（C3-Ⅰ）形成的酶R 组装场所是____________，酶R 的合成受____________基因控制。图2（a）中影响三碳糖（C3-Ⅱ）在叶绿体中含量的因素有____________（至少答出3 点）。

（2）分离图2（b）甲结构中吸收光能色素的原理是_________。从图2（b）中看，甲结构中C3还原、淀粉合成等过程消耗的ATP 可来源于____________（填场所），甲中过多的还原能可通过物质转化，在细胞质中合成NADPH，NADPH 中的能量最终可在图2（b）乙的____________（填场所）转移到ATP 中。

（3）如果图2（b）中甲、乙两结构O2和CO2产生和交换速率相等，则该叶肉细胞所处的生理状态为__________________。图2（b）甲输出的三碳糖在____________（填场所）能转化为丙酮酸。有学者提出“丙酮酸进入线粒体基质要受到O2和ATP 的影响”，请据图2（c）中信息说明该学者所提观点的理由是________________________________________________________________________________。

图2 叶肉细胞中几种结构生命活动过程

（4）蔗糖是植物细胞运输糖类的主要形式，叶肉细胞中蔗糖的合成场所是___________________，图2（d）可以反映细胞膜具有的功能是_______________________________________________。

【参考答案】（1）自由扩散 ［H］（或NADPH）和ATP 叶绿体基质 细胞核和叶绿体 CO2浓度、光照强度、C3-Ⅱ输出速度、X 消耗的强度（任答3 点，合理即可） （2）色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢 叶绿体类囊体（或叶绿体）、线粒体 内膜 （3）光合速率与细胞呼吸速率相等 细胞质基质 丙酮酸进入线粒体基质受膜间隙中H+浓度调节，线粒体基质中H+通过内膜进入膜间隙需要消耗氧气，说明H+通过内膜进入膜间隙是需要消耗ATP 的主动运输过程，也同时说明丙酮酸通过线粒体内膜进入基质中要受到O2和ATP 的影响（4）细胞质基质 控制物质进出细胞

【分析】本题围绕“叶肉细胞结构和功能”进行命题。从知识和能力上看，试题注重对教材知识的挖掘和加工，考查学生获取信息能力、归纳推理能力和分析问题及解决问题的能力。从学科核心素养角度看，本题主要考查学生科学思维、生命观念。第（1）问主要考查通过图2 信息推断在CO2→C3→（CH2O）过程中碳元素转移涉及的物质变化和能量的来源，并结合所学知识归纳总结该过程的影响因素，考查学生获取信息能力和分析问题及解决问题的能力。第（2）问主要围绕细胞中叶绿体和线粒体之间的联系展开，考查二者物质和能量的转换关系，并利用图2（c）和文字提示的信息，通过第（3）问进一步分析和判断三碳化合物（丙酮酸）在线粒体中运输的特点，为学者提出“丙酮酸进入线粒体基质要受到O2和ATP 的影响”这一观点提供了依据。通过这样的设计，让前三问形成一个整体问题，始终结合细胞结构与功能相适应的观点，对细胞中相关物质和能量的变化进行贯穿，考查学生推理与判断、归纳与总结能力。第（4）问题干中提示了“蔗糖是植物细胞运输糖类的主要形式”，结合图2（a）即可知道蔗糖的合成场所为细胞质基质。图2（d）展示了胞间连丝运输蔗糖的机制及细胞膜上单糖转运载体运输单糖的机制，说明细胞膜具有控制物质进出细胞的功能，主要考查学生的获取信息能力。

【复习提示】本考点在命题中，多以选择题形式出现，个别年份也会以简答题的形式出现，考查细胞结构和代谢相关的知识。在复习中，教师要特别注意对教材知识的挖掘和图表信息的综合分析，多角度整合信息，拓展学生思维、拓宽学生视野，在整体知识和知识细节处下功夫，以提升学生分析问题及解决问题的能力，如在分析光合作用与细胞呼吸关系时，可以借鉴图3，通过问题串形式，让学生从局部到整体掌握光合作用、细胞呼吸过程及二者联系等知识，并利用流程图等形式梳理C、H、O 等元素在细胞中的转移情况，提升学生综合运用知识解决问题的能力。

图3 植物光合作用和细胞呼吸的关系

（二）通过科学思维和科学探究理解个体层次的物质和能量观

由多种细胞构成的生物体，与生存环境紧密联系，不断从环境中获取物质和能量，维持自身的稳态与平衡，同时也在参与环境的形成和改变环境，最终适应复杂多变的环境。个体水平的物质和能量代谢过程与细胞水平的物质和能量代谢过程有一定的联系和区别，比如细胞中有机物增多，由细胞构成的个体中的有机物不一定增多，个体具有的特征可能是细胞不具有的，这种特点也要在复习中体现。

【例2】茶叶有降压、提神和保健等功效。科研人员在晴朗夏季的一天中探究某茶树净光合速率和胞间CO2浓度的日变化规律，结果如图4。请据图4 回答下列问题：

图4

（1）胞间CO2是由叶片的_________________________进入的，研究CO2在植物体内的转移途径时，采用的方法是___________________，CO2中的氧经光合作用和有氧呼吸后转移到终产物____________中。

