基于模型建構(gòu)的深度合作學(xué)習(xí)
——以“細(xì)胞呼吸”的一輪復(fù)習(xí)為例

云南 趙 劍 祁 云

近年來的高考生物試卷中，有關(guān)模型、建模以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推理、分析的試題出現(xiàn)頻率很高。人教版高中生物學(xué)教材中存在著大量模型資源，在高考復(fù)習(xí)過程中，基于學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，深度挖掘并充分利用課本模型資源，指導(dǎo)學(xué)生自主分析、建構(gòu)和運(yùn)用模型去解決生物學(xué)疑難問題，對順利達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)探究的能力都起到積極的促進(jìn)作用。

1.學(xué)情分析

細(xì)胞呼吸是生物體內(nèi)一系列連續(xù)的生理生化反應(yīng)過程，《普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱》對說明細(xì)胞呼吸作用的過程、探討其原理及生產(chǎn)生活中的應(yīng)用、探究酵母菌的呼吸方式的要求均為理解水平。

盡管學(xué)生在初中和高一階段已經(jīng)打下了一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，但對于學(xué)生而言，這部分的內(nèi)容還是比較抽象。模型是對認(rèn)識對象所做的一種簡化的、概括性的描述，可以比較直觀地幫助學(xué)生理解核心概念的內(nèi)涵與外延、理解相應(yīng)代謝的本質(zhì)。模型變式、模型運(yùn)用等方式，可以提高學(xué)生圖文轉(zhuǎn)換、知識遷移和語言表達(dá)的能力，提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。細(xì)胞呼吸內(nèi)容涉及的知識點(diǎn)與學(xué)生的生產(chǎn)、生活實(shí)踐聯(lián)系非常緊密，可以解釋很多學(xué)生身邊常見的現(xiàn)象，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，容易使學(xué)生獲得成就感。

2.復(fù)習(xí)目標(biāo)

生命觀念：線粒體結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一；儲存在有機(jī)物中的能量通過細(xì)胞呼吸轉(zhuǎn)化為生物體生命活動利用的能量。

科學(xué)思維：建構(gòu)有氧呼吸和無氧呼吸過程的概念模型；歸納、總結(jié)有氧呼吸和無氧呼吸的概念；建構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析影響細(xì)胞呼吸的內(nèi)、外因素。

科學(xué)探究：通過建構(gòu)探究細(xì)胞呼吸方式的物理模型，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計及科學(xué)探究的創(chuàng)新能力；總結(jié)細(xì)胞呼吸類型的判斷方法。

社會責(zé)任：運(yùn)用細(xì)胞呼吸的原理來解釋生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題。

3.復(fù)習(xí)過程

【引入】“白肺”，是經(jīng)常出現(xiàn)在“新冠肺炎”疫情中的詞語，是指在X 光檢查下肺部顯影呈現(xiàn)大片白色。出現(xiàn)“白肺”，一般意味著肺部有嚴(yán)重感染，癥狀一旦出現(xiàn)，患者可能會因呼吸衰竭而死亡。

【設(shè)問】高等動物的呼吸和細(xì)胞呼吸是同一概念嗎？

【設(shè)計意圖】引入社會和生活中的熱點(diǎn)問題，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)社會責(zé)任感，提高使命擔(dān)當(dāng)意識；對高等動物的呼吸和細(xì)胞呼吸進(jìn)行比較，可以得出人們常說的呼吸是指外呼吸，細(xì)胞呼吸的本質(zhì)是分解有機(jī)物，提供生物體生命活動所需的能量。

教師在指導(dǎo)學(xué)生區(qū)分呼吸和細(xì)胞呼吸兩個概念間關(guān)系的基礎(chǔ)上，揭示本課復(fù)習(xí)課題。

根據(jù)細(xì)胞呼吸過程中是否有氧氣參與，分為有氧呼吸和無氧呼吸兩類（學(xué)生默寫細(xì)胞呼吸相關(guān)的反應(yīng)式）。

3.1 建構(gòu)物理模型，探究細(xì)胞呼吸方式

細(xì)胞呼吸很難直接觀察，師生可以借助一些特殊的裝置來檢測細(xì)胞呼吸的發(fā)生方式。

3.1.1 探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式

【聚焦原?！?/p>

引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)“探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式”的模式生物——酵母菌的特點(diǎn)，參照課本上的實(shí)驗(yàn)原模，分析實(shí)驗(yàn)的自變量、無關(guān)變量，由此啟發(fā)學(xué)生回憶如何設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)、如何選擇恰當(dāng)?shù)挠^測指標(biāo)。以小組合作探究的方式，設(shè)計探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)模型（圖1），在導(dǎo)學(xué)案上繪制裝置圖并對關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)注（有色液滴移動法）。

