探讨细胞外液的渗透压、酸碱度和温度等内环境理化性质

以《细胞生活的环境》一课为例。

（一）教材分析

《细胞生活的环境》包括体细胞生活在细胞外液中、细胞外液的成分、细胞外液的渗透压和酸碱度，内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介等内容。这些内容，是课程标准所规定的“说明稳态的生理意义”的基础。

本章的导入利用教材提供的章题图来完成。通过启发学生观察章题图、思考图中内容与本章内容的关系，激发学生学习本章的兴趣。同时通过图片还可以使学生感受到边防战士、炼钢工人、抗洪抢险战士工作环境的恶劣，体会他们工作的艰苦，认识他们工作的重要性，这也是一种人文精神的渗透。本节的引入可以利用草履虫取食、排遗过程的视频和人体血细胞与血浆进行物质交换的动态演示，可以启发学生比较两者生活环境的异同，引出体内细胞生活的环境——内环境。

“体内细胞生活在细胞外液中”包含体液和内环境两个概念。内环境是核心概念，既包括了内环境的定义，也包括组成内环境的各种细胞外液通过动态的有机联系形成统一整体，还包括本章后续学习内容：内环境的组成，为什么要维持内环境稳态等。在教材第2章还要继续阐释内环境为什么能维持稳态。组织教学时先从简单的体液的概念入手，再通过多媒体动态演示组织液、血浆、淋巴液之间的关系揭示细胞外液是一个有机的整体，从而逐步深入使学生理解内环境的概念。最后通过“内环境与外界环境有哪些差别？”这样的问题，过渡到细胞外液的组成和理化特性的内容。

“细胞外液的成分”是学习细胞外液的渗透压和酸碱度等内容的基础。这部分的教学过程以血浆的化学成分为例进行探讨。多媒体显示血浆的化学组成，围绕这一演示提出3个逐步深入的问题让学生进行讨论，教师适当引导，让学生在讨论问题的过程中逐步理解知识要点。这部分内容最后总结为“细胞外液是一种盐溶液，类似于海水”。这在一定程度上反映了生命起源于海洋。这样，就在“内环境”和“生物进化”这两个核心概念之间建立了联系。

“细胞外液的渗透压酸碱度和温度”是内环境理化性质的3个主要方面。渗透压的概念比较难理解，用多媒体演示红细胞在清水中吸水胀破，在较高浓度食盐水中失水皱缩、死亡，通过在必修模块1中学习过的植物细胞对水分的吸收的原理，联系到渗透作用，并且用旁栏思考题的形式，引导学生与日常生活经验相联系，再引出渗透压的概念。pH的概念，在化学必修中学生已经学过，这里简要提示一下计算公式就可以了，然后明确一个知识要点。正常人体血浆的pH为7.35—7.45，血浆的pH之所以能够保持稳定，与它含有HCO3-、HPO4-等离子有关。

“内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介”，要理解细胞与内环境，内环境与外界环境的物质交换，也就是内环境在物质交换中的作用。这一部分的知识要求学生要有一定的综合分析能力。细胞与内环境之间进行物质交换的内容比较好理解，内环境如何与外界环境进行物质交换的内容，则比较复杂。教学过程在此处安排了一个思考与讨论活动。引导学生联系初中所学过的知识，任选一细胞外液中的成分（通常是二氧化碳、氧气或水等），分析它的来源和去路，并说明这与人体的哪些系统有关。最后安排内环境如何与外界环境进行物质交换的相关技能训练，让学生通过这个活动，既练习、领悟构建模型的方法，又进一步理解有关知识内容。

本课程内容比较抽象，因此，教学时力求联系学生的生活经验。例如，问题探讨、调查思考与讨论等栏目安排的内容都与生活实际联系紧密。

（二）教学目标及教学重难点

具体教学目标如下：①让学生能够描述内环境的组成和理化性质。②能说明内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介。③尝试建构人体细胞与外界环境的物质交换模型。④关注维持内环境稳态与健康的关系。

教学重点和难点均为内环境的组成和理化性质和内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介。

（三）教具准备

准备内容具体如下：①显微投影仪，展示草履虫、血液涂片。②视频1，播放边防战士爬雪山片段、炼钢工人高温作业片段、抗洪战士在恶劣环境中生活片段。③视频2，播放演示草履虫的取食过程、食物泡及消化过程、排遗、伸缩泡的排泄过程。④多媒体课件1，动态显示血细胞直接与血浆进行物质交换。⑤多媒体课件2，动态显示组织液、血浆、淋巴液之间的关系。

