“有氧呼吸過程”探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

尹利軍 張 瑜 翁 妍

(河北省遷安市第一中學(xué)西校區(qū) 遷安 064404)

1 教材分析與設(shè)計(jì)理念

有氧呼吸過程是人教版高中生物學(xué)教材必修1第5章第3節(jié)“ATP的主要來源——細(xì)胞呼吸”第2課時(shí)的核心內(nèi)容，主要包括線粒體結(jié)構(gòu)與功能、有氧呼吸反應(yīng)過程、場所和有氧呼吸概念等內(nèi)容。通過創(chuàng)設(shè)探究性學(xué)習(xí)情境，結(jié)合學(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析，演繹—推理有氧呼吸過程及場所，并通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明自己的推理，最終得出科學(xué)結(jié)論。教學(xué)過程中通過提供有氧呼吸過程科學(xué)素材，引導(dǎo)學(xué)生分析、解讀，完善有氧呼吸三個(gè)階段的過程和發(fā)生場所，最終概括出有氧呼吸概念，促進(jìn)學(xué)生對(duì)有氧呼吸本質(zhì)的理解。本教學(xué)設(shè)計(jì)改傳統(tǒng)的傳授式教學(xué)為設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)，讓學(xué)生通過探究問題獲取知識(shí)，使課堂教學(xué)由知識(shí)本位向素養(yǎng)本位轉(zhuǎn)變，落實(shí)發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過對(duì)情境實(shí)驗(yàn)分析，能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究有氧呼吸發(fā)生的過程及場所，并進(jìn)行結(jié)果預(yù)測，推斷有氧呼吸發(fā)生的具體過程和場所，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

(2) 通過科學(xué)資料閱讀與分析，能運(yùn)用比較與歸納、演繹與推理、總結(jié)與概括及批判性思維等科學(xué)思維方法，理解有氧呼吸與線粒體關(guān)系，歸納概括有氧呼吸的概念，關(guān)注生物科技發(fā)展，增強(qiáng)科學(xué)研究意識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)熱情。

(3) 通過小組合作、探究學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的合作學(xué)習(xí)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入，激發(fā)探究熱情 以“葡萄糖是細(xì)胞的生命燃料，它是否真的含有能量呢？它又是通過怎樣的過程為細(xì)胞生命活動(dòng)提供能量的？”問題導(dǎo)入，向?qū)W生演示葡萄糖燃燒實(shí)驗(yàn)(裝置如圖1所示)，通入空氣、點(diǎn)燃酒精燈一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)葡萄糖逐漸融化并快速燃燒起來，干燥管中無水硫酸銅變成藍(lán)色，澄清石灰水變渾濁。教師提出思考問題： ①根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嘗試寫出葡萄糖有氧分解的反應(yīng)式；②葡萄糖是細(xì)胞呼吸消耗的主要底物，在細(xì)胞內(nèi)葡萄糖有氧分解能與體外燃燒一樣嗎？細(xì)胞中葡萄糖氧化分解的場所是哪里？帶著這些問題，讓我們走進(jìn)有氧呼吸過程的學(xué)習(xí)。

圖1 葡萄糖燃燒實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)意圖： 利用葡萄糖燃燒演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀感受到葡萄糖等有機(jī)物氧化分解過程，分析葡萄糖體外放能過程、條件、產(chǎn)物種類及特點(diǎn)[1]，化抽象知識(shí)為直觀知識(shí)，既符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，又能激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的興趣。

3.2 啟迪思維，探究有氧呼吸場所 以教材課后練習(xí)2為素材，編制習(xí)題繼續(xù)探究有氧呼吸場所和過程。利用多媒體展示資料： 將酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行離心處理，把沉淀的酵母菌破碎后，再次離心處理分為只含酵母菌細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的上清液和只含有酵母菌細(xì)胞器的沉淀物兩部分，與未離心處理過的酵母菌培養(yǎng)液分別放入甲、乙、丙3支試管中，三支試管的其他條件及結(jié)果如表1所示(注： 丙酮酸是一種含3個(gè)碳原子的有機(jī)物，分子式為C3H4O3)。

