創設問題情境引領合作探究

高中生物新課標提出，在教學中要“逐步培養學生搜集和處理科學信息的能力，獲取新知識的能力、批判性思維的能力、分析和解決問題的能力，以及交流與合作的能力”，也就是說，教師要將“教學生學會‘做科學比‘記科學更重要”這一理念貫徹到教學中。“小組合作學習”和“探究性學習”是實現“做科學”的有效辦法。本文以人教版必修一第五章第3節《ATP的主要來源——細胞呼吸》第一課時“有氧呼吸”為例，介紹如何開發以教師為主導、學生為主體的合作與探究的高中生物課堂。

一、深入解析教材，形成新課改背景下的教學設計思路

生命活動必需依賴細胞呼吸提供能量，細胞呼吸是生物每時每刻都在進行的生命活動。《ATP的主要來源——細胞呼吸》這一節內容與前面所學的線粒體的結構和功能、主動運輸、ATP、光合作用、植物對礦質離子的吸收以及必修三中的人體血糖調節、神經調節等內容有著密切的聯系；同時，細胞呼吸的相關內容也為學生今后學習其他生命活動及規律、分析綜合性問題奠定基礎，因此它是本章的重點。

《ATP的主要來源——細胞呼吸》共分為2個理論課時和1個實驗課時，其中第一課時“有氧呼吸”的教學重點是讓學生理解有氧呼吸的三大生化反應階段和原理。教材對三個階段進行了什么反應做了說明，但沒有提供相應的實驗，也沒有聯系學生已經掌握的相關知識，如對第三階段反應的表述是：“前兩個階段產生的[H]，經過一系列的化學反應，與氧結合形成水，同時釋放出大量的能量。這一階段需要氧的參與，是在線粒體內膜上進行的。”若教師僅以講授的方式直接給出“三大階段產生了什么、是在哪里進行的”這樣的結論，讓學生被動接受知識的話，由于沒有科學研究過程做背景，學生會產生許多新的疑問：為什么氫與氧要在內膜上反應生成水？內膜提供了什么樣的結構來完成這一功能？

為避免這樣的課堂狀態，達成新課標下教學模式與學習方式的變革，筆者在教學設計上作了如下調整：

1.概念教學方面，對“呼吸”“呼吸作用”“細胞呼吸”三個概念進行對比和剖析，讓學生理解細胞為呼吸作用提供場所和條件，并保障多步、有序、溫和的放能過程，使細胞能夠獲得相對穩定的能量“通貨”ATP。

2.以研究資料來激發學生主動求知的興趣，讓學生通過小組合作，分析和推斷出有氧呼吸在細胞的相應部位分步進行的結論。

3.整合化學的氧化還原知識、物理學的能量轉化知識和水力發電原理。

4.引入大學階段線粒體的電子傳遞鏈和ATP合成酶的內容，雖提升了知識的難度，但通過聯系前面已學過的生物膜系統、物質跨膜運輸的方式、酶等知識，合理地搭建知識體系，化難為易，讓學生清晰、透徹地掌握細胞的能量代謝機理，使學生通過積極的思考來建構新知，形成知識網絡。

二、精選教學資料，激發學生自主探究的興趣

科學探究始于問題。在課堂上教師要努力創設問題情境，引導學生由認知世界、提出問題、檢驗接受或拋棄假設而得出結論，由此又引出新的問題，循序漸近、步步深入地生成概念、建構知識。在備課的過程中，為了引導學生主動參與課堂上的探究過程，教師要根據教材內容向學生展示問題，并給學生提供適合探究性學習的資料。這就要求教師根據教學所需，對搜集到的相關科研資料進行仔細加工，讓學生理解資料中涉及的研究方法、原理和操作環節。

在備課時，筆者找到了如下有關細胞呼吸的實驗資料：

在一定條件下，采用差速離心法可以將細胞勻漿中的各種細胞成分分離出來，并且能保持細胞器的結構和酶的活性。

在適宜的條件下，把萌發3—4天的黃瓜子葉置于研缽中研磨，將研磨后的細胞勻漿差速離心后得到各種成分。現把細胞勻漿及分離得到的各種成分注入以下試管中，并使各試管懸液體積相等，各試管之間同一種成分的濃度相同，然后在一定條件下分別進行實驗，研究細胞呼吸的過程是怎樣發生的。

實驗：分別向6支試管中通入等量的氧氣和用3H（氚）標記的等量的葡萄糖，一段時間后，檢測各試管內變化情況。（見表1）

為了突出本節課的教學重點，筆者在印發給學生的課前閱讀資料中舍去了5號及6號兩組實驗，實驗僅圍繞有氧呼吸展開，重點分析細胞質基質與線粒體在呼吸中的作用，將問題聚焦到研討“線粒體與有氧呼吸的關系”，避免因為討論“葉綠體、核糖體與呼吸作用不直接相關”而使課堂教學內容過于分散。

為了讓學生對課前閱讀資料中的差速離心法有切身的體會，筆者選取了差速離心法運用的相關視頻，通過恰當剪裁并改變播放速度，突出了該技術原理的呈現。為了讓學生更好地理解視頻中的內容，筆者在印發的資料中還提供了多媒體動畫中的線粒體亞顯微結構圖。

三、整合知識，以跨學科思維引導探究

（一）構建概念教學和探究的問題鏈

學生在初中階段已學習過細胞呼吸的簡單知識，對個體水平的“呼吸”概念有一定的了解，如人的氣體交換和種子在萌發時會通過呼吸產熱。怎樣使學生由已經習得的“呼吸”（氣體交換和產熱）建構“細胞呼吸”（有機物在細胞中多步、有序、溫和分解和放能）的新知？這就需要教師搭建合理的臺階，通過一系列層層遞進的問題鏈（見表2），引發學生思考，通過“師生雙主體”的合作探究，構建新知。