（四）教学过程

1.导入新课

师：同学们好！请大家认真观看这一段视频，并思考下面问题。

课件展示：他们的生活环境有什么特点？

（播放视频1）

（学生观看并思考）

师：谁来回答这个问题？

生1：过雪山的战士生活环境寒冷，炼钢工人生活环境炎热，抗洪战士生活环境也炎热。

师：很好。大家应注意的是抗洪战士生活环境并不单纯是炎热，还有呢？

生2：缺干净水。

生3：蚊虫多。

生4：细菌等微生物大量繁殖。

……

师：很好！前面所看到的恶劣环境对人体健康有何影响？在寒冷或炎热环境中人体是如何维持体温的？大量出汗时，应该及时补充淡盐水，这又是为什么呢？人体必须维持内环境的稳态。什么是内环境？什么是稳态？如何来维持内环境的稳态？这就是我们在本章学习的主要内容。本章分为两节，分别阐述内环境和稳态的知识。

2.推进新课

板书：第一节　细胞生活的环境

师：我们再看两段视频，思考并讨论。

课件展示。

讨论1：我们看到的都是什么细胞？

讨论2：它们分别生活在什么样的环境中？两者的生活环境有何异同？

播放视频2、多媒体课件1，学生观看、思考、讨论。

生：第一段播放的是草履虫。第二段播放的是血液中的血细胞。

生：草履虫是单细胞生物，生活在水中。血细胞生活在血浆中。

师：草履虫和血细胞的生活环境，有相似的地方吗？

生：有，都是液体环境。

师：二者又有什么不同呢？

生：草履虫直接生活在外界环境中，可直接与外界进行物质交换。而血细胞生活在体内的血浆中，并不直接与外界环境进行物质交换。

师：很好。哪种细胞生活的液体环境的理化性质更为稳定？

生：血浆。

师：单细胞生物（如草履虫）直接生活在外界环境中，可直接与外界进行物质交换。多细胞生物的细胞（如血细胞）生活在体内的液体环境中。

课件展示：①单细胞生物的细胞是直接生活在外界环境中，可直接与外界进行物质交换。②多细胞生物的细胞是生活在体内的液体环境中，一般不能直接与外界进行物质交换。

师：下面我们一起来探讨人体内的细胞。人体内的细胞，绝大多数没有直接与外界环境接触，不能直接与外界进行物质交换。这些细胞直接生活的环境是什么呢？

课件展示：人体内含有大量以水为基础的液体，这些液体统称为体液。体液又分为细胞内液与细胞外液。细胞内液存在于细胞内，约占体液的2/3；细胞外液又包括血浆、组织液、淋巴等等，约占体液的1/3。

师：细胞内液指什么？

生：细胞内的液体环境。主要是细胞质基质、叶绿体基质、线粒体基质、细胞液等。

师：对。细胞内液和细胞外液相比，谁多谁少呢？

生：细胞内液多，占2/3。

师：细胞直接生活的环境又是什么呢？

生：细胞外液。

师：细胞外液主要包括血浆、组织液、淋巴液等。

我们观看下面一段动画，阅读教材第三页，思考并讨论。

课件展示：①讨论1——组织液、血浆和淋巴液有什么异同？②讨论2——组织液、血浆和淋巴液有什么内在联系？能不能说全身细胞外液是一个有机的整体？③讨论3——什么是内环境？内环境主要包括哪些？

演示课件2，学生观看、阅读、思考、讨论。(www.chuimin.cn)