（2）图4 中曲线表示净光合速率的是________________（填“实线”或“虚线”），影响净光合速率大小的主要环境因素有_________________________________________。在11-12 时间段，茶树在中午时分会出现光合“午休”现象，从图4 中的曲线分析12 时左右茶树“午休”现象导致净光合速率下降的原因主要是______________________________________________。

（3）该茶树某一枝条产生了变异，枝条上叶片气孔白天关闭、夜晚开放。为研究其光合作用特点，科研人员将该枝条的叶片进行离体培养，在光、暗交替条件下分别测定叶片内的淀粉和苹果酸的含量变化（CO2是合成苹果酸的原料，苹果酸也能分解产生CO2），结果如图5 所示。据图5 分析该叶片在白天___________（填“能”或“不能”）进行光合作用，依据是__________________________________________________________。

图5

（4）研究人员为探究大气CO2浓度上升及紫外线（UV）辐射强度增加对茶树的影响，现模拟一定量的UV辐射和加倍的CO2浓度处理茶树幼苗，测定了相关生理指标，结果如表所示。

①从表中A、C 两组数据分析，C 组光合速率明显高于对照组，其原因一方面是由于______________________________，加快了_____________反应的速率；另一方面是由于_____________的含量增加，使光反应速率也加快，提高了光合速率。

②从表中数据可知，A、D 两组光合速率_____________。结合B、C 组数据分析，说明______________________________________。

③CO2浓度倍增可以促进茶树生长。研究者认为，这可能与CO2参与了植物生长素的合成启动有关。如要证明此结论正确，请设计简要的验证思路。

【参考答案】（1）气孔 同位素标记法 CO2（2）实线 温度、CO2浓度、光照强度（缺一不可）中午气温较高，叶片部分气孔关闭，导致吸收的CO2减少，暗反应速率下降，导致净光合速率下降 （3）能在有光的条件下，苹果酸分解产生CO2供光合作用利用，使淀粉的含量逐渐上升 （4）①CO2浓度倍增 暗叶绿素 ②无明显差异（或几乎相等） CO2浓度倍增对光合作用的影响可以抵消（或消除、缓解均可）UV辐射对光合作用的影响 ③在相同且适宜条件下测定A、C 组植株中生长素的含量，结果为C 组植株中的生长素的含量大于A 组植株中的生长素含量（或A 组植株中生长素的含量小于C 组植株中的生长素含量），说明CO2浓度倍增促进了植物生长素的合成，进而促进了茶树的生长。

【分析】本题以茶树“午休”现象这一真实情境展开设问，分析个体水平的物质和能量变化情况，考查植物个体的光合作用与细胞呼吸关系、影响光合作用和细胞呼吸的环境因素。在第（1）问中，素材和答案都主要来源于教材，考查学生对知识的理解和记忆。第（2）问特别突出高考命题中原因类长句式问答思路，主要考查学生运用所学知识分析、解决问题的能力和语言表述能力。第（3）问主要考查科学思维中的推理判断能力。第（4）问为中等难度试题，主要考查学生分析表格数据获取信息的能力和科学探究能力，以及运用所学知识解决问题的能力。

【复习提示】利用图、表考查光合作用和细胞呼吸是历年高考命题的特点，这样的命题方式可以考查学生通过图表获取信息能力和分析问题能力。从近两年看，高考命题又加大了对学生的科学探究和语言表达能力的考查力度，多维度地考查学生科学思维能力。在复习中，教师要多为学生提供相关素材，创设真实的教学情境，培养学生的演绎-推理、归纳和概括能力及批判性思维能力，拓展学生知识面和思维角度，如在例2第（3）问分析中，教师可以引入图解（如图6），引导学生分析景天科植物A光合作用的特点，拓展学生知识。此外，教师还可以指导学生对影响光合作用和细胞呼吸的因素进行列表归纳总结（如利用黑白瓶法、半叶法、实验装置法等测定光合速率等）及模型化分析，让学生动手动脑，学会绘制基本图像、分析较为复杂的曲线，并提出与之相应的具有训练思维的问题让学生分析，发展其科学素养，提升其应试能力。

图6

（三）通过整体性思想理解群体层次的物质和能量观

生物圈是最大的生态系统，任何严重影响某种生态系统结构和功能的因素，都可能最终影响到人类目前唯一生存的星球。从整体上分析生态系统的物质和能量流动问题，有利于学生理解生态系统结构和功能的协调统一对于生态系统稳定性的重要意义及保护生态环境和生物多样性的重要性，从而践行“绿水青山就是金山银山”的可持续发展理念，最终达到立德树人的教育目标。

【例3】如图7 是某地退耕还林后演替到某一阶段的生态系统部分生物关系。图8 为该生态系统能量流动关系，图9 为该生态系统的物质循环情况，其中甲、乙、丙是生态系统的成分，A、B、C、D 是乙中的四种生物。请回答下列问题：