圖1 探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式物理模型（參考）

在小組合作過程中教師對不同組的裝置進(jìn)行針對性地指導(dǎo)，小組間交換導(dǎo)學(xué)案并提出修改意見，選出小組代表進(jìn)行裝置展示，并根據(jù)以下問題進(jìn)行匯報：

①如何通過對比實(shí)驗(yàn)控制有氧條件和無氧條件？

②鑒定有無CO2和酒精產(chǎn)生依據(jù)的原理是什么？

③如何描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)論？

小組展示時，教師鼓勵其他小組的學(xué)生提出問題、大膽質(zhì)疑，雙方可就一些疑難問題展開辯論、求證，最后評選出最佳設(shè)計方案。

【完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計】

進(jìn)一步思考：①如何排除實(shí)驗(yàn)裝置中CO2和酒精的產(chǎn)生是由于葡萄糖溶液的純化學(xué)反應(yīng)的錯誤觀點(diǎn)？（將裝置中的酵母菌和葡萄糖混合液替換為純葡萄糖溶液，檢測溶液中是否含有酒精，觀察有色液滴移動情況。）

②如果發(fā)現(xiàn)純葡萄糖溶液裝置中有色液滴也發(fā)生了移動，可能的原因是什么？（實(shí)驗(yàn)所用的葡萄糖溶液沒有煮沸，可能存在其他微生物的呼吸作用干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可能是氣壓等因素的變化所導(dǎo)致。）

【設(shè)計意圖】物理模型能將抽象的概念直觀化，通過實(shí)驗(yàn)原模的改進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生快速復(fù)習(xí)課本經(jīng)典探究實(shí)驗(yàn)，形成對教材實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)知。小組匯報過程，訓(xùn)練了學(xué)生的協(xié)調(diào)合作能力和語言表達(dá)能力。開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?gòu)，深化了學(xué)生對細(xì)胞呼吸相關(guān)知識的理解。

【思考】探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊裼脕硖骄恐参锛?xì)胞的呼吸方式？

【分析】能。探究綠色植物細(xì)胞的呼吸方式，需要將培養(yǎng)液替換為綠色植物，整個裝置要進(jìn)行遮光處理，防止植物光合作用對細(xì)胞呼吸進(jìn)行干擾；探究植物非綠色器官的細(xì)胞呼吸方式，則不需要進(jìn)行遮光處理；兩者都需要設(shè)計修正裝置來排除微生物呼吸作用和氣壓等因素變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。

3.1.2 探究植物細(xì)胞呼吸方式

【建構(gòu)模型】

確認(rèn)某植物的呼吸作用類型，應(yīng)至少設(shè)置兩套呼吸裝置，如圖2中裝置甲、裝置乙所示（以發(fā)芽種子為實(shí)驗(yàn)材料）。

圖2 探究植物細(xì)胞呼吸方式物理模型（參考）

【原理】裝置甲中NaOH 溶液的作用是吸收細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2，紅墨水移動的距離代表細(xì)胞呼吸吸收的O2量；裝置乙中紅墨水移動的距離代表細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2量與吸收的O2量的差值。根據(jù)單位時間內(nèi)紅墨水移動的距離，該實(shí)驗(yàn)裝置還可以測定細(xì)胞呼吸速率。

【校正誤差】為了修正種子表面微生物的呼吸作用和氣壓等因素變化引起的誤差，需設(shè)置圖2 中的裝置丙（除將裝置中生物材料換為等量同種殺死的生物材料外，其余均與裝置乙相同）。

【思維拓展】細(xì)胞呼吸過程中一定會伴隨氣體的變化嗎？細(xì)胞呼吸的實(shí)質(zhì)是什么？

【分析】細(xì)胞呼吸產(chǎn)生乳酸時沒有氣體的變化，不能通過上述裝置來檢測。

細(xì)胞呼吸的實(shí)質(zhì)最主要是釋放有機(jī)物中儲存的能量供生物體的生命活動利用，CO2、H2O、酒精、乳酸等其實(shí)都是細(xì)胞呼吸的副產(chǎn)品。據(jù)測定，1mol 葡萄糖體外燃燒和體內(nèi)徹底氧化所釋放的能量都是2870kJ。細(xì)胞有氧呼吸釋放的能量是在溫和的條件下逐步而緩慢地放出，其中1161kJ 左右的能量轉(zhuǎn)移到ATP 中，大概生成38mol ATP，其余絕大多數(shù)能量以熱能形式散失，但生物體都可以利用，葡萄糖在體外燃燒、爆炸時，大量能量瞬間被劇烈地釋放，生物體無法利用。