师：组织液、血浆和淋巴液有什么异同？

生1：相同点是它们都属于细胞外液，共同构成人体内环境，基本化学组成相同。

生2：不同点是在人体内存在的部位不同：血浆位于血管内，组织液分布于组织细胞之间，淋巴分布于淋巴管中。

生3：不同点是生活于其中的细胞种类不同：存在于组织液中的是体内各组织细胞，存在于血浆中的是各种血细胞，存在于淋巴中的是淋巴细胞等。

师：不同点有三者所含的化学成分有差异，如血浆中含有较多的蛋白质，而组织液和淋巴中蛋白质很少。

师：组织液、血浆和淋巴之间有什么内在联系？

生：血浆可以透过毛细血管壁进入组织间隙形成组织液。组织液可渗入毛细血管形成血浆。组织液也可渗入毛细淋巴管内形成淋巴液。淋巴液经淋巴循环汇入血浆。

师：对。组织液和血浆之间可以相互渗透，组织液又可以渗透到毛细淋巴管内形成淋巴，淋巴通过淋巴循环进入血液循环，形成血浆。由此可见，全身的细胞外液是一个有机的整体。

师：注意三者相互转化的位点：①血浆→组织液：毛细血管动脉端。②组织液→血浆：毛细血管静脉端。③组织液→淋巴：毛细淋巴管。④淋巴→血浆：左右锁骨下静脉。

师：我们概括地说，人体的细胞生活在细胞外液中。具体到某一个细胞，它的直接生活环境是什么呢？①绝大多数细胞——组织液。②血细胞——血浆。③淋巴细胞——淋巴。④毛细血管壁细胞——组织液和血浆。⑤毛细淋巴管壁细胞——组织液和淋巴。

师：血浆、组织液和淋巴通过动态的有机联系，共同构成机体内细胞生活的直接环境。为了区别于个体生活的外界环境，人们把由细胞外液构成的液体环境叫作内环境。

课件展示：体内细胞生活在细胞外液中。体液又分为细胞内液与细胞外液。其中细胞外液就是内环境，包括血浆、组织液、淋巴等等。

师：内环境是一个非常重要的概念。我们应从以下几个方面理解这个概念：①内环境的“内”是相对于个体外环境的“外”而言的。细胞外液的“外”是相对于细胞的“内”而言的。两个“内”“外”，着眼点不同。②注意从内环境的内涵和外延上把握内环境的概念。

师：那么内环境与外界环境有哪些差别呢？细胞外液有哪些化学成分呢？

讨论：①如何将表中物质按化学性质进行归类？②除表中所列成分外，血浆中还可能含有哪些物质？③在组成血浆的离子中哪些离子的含量较多？它们可能起什么作用？④HCO3-、HPO4-可能起什么作用？⑤任选其中一种成分，分析它的来源和去路，并说明它与人体的哪些系统有关。

学生阅读讨论。

生1：表中的化学物质可分为无机物和有机物。无机物包括水和无机盐离子（如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cl-、HPO4-、SO42-、HCO3-）等，有机物包括糖类（如葡萄糖）、蛋白质（如人血白蛋白、血清球蛋白、纤维蛋白原等）、脂质（如各种脂肪酸、脂肪、卵磷脂、胆固醇）、氨基酸氮、尿素氮，其他非蛋白氮和乳酸等。

生2：还含有气体分子（主要是氧气和二氧化碳），调节生命活动的各种激素，其他有机物（如维生素）等。

生3：Na+、Cl-含量较多。它们的作用主要是维持血浆渗透压。

课件展示：细胞外液的成分：①细胞外液中含量最多的是水，约占90%；其次是蛋白质，约占7%—9%。②组织液、淋巴的成分和含量与血浆相近，但又不完全相同。最主要的差别在于血浆中含有较多的蛋白质，而组织液和淋巴中蛋白质含量很少。③细胞外液本质上是一种盐溶液，类似于海水。这在一定程度上反映了生命起源于海洋。

师：HCO3-、HPO4-能起到什么作用呢？

课件展示：红细胞在清水中吸水胀破，在较高浓度食盐水中失水皱缩、死亡。请思考：①为什么红细胞在清水中吸水胀破、在较高浓度食盐水中失水皱缩、死亡？②生理盐水的浓度是多少？为什么医院里给病人输液时必须使用生理盐水？

师：我们在必修1中学习过植物细胞对水分吸收的原理。谁来说一下？

生1：渗透作用。

生2：当外界溶液浓度小于植物细胞液浓度时，植物细胞通过渗透作用吸水；当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，植物细胞通过渗透作用失水。

师：为什么红细胞在清水中吸水胀破，在较高浓度食盐水中失水皱缩、死亡？

生1：在清水中，外界溶液浓度小于细胞内液浓度，红细胞通过渗透作用吸水。

生2：在较高浓度的食盐水中，外界溶液浓度高于细胞内液。红细胞通过渗透失水出现皱缩。

师：生理盐水的浓度是多少？为什么医院里给病人输液时必须使用生理盐水？

生：生理盐水是浓度为0.9%的氯化钠溶液。因为其浓度与细胞外液相当，所以医院里给病人输液时使用生理盐水。

师：是的。所谓渗透作用，是指通过半透膜，水分子从低浓度向高浓度的扩散。也就是说，水分的净渗透方向与浓度有关。这时我们学习一个新的概念——溶液渗透压。

课件展示：溶液渗透压指溶液中溶质微粒对水的吸引力。溶液渗透压大小取决于溶液中溶质微粒的数目。溶质微粒越多，即溶液浓度越高，对水的吸引力越大，即溶液渗透压越高。反之亦然。血浆渗透压大小主要与无机盐、蛋白质的含量有关。人的血浆渗透压约为770kPa，相当于细胞内液的渗透压。

