通過概念教學促進科學思維的培養(yǎng)

朱斌良

科學思維是生物學科核心素養(yǎng)之一，在2017年版的《普通高中·生物學課程標準》學科核心素養(yǎng)水平劃分中的“科學思維”明確指出：“能夠以特定的生物學事實為基礎形成簡單的生物學概念，并用文字或圖示的方式正確表達，進而用其解釋相應的生命現(xiàn)象?！?/p>

課本第91頁以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的實驗，引出細胞的有氧呼吸與無氧呼吸兩種類型，而學生對“有氧呼吸”“ 無氧呼吸”“ 細胞呼吸”的概念理解比較抽象，而通過有氧呼吸與無氧呼吸的過程去理解概念，讓學生學會自我總結，進而對生物學事實進行歸納與概括，培養(yǎng)學生具備科學思維。

一、從不同角度理解“有氧呼吸”概念

1.通過物質(zhì)變化分析“有氧呼吸”概念

有氧呼吸總反應式：

有氧呼吸總程式中底物（反應物）包括C6H12O6（葡萄糖）、H2O、O2，從以上三種反應物分析，每種反應物再具體到每個反應階段去分析，分別是第一階段、第二階段、第三階段。

方程式的產(chǎn)物包括：CO2（第二階段），H2O（第三階段）。通過方程式中所包含的文字，讓學生學會歸納，并掌握有氧呼吸三個階段之間的聯(lián)系。

第一階段：C6H12O6? ? ? ? ? ? ? ?2C3H4O3（丙酮酸）+4[H]+少量能量

第二階段：2C3H4O3? ? ? ? ? ? ? ?+20[H]+6CO2少量能量

第三階段：24[H]+6O2? ? ? ? ? ? ? ?12H2O+大量能量

方程式的產(chǎn)物包括：CO2（第二階段），H2O（第三階段）。通過方程式中所包含的文字，讓學生學會歸納，并掌握有氧呼吸三個階段之間的聯(lián)系。

2.通過能量轉換分析“有氧呼吸”概念

有氧呼吸的三個階段都用能量轉化，而能量包括釋放的能量與生成大量ATP。而課本第94頁小楷字做出了回答：

在細胞內(nèi)，1 mol的葡萄糖徹底氧化分解以后，可使1161 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量則以熱能的形式散失掉了。請你計算一下，有氧呼吸的能量轉換效率大約是多少，這些能量大約能使多少個ADP轉化為ATP？

在細胞內(nèi)，l mol葡萄糖徹底氧化分解后，釋放出2870 kJ的能量，而1161 kJ左右的能量儲存在ATP中，轉化的效率為 。則以熱能形式釋放的能量為1–40.45%=59.55%。

而A—P～P～P中的1個（～）高能磷酸鍵中的能量多達30.54 kJ/mol，故有≈38mol ATP生成（大量能量）。依據(jù)ADP與ATP的轉化的方程式可知，因為1 mol物質(zhì)含有6.02×1023個分子，所以有38×6.02×1023≈2.3×1025個ADP轉化為ATP。

依據(jù)以上的分析，結合有氧呼吸的三個階段都需要酶的參與，學生就對課本第94頁“有氧呼吸”的概念就比較好理解了。

有氧呼吸是指細胞在氧的參與下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等有機物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，釋放能量，生成大量ATP的過程。

二、用歸納法學習“無氧呼吸”概念

核心素養(yǎng)科學思維“水平三”明確提出：能夠從不同的生命現(xiàn)象中，基于事實和證據(jù)，運用歸納的方法概括出生物學規(guī)律。課本第95頁要求學生“參照有氧呼吸的概念，用準確而簡練的語言概括無氧呼吸的定義”。而無氧呼吸的概念，關鍵在于突破關鍵詞“少量能量”與“不徹底的氧化分解”， 這需要通過無氧呼吸反應式中物質(zhì)變化去分析。

第一階段：C6H12O62C3H4O3（丙酮酸）+4[H]+少量能量

第二階段：2C3H4O3 +4[H]2C2H5OH（酒精）+2CO2

2C3H4O3 +4[H]? ? ? ? ? ? ? 2C3H6O3（乳酸）

無氧呼吸中“少量能量”包括熱能與少量的ATP，如何理解“少量能量”？

在課本第94頁左下角相關信息：“1 mol葡萄糖在分解成乳酸以后只釋放出196.65 kJ的能量，其中只有61.08 kJ的能量儲存在ATP中，近69%的能量都以熱能的形式散失了?！?/p>

同理可知，有=2 mol ATP（少量ATP），葡萄糖分子中的大部分能量則存留在酒精或乳酸中。因此理解無氧呼吸的“不徹底”氧化分解就容易了。

結合課本“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗的設計與分析，以及“有氧呼吸”的概念后，對“無氧呼吸”概念進行歸納與總結——

無氧呼吸：細胞在無氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機物不徹底氧化分解為二氧化碳與酒精或乳酸，同時釋放少量能量和生成少量ATP的過程。

三、用“共性”的思維理解“細胞呼吸”概念

有了“有氧呼吸”與“無氧呼吸”的概念理解后，學生自己去發(fā)現(xiàn)并總結“有氧呼吸”與“無氧呼吸”概念中所隱含共性的問題，就比較容易掌握“細胞呼吸”的概念。二者共性的問題有“細胞”“葡萄糖”（有氧呼吸與無氧呼吸最常利用的物質(zhì)是葡萄糖）;“氧化分解”“二氧化碳”“能量”“ATP”等。

因此，細胞呼吸的概念如下——

細胞呼吸：指有機物在細胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放出能量并生成ATP的過程。

本文是基金項目：廣東省教育科學規(guī)劃課題“提高高中生生物實驗技能策略研究”（ NO： 2017YQJK195）部分成果。