素養(yǎng)導(dǎo)向的概念教學(xué)實(shí)踐
——以“細(xì)胞呼吸”復(fù)習(xí)為例

葛方金

(四川省自貢市蜀光中學(xué))

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版,2020年修訂)》提出:生物學(xué)課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施,內(nèi)容聚焦大概念,讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念,發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。生物學(xué)概念是對(duì)生物的生命活動(dòng)、結(jié)構(gòu)、生理過(guò)程、原理及規(guī)律的高度概括,具有客觀性、概括性和抽象性;同時(shí),生物學(xué)概念除了蘊(yùn)含生物學(xué)知識(shí)外,還是生物學(xué)家思想、探究思維的載體。因此,概念的構(gòu)建、理解、深化和應(yīng)用過(guò)程就是形成觀念、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的過(guò)程。筆者以“細(xì)胞呼吸”的復(fù)習(xí)為例,進(jìn)行了素養(yǎng)導(dǎo)向的概念教學(xué)實(shí)踐。

1.任務(wù)中構(gòu)建概念

以真實(shí)情境為載體,以形成核心概念為目標(biāo),精心設(shè)計(jì)一系列具有內(nèi)在邏輯關(guān)系的學(xué)習(xí)任務(wù),學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中,進(jìn)行活動(dòng)與體驗(yàn)、整合與關(guān)聯(lián),從而構(gòu)建生物學(xué)概念。

以“加了酵母的面粉蒸出的饅頭多孔松軟,加了酵母的面團(tuán)放置時(shí)間久了會(huì)有酒味”為情境,設(shè)計(jì)如下任務(wù):

任務(wù)1

興趣小組進(jìn)行了研究酵母細(xì)胞有氧呼吸場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表1:

表1 酵母細(xì)胞有氧呼吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,思考討論并回答以下問(wèn)題:

(1)酵母細(xì)胞在什么場(chǎng)所消耗葡萄糖?

(2)酵母細(xì)胞在什么場(chǎng)所消耗氧氣?

(3)有氧呼吸過(guò)程是一步反應(yīng)還是多步連續(xù)反應(yīng)?

(4)如何解釋第2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

任務(wù)2

資料1.檢測(cè)發(fā)現(xiàn),葡萄糖+細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)培養(yǎng)液中有兩種小分子有機(jī)物積累:丙酮酸(C3H4O3)與還原型氫(簡(jiǎn)寫為[H]或NADH)。

資料2.向線粒體懸液中加入14C標(biāo)記的丙酮酸(14C3H4O3)、[H]和氧氣,發(fā)現(xiàn)三者含量均下降,且在線粒體基質(zhì)中產(chǎn)生14CO2;加入3H2O,在線粒體基質(zhì)中出現(xiàn)[3H]。

資料3.蛋白質(zhì)定位研究顯示,參與丙酮酸分解的酶位于線粒體基質(zhì)。

資料4.氰化物可以破壞線粒體內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)。用氰化物處理后短時(shí)間內(nèi)線粒體還可以分解丙酮酸,但立刻停止消耗氧氣。

請(qǐng)根據(jù)以上資料,思考討論并回答以下問(wèn)題:

(1)葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物是什么?

(2)這些中間產(chǎn)物分別在什么場(chǎng)所被消耗?轉(zhuǎn)化為什么物質(zhì)?

任務(wù)3

請(qǐng)綜合有氧呼吸的物質(zhì)與能量變化、反應(yīng)場(chǎng)所與過(guò)程分析構(gòu)建酵母菌細(xì)胞有氧呼吸過(guò)程的概念模型。

任務(wù)4

酵母菌和大多數(shù)植物細(xì)胞在無(wú)氧條件下把葡萄糖分解為C2H5OH和CO2,動(dòng)物和人體細(xì)胞、乳酸菌、部分植物細(xì)胞(玉米胚、馬鈴薯塊莖、甜菜根)在無(wú)氧條件下把葡萄糖分解為C3H6O3(乳酸)。請(qǐng)綜合無(wú)氧呼吸的物質(zhì)與能量變化、反應(yīng)場(chǎng)所與過(guò)程構(gòu)建無(wú)氧呼吸過(guò)程的概念模型。