前面的资料分析提示了细胞外液中的各种无机盐离子，含量上占优势的是Na+和Cl-细胞，外液的渗透压的90%以上来自Na+和Cl-。

师：HCO3-、HPO4-？可能起什么作用？

生：维持血浆的酸碱平衡。

师：化学上学过，什么是pH？

生：pH即溶液酸碱度，是指溶液中自由氢离子浓度的负对数，即pH＝-Ig[H+]。

师：（总结）血浆的pH为7.35—7.45。血浆的pH之所以能够保持稳定，与它含有HCO3-、HPO4-等离子有关。

师：人体细胞外液的温度一般维持在37℃左右。

师：任选其中一种成分，分析它的来源和去路，并说明它与人体的哪些系统有关。

生：如血浆中的葡萄糖主要来源于食物中的糖类。食物中的淀粉经消化系统消化后，分解为葡萄糖，经小肠绒毛吸收后进入血液，通过血液循环运输到全身各处。进入组织细胞后，葡萄糖主要用于氧化分解放能，最终生成二氧化碳和水，并排入内环境中。二氧化碳通过血液循环被运输到肺，通过呼吸系统排出体外，而多余的水主要在肾脏通过形成尿液排出体外。

（五）课堂小结

结合初中学过的人体消化、呼吸、循环、排泄等知识，和同学讨论以下问题：①维持渗透压的Na+和Cl-以及葡萄糖、氨基酸等物质是经过哪些途径进入内环境的？②参与维持pH的HCO3-是怎样形成的？这与体内哪些系统的活动有关？③细胞外液的温度能够保持稳定的根本原因是什么？试推测哪些器官和系统参与了体温的维持。④体内细胞产生的代谢废物，如尿素和CO2是怎样从内环境排到体外的？

生1：Na+和Cl-等直接来自食物，不需要经过消化可以直接被吸收。葡萄糖、氨基酸等物质主要来自食物中的糖类和蛋白质。糖类和蛋白质是两类大分子物质，必须经过消化系统的消化、分解为葡萄糖和氨基酸才能被吸收。上述物质在小肠内经主动运输进入小肠绒毛内的毛细血管中，经血液循环运输到全身各处的毛细血管中，再通过物质交换过程进入组织液和淋巴。

生2：细胞代谢产生的CO2与H2O结合，在碳酸酐酶作用下，发生下列反应：CO2+H2O＝H2CO3＝H++HCO3-。HCO3-通过与细胞外的阴离子交换到达细胞外液，即组织液、血浆或淋巴中，主要与呼吸系统有关。

生3：人体具有体温调节机制以保持细胞外液温度的恒定。参与体温调节的器官和系统有皮肤、肝脏、骨骼肌、神经系统、内分泌系统、呼吸系统等。

生4：体内细胞产生的代谢废物主要通过皮肤分泌汗液，泌尿系统形成，排出尿液和呼吸系统的呼气这三条途径来排出。其中以泌尿系统和呼吸系统的排泄途径为主。例如，血浆中的尿素主要通过肾脏形成的尿液排出体外。血浆中的CO2通过肺动脉进入肺泡周围的毛细血管，由于血液中的CO2分压大于肺泡中CO2的分压，CO2就从血液中向肺泡扩散，再通过呼气运动将其排出体外。

（六）其他

课后还需要进行活动与探究以及习题详解，需要在本堂课上布置作业与任务，待学生完成后在下一堂课上进行反馈。

【注释】

[1]贺米元.任务驱动法在高中生物学教学中的应用研究[D].昆明：云南师范大学，2020.

[2]周忆堂.学科核心素养取向下的生物课堂教学目标制订[J].课程教学研究，2021（04）：57—60，78.

[3]于明.教学策略与方法的选择与优化[M].北京：国际文化出版公司，1997.

[4]蒋保银.核心素养背景下高中生物有效教学策略探究[J].新课程，2021（18）：56.

[5]沈桂君，孟贺芸.新课程理念下教案、学案一体化生物教学[J].学周刊，2011（12）：18.