【設(shè)計意圖】通過裝置甲和裝置乙中液滴移動情況的對比及裝置丙實(shí)驗(yàn)誤差的修正，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會判斷細(xì)胞呼吸的類型，明確細(xì)胞呼吸無論是在有氧條件下還是無氧條件下都能將有機(jī)物中儲存的能量釋放出來，進(jìn)而提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3.2 建構(gòu)概念模型，將細(xì)胞呼吸過程系統(tǒng)化

【聚焦原?！?/p>

引導(dǎo)學(xué)生在導(dǎo)學(xué)案給出的細(xì)胞中繪制線粒體亞顯微結(jié)構(gòu)簡圖，標(biāo)出線粒體各部分的名稱。

【小組活動】對照課本中的有氧呼吸過程原模，依照各階段的發(fā)生次序，引導(dǎo)學(xué)生從場所、條件、物質(zhì)變化、能量變化等方面在細(xì)胞（線粒體）中自主建構(gòu)細(xì)胞呼吸過程模型，并寫出有氧呼吸三個階段的反應(yīng)式。

以小組為單位互評細(xì)胞呼吸過程模型及相關(guān)反應(yīng)式，教師點(diǎn)評，講解示范。

圖3 細(xì)胞呼吸過程概念模型（參考）

總結(jié)有氧呼吸和無氧呼吸的概念，寫出有氧呼吸和無氧呼吸的相關(guān)總反應(yīng)式，標(biāo)注總反應(yīng)式中各種元素的來源和去向，說明反應(yīng)物消耗的場所和生成物產(chǎn)生的場所。

【小結(jié)】設(shè)計表格闡述有氧呼吸與無氧呼吸的聯(lián)系和區(qū)別，提升對兩個過程的理解和識記水平，總結(jié)細(xì)胞呼吸的概念和意義。

【注意】①無氧呼吸與有氧呼吸第一階段完全相同，無氧呼吸第二階段不產(chǎn)生ATP，消耗第一階段產(chǎn)生的[H]。②無氧呼吸產(chǎn)生乳酸或產(chǎn)生酒精和CO2，人體細(xì)胞無氧呼吸的產(chǎn)物是乳酸，CO2的生成只能來自有氧呼吸。

【設(shè)計意圖】構(gòu)建概念模型是梳理知識內(nèi)容較為重要的方法，不僅可以總體呈現(xiàn)章節(jié)的核心知識內(nèi)容，而且可以兼顧知識之間的聯(lián)系，尤其是在學(xué)習(xí)有關(guān)生理部分的知識時，可以直觀地呈現(xiàn)細(xì)胞中的生理階段、物質(zhì)變化和反應(yīng)場所，使抽象、復(fù)雜的過程變得形象、具體。細(xì)胞呼吸過程的模型建構(gòu)，深化了學(xué)科核心素養(yǎng)中的物質(zhì)與能量觀，培養(yǎng)了學(xué)生歸納與概括的科學(xué)思維。

3.3 利用數(shù)學(xué)模型，將邏輯思維縝密化

細(xì)胞呼吸受內(nèi)部因素和外界因素的共同影響。內(nèi)部因素主要是由生物體的遺傳特性決定，表現(xiàn)在不同種類的植物、同種植物不同的生長發(fā)育時期、同一植物不同器官的細(xì)胞呼吸速率都是不同的；外界影響因素主要包括O2濃度、CO2濃度、溫度及水分等。

教師可引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位建構(gòu)坐標(biāo)曲線圖模型、柱形圖模型，再通過兩者的比較和轉(zhuǎn)換，進(jìn)而直觀地表現(xiàn)出影響細(xì)胞呼吸的各種因素。

【建構(gòu)模型】

以外界環(huán)境中O2濃度對植物細(xì)胞呼吸的影響為例。

【模型描述】沒有O2時，植物細(xì)胞只進(jìn)行無氧呼吸，隨著O2濃度的增加，其對無氧呼吸的抑制作用加強(qiáng)，當(dāng)O2濃度達(dá)到一定值時，無氧呼吸完全被抑制，有氧呼吸隨著O2濃度的增大而逐漸增強(qiáng)。