學(xué)生通過(guò)完成任務(wù)1和2認(rèn)識(shí)細(xì)胞有氧呼吸的場(chǎng)所和物質(zhì)變化,通過(guò)任務(wù)3和4分別建構(gòu)細(xì)胞有氧呼吸(圖1)和無(wú)氧呼吸(圖2)的概念模型。

圖1 細(xì)胞的有氧呼吸

圖2 細(xì)胞的無(wú)氧呼吸

在任務(wù)中進(jìn)行分析與綜合、歸納與概括、模型與建模等,訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維,進(jìn)階形成“生物通過(guò)細(xì)胞呼吸將儲(chǔ)存在有機(jī)分子中的能量轉(zhuǎn)化為生命活動(dòng)可以利用的能量”的概念,發(fā)展學(xué)生的物質(zhì)與能量觀和結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

2.探究中理解概念

科學(xué)探究重視學(xué)生本能的學(xué)習(xí)沖動(dòng),探究的過(guò)程可以為學(xué)生提供學(xué)習(xí)所需的直接反饋和親身體驗(yàn),使他們能夠形成新的、持久的對(duì)外部世界的理解。在生物學(xué)課程中,學(xué)生“對(duì)外部世界的理解”主要聚集于對(duì)本學(xué)科重要概念的理解和掌握。參與科學(xué)探究有助于學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)的發(fā)展過(guò)程,認(rèn)同用于研究的科學(xué)方法,幫助學(xué)生建立生物學(xué)觀點(diǎn)和重要概念,促進(jìn)學(xué)習(xí)效率的提升和概念的理解。

任務(wù)5

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)中,思考并解決以下問(wèn)題:

(1)實(shí)驗(yàn)的自變量是什么?怎樣施加自變量?

(2)實(shí)驗(yàn)的因變量是什么?怎樣檢測(cè)因變量?

(3)怎樣控制無(wú)關(guān)變量?

(4)據(jù)圖3設(shè)計(jì)酵母菌在有氧和無(wú)氧條件下進(jìn)行細(xì)胞呼吸的裝置圖(用字母和箭頭表示)。

圖3 探究酵母細(xì)胞呼吸方式的裝置

(5)預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出結(jié)論。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)生初步掌握了對(duì)比實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法,實(shí)證了酵母菌在有氧和無(wú)氧條件下都能進(jìn)行細(xì)胞呼吸。在有氧條件下,酵母細(xì)胞通過(guò)有氧呼吸產(chǎn)生大量的二氧化碳和水;在無(wú)氧條件下,酵母細(xì)胞通過(guò)無(wú)氧呼吸產(chǎn)生酒精和少量的二氧化碳。

實(shí)驗(yàn)探究中,學(xué)生經(jīng)歷“提出問(wèn)題→作出假設(shè)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→分析結(jié)果、得出結(jié)論→表達(dá)和交流”等過(guò)程,在作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和得出結(jié)論、表達(dá)交流中深度思考,在深入交流中激發(fā)探究的欲望、實(shí)現(xiàn)思維的碰撞,促使學(xué)生進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí),理解細(xì)胞呼吸的類型,發(fā)展了學(xué)生科學(xué)探究的能力和素養(yǎng)。

3.思辨中深化概念

概念是思維的產(chǎn)物,科學(xué)思維是形成概念的工具和途徑。因此,設(shè)計(jì)活動(dòng)并提出相應(yīng)的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生思考討論,進(jìn)行比較辨析、推理判斷、歸納概括,能促進(jìn)學(xué)生在思辨中深化對(duì)概念的理解。

任務(wù)6

(1)請(qǐng)完成表2,比較有氧呼吸與無(wú)氧呼吸。

表2 有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的不同點(diǎn)和相同點(diǎn)

(2)藍(lán)藻、硝化細(xì)菌、醋酸菌細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有線粒體,它們能不能進(jìn)行有氧呼吸?為什么?