（二）注重學科內和跨學科知識整合

1.學科內知識整合。筆者在教學中合理聯系前面所學的主干知識，適當拓展線粒體內膜結構的知識，如細胞的生物膜系統使細胞中的反應局限化、膜上的酶及蛋白質有序排列使反應有序進行、物質跨膜運輸方式等，加深學生對細胞呼吸過程的理解。

2.跨學科知識整合。為解決有氧呼吸中的能量轉化問題，訓練學生的思維能力，筆者引導學生以整合的觀點理解“能量代謝”的機制問題。

（1）聯系化學知識。通過對比葡萄糖在體外與體內（細胞內）氧化分解放能總量相同但能的形式有區別（見表3），引發學生探究有氧呼吸發生過程的好奇心。endprint

表3 葡萄糖在體外燃燒與體內分解對比

（2）聯系物理學知識。將線粒體中有氧呼吸的第三階段能量轉化與物理學中的水力發電工作原理進行對比，使學生觸類旁通，讓其思維能夠在不同的學科間遷移運用。線粒體的內膜如同攔河壩，當膜間腔中的高濃度的氫質子順著濃度梯度通過ATP合成酶時，氫質子的勢能推動ATP合成酶運轉，將能量轉化成ATP中的化學能，這就如同高處的水流推動了水輪發電機產生了電能（見表4）。

（三）引發認知沖突和解決生成性問題

1.引發認知沖突。認知沖突是指在認知過程中出現的“困難”“障礙”和“不協調”因素，它是學生學習新知和試圖解決問題的動機和誘因。在教學過程中設置認知沖突，能調節課堂節奏，活躍課堂氣氛，引起學生的注意和思考。

在教學“有氧呼吸的第二階段中有水的參與”這一問題時，筆者采取了創設認知沖突的方法。通過板書，師生共同完成反應過程的條件、場所、產物的概念關系圖，并用下面的案例引導學生思考、探究：1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸，在線粒體內部進行丙酮酸脫氫時產生了6分子二氧化碳。通過前面的學習我們知道，1分子葡萄糖中只有6個氧原子，而產生的6分子二氧化碳中卻有12個氧原子，氧原子的數量增加了！此時，如果有學生率先注意到這一點，便會自發提出這個問題——“單靠葡萄糖提供的氧并不足以生成二氧化碳”。如果沒有學生提出這個問題，教師可將此問題直接拋給學生。然后給學生足夠的時間思考，不要急于給出答案。學生會很自然地想到有氧氣參與，這時教師再予以否定并強調氧氣只在第三階段中參與，然后才提出第二階段中有水參與，是水中的氧參與了二氧化碳的合成。認知沖突可強化學生的互動探究，利于學生對各階段的反應物和生成物有更深入的理解。

2.解決生成性問題。教師在課堂上不僅要通過預設的問題來引導學生參與討論、積極互動，而且要善于引導學生解決生成性問題。在這節課上，某學生不僅將水力發電原理與有氧呼吸進行類比，還聯想到了光合作用中的能量轉化問題。對待這樣思維活躍的學生，教師的執教策略如下：一是表揚，引起其他學生的關注，二是把問題的方向引回本課的教學主題，通過反問、追問來引發全體學生的關注和深入思考，使學生真正做到將知識融會貫通。

本課教學在設計上緊緊圍繞課標中“面向全體學生、倡導探究學習”的理念，在教學中采取了小組合作學習的方式。為適應本節課的探究需要，筆者在教學中遵循“組內異質，組間同質”的原則，事先按照學生思維活躍的程度、表達能力的強弱等特點進行了互補式分組，并對教室的整體布局進行了調整（見圖1），建立了小組內成員交流、小組間交流、教師與全體學生交流、教師與個別學生交流的多元通路，讓學生在積極合作的氛圍中真正成為學習的主人。

教師的引領，為學生提供了生動的問題情境，不僅使教材內容的教學豐滿充實，而且引入大學階段的線粒體的電子傳遞鏈和ATP合成酶的內容，雖然提升了難度，但學生在合作學習的氛圍下“跳一跳，夠得到”，可以清晰、透徹地掌握細胞的能量代謝機理，也使課堂容量得到了適當的延伸和拓展。當然，在教學實施中也有遺憾之處，比如最后的與水力發電原理類比環節，由于時間有限，學生的討論并不充分，解決的辦法是下次課回顧：筆者在第二節課讓學生回顧反思，起到了同樣的效果。

教師正確地發揮引領作用可以讓學生在學習方式上實現轉變：“探究學習”不僅讓學生學會“看科學、聽科學、記科學”，還學會“做科學”；“合作學習”則實現了從“你不愿學習，我強迫你學習”到“你不愿學習，我吸引你學習”的轉變。

[作者簡介]張慧，中學高級教師，北京市西城區骨干教師、兼職教研員，人民教育出版社特聘新課程培訓專家。教學以“培養科學研究素養，傳遞健康生活理念”為宗旨，滲透“科學—技術—人文”思想，實踐探索項目式學習實驗班、研究性學習、自主研修課程、競賽課、校本課程等多元特色課程。多次赴內蒙古、新疆、山西、河北、廣西、云南等地參與新課程教師輔導工作；多次榮獲國家、北京市、北京西城區教育教學獎。

（責編 周翠如）endprint