要求學(xué)生以橫坐標(biāo)為自變量，縱坐標(biāo)為因變量，自主建構(gòu)坐標(biāo)曲線模型，并著重關(guān)注模型中關(guān)鍵點(diǎn)的含義、模型的曲線變化特點(diǎn)及曲線圖模型與柱形模型間的對應(yīng)關(guān)系等。

【說明】圖4 中Q、A、P 大概分別對應(yīng)圖5 中的a、c、d 的O2濃度，圖5 中b 的O2濃度對應(yīng)于圖4 中QA 間的某一點(diǎn)；b 的CO2總產(chǎn)生量是8，有氧呼吸產(chǎn)生CO2的量為3，無氧呼吸產(chǎn)生CO2的量為5，根據(jù)總反應(yīng)式可知需要消耗葡萄糖的量分別為0.5 和2.5，此時無氧呼吸消耗葡萄糖的量是有氧呼吸消耗的5 倍。

圖4 O2 濃度對細(xì)胞呼吸影響的曲線圖模型

圖5 O2 濃度對細(xì)胞呼吸影響的柱形圖模型

【模型拓展】含淀粉多的種子或含脂肪多的種子萌發(fā)過程中，CO2釋放量和O2吸收量的變化趨勢如圖6、圖7 所示。

圖6 O2 濃度對細(xì)胞呼吸影響的模型變式（1）

圖7 O2 濃度對細(xì)胞呼吸影響的模型變式（2）

【說明】圖6 是含淀粉多的種子的細(xì)胞呼吸，42h時，該器官O2吸收量和CO2釋放量相等，此時其只進(jìn)行有氧呼吸；圖7 是含脂肪多的種子的細(xì)胞呼吸，Q 點(diǎn)時，該器官O2吸收量和CO2釋放量相等，但此時還進(jìn)行無氧呼吸。當(dāng)以脂肪為細(xì)胞呼吸底物時，有氧呼吸吸收的O2量大于釋放的CO2量，原因是與葡萄糖相比，脂肪含H 量更高。

【設(shè)計意圖】數(shù)學(xué)模型不僅可以直觀呈現(xiàn)知識間的聯(lián)系，而且可以深入研究細(xì)胞呼吸過程中物質(zhì)的變化。通過建立數(shù)學(xué)模型，提取數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵信息，學(xué)生能直觀、準(zhǔn)確地總結(jié)出影響細(xì)胞呼吸的各種因素，提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

學(xué)科核心素養(yǎng)中提出學(xué)生不僅要有分析、解決問題的能力，更要把這種能力運(yùn)用到實(shí)踐中。在細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用中，教師可以通過PPT 展示一些生產(chǎn)、生活中的常見現(xiàn)象，讓學(xué)生判斷這些現(xiàn)象和細(xì)胞呼吸的關(guān)系，利用細(xì)胞呼吸的原理解釋有關(guān)現(xiàn)象，建構(gòu)細(xì)胞呼吸原理應(yīng)用的概念模型，深化學(xué)科核心素養(yǎng)中的生命觀念，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

4.教學(xué)反思

一輪復(fù)習(xí)課，學(xué)生已經(jīng)有了一定的知識儲備。對相關(guān)的知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)如果只是簡單的重復(fù)，學(xué)生容易產(chǎn)生懈怠情緒，學(xué)生的個人素質(zhì)也不容易得到發(fā)展。本節(jié)課通過結(jié)合社會熱點(diǎn)問題創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，促使學(xué)生學(xué)會利用所學(xué)知識解決社會問題，喚醒學(xué)生參與討論社會事務(wù)的責(zé)任。此種復(fù)習(xí)過程從學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通過教師指導(dǎo)學(xué)生分析、歸納課本中的基本模型，要求學(xué)生在掌握經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，開放性地設(shè)計探究實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并以此為基礎(chǔ)建立與細(xì)胞呼吸相關(guān)的物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型，提升學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和方法解決問題的能力，挖掘復(fù)習(xí)的深度。

重大科學(xué)成果的取得，往往靠的是多人的通力合作。因此，課堂教學(xué)設(shè)計應(yīng)注重學(xué)生間的合作學(xué)習(xí)，促使每個學(xué)生都能積極參與到探究活動和模型建構(gòu)中。通過小組內(nèi)的自評、小組間的互評，大膽提出質(zhì)疑，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)，提高課堂整體效率。