情境引領(lǐng)下的“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”的單元整體教學(xué)

摘 要：本文以“啤酒釀造的過程”作為情境貫穿，對(duì)“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”前三節(jié)內(nèi)容展開單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)，基于麥芽的選擇、糖化和發(fā)酵的操作等具體場景提出問題，引導(dǎo)學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建重要概念，從而解釋和解決真實(shí)問題，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：單元教學(xué)；細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）06-0078-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 單元教學(xué)內(nèi)容分析及設(shè)計(jì)思路

細(xì)胞中時(shí)刻發(fā)生的各種反應(yīng)統(tǒng)稱為細(xì)胞代謝，反應(yīng)中物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化相互依存，因此細(xì)胞代謝離不開酶的作用。依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版 2020年修訂）》的內(nèi)容要求“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”單元對(duì)于學(xué)生構(gòu)建概念“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實(shí)現(xiàn)增殖”具有重要意義。通過對(duì)此內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以理解絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，列舉酶活性的影響因素，解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)，說明生物體通過細(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。達(dá)成指向物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念的教學(xué)目的。

本文以“啤酒釀造”作為真實(shí)情境引入單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)：探究酶的作用、特性和影響酶活性的因素，理解酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸，從而解釋生產(chǎn)中的現(xiàn)象，不僅能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，突出學(xué)生的主體地位，幫助學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)完成學(xué)科概念新知的構(gòu)建。^［1］該方法也有利于培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)際聯(lián)系的社會(huì)責(zé)任感，進(jìn)而運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系解決情境問題，對(duì)啤酒釀造的工藝作出解釋、思考并提出建議。

2 單元教學(xué)目標(biāo)

（1）從麥芽制備過程中的有機(jī)物含量變化分析，認(rèn)同細(xì)胞代謝離不開酶的科學(xué)觀念，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，結(jié)合探索酶本質(zhì)的資料梳理，從酶的來源、作用和化學(xué)本質(zhì)三方面進(jìn)行概括，從科學(xué)史的學(xué)習(xí)中認(rèn)識(shí)到科學(xué)是在曲折中前進(jìn)的，增加對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

（2）通過了解啤酒釀造時(shí)的糖化操作過程中對(duì)溫度和pH值的控制，提出影響酶活性的因素，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究溫度和pH值對(duì)酶活性的影響，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，概括酶的作用條件和特點(diǎn)；結(jié)合酶制劑在啤酒釀造中的應(yīng)用，說明酶的作用具有專一性，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的水解作用，聯(lián)系酶在生活中的應(yīng)用，認(rèn)同科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的緊密聯(lián)系。

（3）通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，從結(jié)構(gòu)和功能的角度解釋“ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”。

（4）比較酵母菌在啤酒釀造和飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)探究酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸，說出細(xì)胞呼吸的類型及其產(chǎn)物的區(qū)別。概括有氧呼吸三個(gè)階段的場所、物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化，比較無氧呼吸和有氧呼吸，說明無氧呼吸兩個(gè)階段的發(fā)生過程。歸納細(xì)胞呼吸的概念，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。

（5）通過探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的水解作用，影響酶活性的因素，探究酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸等活動(dòng)，學(xué)會(huì)依據(jù)探究問題設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，控制自變量和無關(guān)變量，觀察和檢測因變量，交流分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析、比較、歸納現(xiàn)象并得出結(jié)論，發(fā)展科學(xué)思維和探究能力。

3 主要單元教學(xué)過程

3.1 絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)

教師創(chuàng)設(shè)“啤酒釀造”情境，介紹啤酒釀造的原料、流程和原理，結(jié)合小麥發(fā)芽過程中有機(jī)物含量的變化曲線，說明細(xì)胞代謝離不開酶。提出任務(wù)一：酶具有什么作用？如何探究酶的作用？教師組織學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，歸納認(rèn)同酶具有催化作用，且與無機(jī)催化劑相比，酶催化具有高效性的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提供資料，引導(dǎo)學(xué)生分析酶的作用機(jī)理“降低化學(xué)反應(yīng)的活化能”，從原理上解釋酶的高效性。