表1 有氧呼吸場所探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能得出的推論有：。

學(xué)生先獨(dú)立思考，然后在學(xué)習(xí)小組內(nèi)交流結(jié)論，最后經(jīng)過不同小組代表展示結(jié)果并互評(píng)，最終師生共同分析得出：“丙酮酸是葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)有氧分解的某種過程(中間)產(chǎn)物，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和某種細(xì)胞器是進(jìn)行有氧呼吸的先后場所”的推論。教師因勢利導(dǎo)，讓學(xué)生根據(jù)化學(xué)元素平衡原理，嘗試寫出甲試管中可能的反應(yīng)式： ①(C6H12O6→2C3H4O3+4[H]+能量)，并根據(jù)表1提示問題： 中間產(chǎn)物丙酮酸轉(zhuǎn)化為CO2和H2O發(fā)生在哪種細(xì)胞器？引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究有氧呼吸場所。

表2 學(xué)生設(shè)計(jì)思路

經(jīng)過大約5分鐘的設(shè)計(jì)與交流，總結(jié)學(xué)生設(shè)計(jì)的思路如表2所示，以及依據(jù)細(xì)胞器功能獲得的預(yù)測結(jié)果，即“在有氧條件下,丙酮酸在線粒體中進(jìn)一步反應(yīng)生成CO2和H2O”的推論；同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生完成該過程的反應(yīng)方程式②(C3H4O3+O2→CO2+H2O+能量)。

以上推論是否正確呢？教師讓學(xué)生帶著疑問分析科學(xué)家對(duì)有氧呼吸過程研究的科學(xué)資料(多媒體展示資料1和資料2)。

【資料1】1900年，美國科學(xué)家米凱利斯(L. Michaelis)用健那綠染料對(duì)活體肝細(xì)胞進(jìn)行染色發(fā)現(xiàn)，有氧氣時(shí)，健那綠可將線粒體染成藍(lán)綠色，而氧氣耗盡后，線粒體的顏色逐漸消失。此染料的染色原理是利用線粒體中的氧化還原反應(yīng)，說明線粒體具有氧化還原反應(yīng)的功能[2]。1912年—1913年間，科學(xué)家瓦勃(O. Warbyurg)從豚鼠肝細(xì)胞均漿中粗提取了線粒體，發(fā)現(xiàn)它能消耗氧氣。

【資料2】1936年前后，英籍猶太生物學(xué)家漢斯·克雷布斯(Hans Adolf Krebs)利用鴿子的飛行肌(胸大肌： 呼吸速率異常高)為實(shí)驗(yàn)材料，通過實(shí)驗(yàn)證明在多種酶的催化下，丙酮酸在線粒體被激活、氧化成二氧化碳和水。

學(xué)生通過分析科學(xué)資料，歸納出葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)有氧分解產(chǎn)生CO2和H2O并釋放能量的過程分別發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體，其中氧氣是在線粒體中起作用的。此時(shí)，教師對(duì)學(xué)生的探究結(jié)果予以肯定并提出表揚(yáng)和鼓勵(lì)。

設(shè)計(jì)意圖： 利用所給情境素材，學(xué)生分析得出有氧呼吸場所順序，并根據(jù)素材提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究有氧呼吸進(jìn)一步發(fā)生場所，這種設(shè)計(jì)既提升了學(xué)生課堂實(shí)踐學(xué)習(xí)的參與度，落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)下的教學(xué)目標(biāo)，又培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理能力，提升探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)家研究資料，肯定學(xué)生探究的推論，能進(jìn)一步提升學(xué)生探究興趣。

事實(shí)到底是怎樣的呢？學(xué)生此時(shí)陷入知識(shí)瓶頸，教師及時(shí)利用多媒體展示科學(xué)資料3和資料4，讓學(xué)生分析、歸納。

【資料3】克雷布斯利用鴿子飛行肌研究物質(zhì)代謝，并整理前人關(guān)于物質(zhì)代謝研究的零散數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)物在體內(nèi)是按特定的物質(zhì)順序發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的，丙酮酸在相關(guān)脫羧酶作用下脫[H]，該過程沒有O2參與[3]。