图7

图8

图9

（1）如图7 所示生态系统的功能有___________、___________和物质循环，物质循环是指________________过程。碳在生物种群间传递的形式是___________。同碳元素一样，氮元素在生物群落与无机环境间也是不断循环的，演替前的农田生态系统还要不断施加氮肥的原因是___________________________________________。

（2）如图7 所示生态系统的总能量为___________，该生态系统最基本的生物成分是___________，其同化的能量可以直接流向___________（答出2 点即可）。图9 中X、Y 两种生物在细胞结构上的主要区别是___________，它们获得能量的途径分别是_________________。从图7 所示的营养关系分析，属于分解者的有___________。由于乔木的遮挡程度不同，导致了不同区域地表的草本植物、真菌等生物种类和数量有一定差异，地表生物的这种区域差异分布体现了群落具有___________结构。

（3）图9 甲所示细胞结构a～ d 中，产生CO2的结构有___________。该生态系统中可能存在的食物链为___________（用图9 中相关字母表示），食物链中能量流动逐级递减的原因是_____________________。该生态系统中的食物链___________（填“是”或“不是”）可变的，原因是_________________________________________（答出1 点即可）。

（4）某地退耕还林后的演替属于____________________________，从图7 中得出，从农田弃耕到该阶段过程中，生态系统的稳定性会逐渐增强，请从生态系统的结构和功能角度分析原因为______________________________________________________________。

（5）图8 是图7 所示生态系统中能量流动关系，其中a～d 表示能量值。初级消费者粪便中的能量包含在________________________（填图8 中字母）中，a 与c 的差值可表示___________________________。

【参考答案】（1）能量流动 信息传递 组成生物体的C、H、O、N、P、S 等元素，都不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环

含碳有机物 农田土壤中氮含量不足，且农产品会不断自农田生态系统输出到城市生态系统等其他系统，氮元素并不都能归还土壤 （2）生产者固定的太阳能总量 生产者 初级消费者和分解者 X 有核膜包被的细胞核，Y 无核膜包被的细胞核 X 从无机物氧化中获取能量，Y 从有机物中获取能量 大型真菌和跳虫水平 （3）a、b 如图所示：每个营养级都有大量能量通过热能形式散失，都有部分能量流向分解者，故上一个营养级能量不能100%流入下一营养级，导致能量在食物链中逐级递减 是 生物有迁出和迁入（或动物发育不同阶段及不同季节食性有改变） （4）次生演替 从农田弃耕到该阶段过程中，生态系统的物种种类和数量增加，营养结构更加复杂，物质循环速度加快，输入到生态系统的能量逐渐增多，生态系统的稳定性逐渐增强 （5）d 初级消费者用于自身生长、发育和繁殖的能量

【分析】本题以“退耕还林”这一生态现象为命题背景，考查真核及原核细胞结构、群落演替、生态系统的结构、生态系统的物质循环和能量流动特点。从学科素养角度考查生命观念、科学思维、社会责任等。第（1）问主要考查教材中生态系统功能和物质循环概念，要求学生能根据所学知识推断农田生态系统还要不断施加氮肥的原因，能理解碳循环和氮循环的异同点。第（2）问主要考查生态系统能量来源、各类生物获取能源的途径和群落的结构知识，考查学生识记能力和概括能力。第（3）问和第（4）问主要考查学生对食物链的结构和能量流动特点的分析，以及在演替过程中群落中物质和能量变化情况分析。在农田弃耕到图7 阶段的演替过程中，要从生态系统结构和功能关系的整体上分析，回答时要强调生态系统营养结构更加复杂，输入到生态系统的能量逐渐增多，导致生态系统稳定性增强。第（5）问从生态系统能量流动模型角度分析群落中能量变化情况，主要考查学生运用所学知识分析、推理和概述的能力。整个题目体现了从生态系统整体上的物质和能量分析，渗透运用科学知识指导农业生产活动的重要性及保护生物多样性的意义。

【复习提示】对于生态系统的物质和能量变化，高考考查较多集中在种群数量变化和群落的结构上，但由于国家加大生态环境治理和保护力度，近两年高考命题更多地向生态系统的稳定性和保护方面倾斜，教师在复习中应引起重视。在该部分复习中，教师要多注重引导学生对种群、群落和生态系统稳定性等相关概念的理解和强化；注重对教材中图表知识的整合及再加工；注重理论与实践相结合，让学生真正理解生态系统的结构和功能对生态系统稳定性的重要性。

总之，通过对本专题的复习，让学生从细胞结构和功能角度，理解细胞代谢中物质和能量的变化特点，理解光合作用和细胞呼吸的过程与联系。从生物与环境关系的角度，理解影响动、植物个体的物质和能量代谢的因素，并能够利用数学模型进行分析，利用实验进行探究。能运用整体性和系统性观点分析生态系统稳定性与其结构和功能具有密切联系，进而深刻理解生态系统的各种组成成分是通过物质循环和能量流动紧密联系的，使生态系统形成一个统一的整体。在整个复习过程中，始终在真实的情境中以问题为导向，启发学生思维，让学生在构建的“物质和能量观与生命系统生命活动紧密联系”大概念框架下理解知识，发展学科核心素养，提高分析问题及解决问题的能力，提升复习备考效率。