(3)有人認(rèn)為:有氧呼吸是由無(wú)氧呼吸發(fā)展變化形成的。請(qǐng)你列舉出支持此觀點(diǎn)的證據(jù)(要求答出兩點(diǎn))。

學(xué)生通過(guò)有氧呼吸與無(wú)氧呼吸的比較,認(rèn)識(shí)到兩種呼吸方式既有區(qū)別又有聯(lián)系,但實(shí)質(zhì)都是分解有機(jī)物釋放能量。藍(lán)藻、硝化細(xì)菌、醋酸菌細(xì)胞內(nèi)雖然沒(méi)有線粒體,但含有與有氧呼吸有關(guān)的酶系統(tǒng),故也能進(jìn)行有氧呼吸,從而理解線粒體是有氧呼吸的主要場(chǎng)所,但有氧呼吸不是一定要在線粒體中才能進(jìn)行。在比較中辨析、在演繹中推理,訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的第一階段完全相同,都不需要氧氣,都與線粒體無(wú)關(guān);地球早期大氣中缺乏氧氣和地球上最早出現(xiàn)的原核細(xì)胞中沒(méi)有線粒體等為“有氧呼吸是由無(wú)氧呼吸發(fā)展變化形成的”概念提供例證,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),發(fā)展了學(xué)生的進(jìn)化與適應(yīng)觀。通過(guò)思辨,讓學(xué)生更全面、準(zhǔn)確的理解、掌握細(xì)胞呼吸概念的內(nèi)涵、外延、實(shí)證和例外性,讓學(xué)生的思維更深刻,實(shí)現(xiàn)對(duì)概念的深化。

4.實(shí)踐中應(yīng)用概念

《課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐,高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的實(shí)踐經(jīng)歷,要求學(xué)生能用科學(xué)的觀點(diǎn)、知識(shí)、思路和方法,探討或解決現(xiàn)實(shí)生活中的某些問(wèn)題。在問(wèn)題解決中運(yùn)用概念,舉一反三,融會(huì)貫通。

任務(wù)7

資料1.利用麥芽、葡萄、糧食和酵母菌以及發(fā)酵罐等,在控制通氣的情況下,可以生產(chǎn)各種酒。

資料2.糧食、水果蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品在表3所示條件貯存。

表3 糧食、水果蔬菜貯存條件

資料3.蔬菜、水果放入地窖中儲(chǔ)存。

請(qǐng)根據(jù)以上資料,分析O2濃度、溫度、水分和CO2濃度怎樣影響細(xì)胞呼吸?為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的影響?并用坐標(biāo)曲線圖分別表示它們對(duì)細(xì)胞呼吸的影響。

任務(wù)8

請(qǐng)你運(yùn)用細(xì)胞呼吸的原理回答以下問(wèn)題:

(1)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可采取什么措施防止土壤板結(jié)?該措施為什么能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)?

(2)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,稻田若不進(jìn)行定期排水,會(huì)導(dǎo)致水稻幼根變黑、腐爛,原因是什么?

(3)包扎傷口時(shí),選用松軟的“創(chuàng)可貼”,目的是什么?

(4)皮膚破損較深或被銹釘扎傷后,需注射破傷風(fēng)抗毒血清預(yù)防由破傷風(fēng)芽孢桿菌引起的破傷風(fēng),原因是什么?

(5)慢跑等有氧運(yùn)動(dòng)一般不會(huì)出現(xiàn)肌肉酸脹乏力,為什么?

運(yùn)用細(xì)胞呼吸的原理解釋注射破傷風(fēng)抗毒血清和有氧運(yùn)動(dòng)一般不會(huì)出現(xiàn)肌肉酸脹乏力等生活現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類健康。解決土壤板結(jié)、水稻幼根變黑腐爛等生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題,構(gòu)建O2濃度、溫度、水分和CO2濃度影響細(xì)胞呼吸的數(shù)學(xué)模型,分析并理解外界環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞呼吸的影響,在概念的應(yīng)用中發(fā)展了學(xué)生的思維品質(zhì),培養(yǎng)了學(xué)生解決問(wèn)題的意識(shí)和能力,落實(shí)社會(huì)責(zé)任。

總之,生物學(xué)的概念(包括原理、規(guī)律、定律)是生物學(xué)大廈的“基石”,也是生物學(xué)大廈的“結(jié)構(gòu)”,又是認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象及其活動(dòng)規(guī)律的“產(chǎn)物”。因此,學(xué)習(xí)生物學(xué),主要是學(xué)習(xí)生物學(xué)概念,重在構(gòu)建概念。在情境任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下,運(yùn)用科學(xué)思維方法,開展科學(xué)探究活動(dòng),形成概念建立生命觀念,在概念的建構(gòu)、理解和運(yùn)用過(guò)程中促進(jìn)學(xué)生深層次理解科學(xué)知識(shí)和科學(xué)本質(zhì),發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)。