【資料4】肯尼迪(E. Kenedy)和勒寧杰(A. Lehninger)證明線粒體是有氧呼吸的主要場所，利維(M. Levy)和施利曼(C. Schnaitma)等利用低速離心等方法分離出線粒體的外膜和內(nèi)膜，科學(xué)家們?cè)诰€粒體基質(zhì)發(fā)現(xiàn)有脫羧酶的存在，而在線粒體內(nèi)膜上有氧化酶的存在，脫氫與氧化之間通過電子傳遞鏈進(jìn)行連接，并且脫氫的過程需要H2O的參與[4]。

設(shè)計(jì)意圖： 由于高中生物學(xué)知識(shí)所限，學(xué)生不能從掌握的資料中得到線粒體中進(jìn)行的有氧呼吸過程，教師提供素材，讓學(xué)生在理解丙酮酸在線粒體中分解的基礎(chǔ)上，通過對(duì)科學(xué)資料分析，歸納得出線粒體中不同部位具有不同的酶，催化丙酮酸逐步分解的結(jié)論，建構(gòu)生命觀念中的結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)觀，實(shí)現(xiàn)了由知識(shí)本位學(xué)習(xí)到素養(yǎng)本位培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。

3.4 歸納、總結(jié)有氧呼吸總反應(yīng)式和有氧呼吸概念 教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)以上探究結(jié)論，總結(jié)有氧呼吸過程的三個(gè)階段的反應(yīng)式，對(duì)反應(yīng)物、生成物和發(fā)生場所及條件進(jìn)行歸納，得到①、③、④三個(gè)階段的反應(yīng)式：

在此學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，教師要求學(xué)生嘗試將三個(gè)式子進(jìn)行合并，匯總出一個(gè)有氧呼吸總反應(yīng)式。學(xué)生在教師的提示下(反應(yīng)前、后的水是否需要消掉)，總結(jié)完成有氧呼吸總反應(yīng)式(略)。接著教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這些反應(yīng)式歸納出有氧呼吸的概念。然后，教師讓學(xué)生閱讀教材93～94頁內(nèi)容，對(duì)有氧呼吸三個(gè)階段中能量釋放的情況進(jìn)行了解，形成有氧呼吸的完整知識(shí)，并理解有氧呼吸過程中第三階段產(chǎn)生能量最多，1 mol葡萄糖徹底氧化分解釋放的能量少部分(1161 kJ，約占40%)以活躍化學(xué)能形式存儲(chǔ)在ATP中，供細(xì)胞生命活動(dòng)直接利用，大部分能量(約占60%)以熱量形式散失或它用等知識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖： 概念是在頭腦里所形成的反映對(duì)象的本質(zhì)屬性的思維形式，把所感知事物的共同本質(zhì)特點(diǎn)抽象出來，加以概括，就成為概念。教學(xué)過程中，教師不是把教材中的有氧呼吸概念直接傳授給學(xué)生，而是通過搜集真實(shí)情境的科研素材，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)具有感性認(rèn)知后，進(jìn)行總結(jié)、概括出來，在總結(jié)、概括中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，落實(shí)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和發(fā)展。

4 教學(xué)反思

以探究學(xué)習(xí)為特點(diǎn)的教學(xué)不僅會(huì)直接影響核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的落實(shí)，也會(huì)間接影響生命觀念和社會(huì)責(zé)任兩個(gè)核心素養(yǎng)的達(dá)成。本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引領(lǐng)，讓學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)逐步探究有氧呼吸場所和過程，既對(duì)學(xué)生動(dòng)手參與活動(dòng)能力進(jìn)行了強(qiáng)化，又讓學(xué)生積極地動(dòng)腦思考，體驗(yàn)到科學(xué)探究學(xué)習(xí)的過程和樂趣。通過運(yùn)用分析、歸納、演繹—推理等科學(xué)思維方式對(duì)搜集的科學(xué)素材進(jìn)行解讀，總結(jié)出有氧呼吸的三個(gè)階段反應(yīng)過程及涉及場所，歸納出有氧呼吸這一重要概念，有助于發(fā)展學(xué)生的生命觀念。通過分組探究，師生互動(dòng)質(zhì)疑、生生互助互學(xué)行為，改變傳統(tǒng)的學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)過程為學(xué)生主動(dòng)探究獲取知識(shí)過程，在有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，發(fā)展了學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升課堂教學(xué)效率。