教師利用教材“思考·討論”中的“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”資料，引導(dǎo)學(xué)生以圖解的方式梳理相關(guān)科學(xué)史，結(jié)合麥芽中含有淀粉酶，進(jìn)而歸納酶的定義：酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機(jī)物，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。

3.2 酶活性受到環(huán)境因素的影響

教師展示啤酒釀造中糖化操作的視頻，由視頻中控制溫度和pH值的做法提出問題：為什么要控制反應(yīng)時(shí)的溫度和pH值？基于此開展任務(wù)二：探究溫度和pH值對(duì)淀粉酶活性的影響。引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量和無關(guān)變量，設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行交流討論，對(duì)誤差原因進(jìn)行分析，匯總數(shù)據(jù)繪制曲線，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：存在一個(gè)最適溫度/pH值使酶的活性最高，當(dāng)溫度/pH值過高或過低時(shí)，酶的活性都會(huì)明顯下降。

引導(dǎo)學(xué)生從酶的本質(zhì)出發(fā)，思考高溫和低溫、過酸和過堿分別對(duì)酶活性有什么影響。從結(jié)構(gòu)和功能的角度說明，蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性依賴于一定的空間結(jié)構(gòu)，高溫、過酸、過堿會(huì)破壞酶的空間結(jié)構(gòu)使酶徹底失活；低溫只是抑制酶的活性，沒有破壞其空間結(jié)構(gòu)，溫度升高，酶的活性就會(huì)恢復(fù)。

教師展示啤酒釀造工藝流程圖，補(bǔ)充不同溫度對(duì)不同淀粉酶活性的影響曲線圖并提出問題：為什么需要在不同的操作環(huán)節(jié)中設(shè)置不同的溫度條件？為什么不同階段人工添加的酶制劑不同？引導(dǎo)學(xué)生說明不同酶反應(yīng)的最佳溫度條件不同，不同階段的反應(yīng)物不同，因此需要使用不同種類的酶。在此基礎(chǔ)上提出任務(wù)三：探究酶具有專一性。組織學(xué)生設(shè)計(jì)并開展探究淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的水解作用實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并總結(jié)酶的特性具有專一性：一種酶只能催化一種或一類化學(xué)反應(yīng)，并基于鎖鑰學(xué)說辨析相關(guān)模型與酶促反應(yīng)中物質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

教師由酶制劑在釀酒行業(yè)上的應(yīng)用，延伸補(bǔ)充酶在其他生產(chǎn)生活領(lǐng)域的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生自覺認(rèn)同科學(xué)技術(shù)服務(wù)社會(huì)生產(chǎn)的理念，樹立運(yùn)用所學(xué)知識(shí)造福人類的社會(huì)責(zé)任感。

3.3 ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)

教師由啤酒釀造的糖化操作引出問題：細(xì)胞中的糖類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)儲(chǔ)存著化學(xué)能，葡萄糖是驅(qū)動(dòng)酵母菌在內(nèi)的細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)嗎？引導(dǎo)學(xué)生基于螢火蟲發(fā)光需要細(xì)胞提供能量的情境，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，根據(jù)事實(shí)證據(jù)得出結(jié)論：ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。基于此提出任務(wù)四：為什么ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)？組織學(xué)生閱讀提取教材和相關(guān)資料中的信息，繪制構(gòu)建ATP的結(jié)構(gòu)模型，理解ATP是一種高能磷酸化合物，最終認(rèn)同ATP的結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)。

教師在ATP的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的模型，結(jié)合具體實(shí)例分析、歸納、概述ATP形成過程中所需能量的主要來源及意義，以及ATP水解產(chǎn)生的能量的用途和意義，解釋ATP是“能量貨幣”。

3.4 生物通過細(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

教師通過比較啤酒釀造的發(fā)酵過程和培養(yǎng)酵母菌的操作過程提出問題：為什么都是培養(yǎng)酵母菌，有的需要通風(fēng)，有的卻需要密封？補(bǔ)充酵母菌作為兼性厭氧菌的特點(diǎn)，組織學(xué)生開展任務(wù)五：探究酵母菌的細(xì)胞呼吸方式。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的自變量、無關(guān)變量和因變量進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)方案并開展相應(yīng)探究，觀察現(xiàn)象并最終得出結(jié)論：酵母菌在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行細(xì)胞呼吸。有氧條件下，酵母菌通過有氧呼吸產(chǎn)生大量的二氧化碳和水；無氧條件下，酵母菌通過無氧呼吸產(chǎn)生酒精以及少量的二氧化碳。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行概括總結(jié)，歸納對(duì)比實(shí)驗(yàn)的意義和流程。

教師基于酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸的探究結(jié)果，提出問題：細(xì)胞呼吸的場所在哪里？有氧呼吸和無氧呼吸經(jīng)歷了哪些過程？這些過程中物質(zhì)和能量如何變化？結(jié)合以上問題開展任務(wù)六：構(gòu)建細(xì)胞的有氧呼吸流程圖。之后提供實(shí)驗(yàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象，逐一概括有氧呼吸三個(gè)階段的場所、反應(yīng)物、產(chǎn)物情況，繪制有氧呼吸的模式圖并進(jìn)行交流討論，完善模型。

教師展示無氧呼吸的模式圖，引導(dǎo)學(xué)生以表格形式概括無氧呼吸兩個(gè)階段的特點(diǎn)，并通過對(duì)比自主概括細(xì)胞呼吸的概念：細(xì)胞呼吸是指有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解過程，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放能量并生成 ATP 的過程。學(xué)生運(yùn)用本節(jié)所學(xué)知識(shí)“細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用”，討論細(xì)胞的呼吸原理在生產(chǎn)生活中還有哪些體現(xiàn)。

4 單元教學(xué)反思

單元教學(xué)強(qiáng)調(diào)整體性，以情境貫穿，以問題為導(dǎo)向。^［2］其中，概念的構(gòu)建是教學(xué)走向整體轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。教師基于重要概念創(chuàng)設(shè)單元整體情境，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)知規(guī)律，結(jié)合具體的場景設(shè)置并開展以學(xué)生為主體的子任務(wù)。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探究實(shí)踐、資料的歸納梳理和交流討論，在活動(dòng)中提煉次級(jí)概念，做好概念關(guān)系的整理，形成重要概念的關(guān)系框架，并運(yùn)用所學(xué)解釋并解決情境中的問題，即時(shí)體現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)。

情境來源于生產(chǎn)和生活，避免了課時(shí)情境與單元情境的弊端，實(shí)現(xiàn)單元情境脈絡(luò)與課時(shí)情境背景的統(tǒng)一，加強(qiáng)課時(shí)情境和內(nèi)容之間的聯(lián)系，有利于學(xué)生構(gòu)建整個(gè)單元的知識(shí)和概念體系，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。此外，問題從情境中來，知識(shí)解釋問題，體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)間的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生自覺認(rèn)同科技造福人類，運(yùn)用所知所會(huì)改造世界的社會(huì)責(zé)任感，也能夠更好地促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，形成理性思考、嚴(yán)謹(jǐn)分析的科學(xué)思維和習(xí)慣，從而發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，體現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科獨(dú)特的育人價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］ 錢仁凱，程國勝.境脈引領(lǐng)下的“免疫調(diào)節(jié)”單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)生物學(xué)，2022， 38（6）：4．

［2］ 吳開其，魏詩琴，崔鴻. 以“概念—情境—問題”為中心的單元整體教學(xué)［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2023（4）：26-29.