例談生物學(xué)重要概念教學(xué)中科學(xué)思維的運(yùn)用策略

李學(xué)斌

摘要：闡述了在“能量釋放與呼吸”教學(xué)中，靈活采用科學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用遞進(jìn)思維、歸納實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)、比較分析等策略，使學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，開(kāi)展科學(xué)思維，讓學(xué)生在思維碰撞中形成重要概念。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)教學(xué)重要概念科學(xué)思維策略

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

生物學(xué)重要概念處于學(xué)科中心位置，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)及相關(guān)科學(xué)具有重要的支撐作用。“能量的釋放與呼吸”是蘇科版《生物學(xué)》七年級(jí)上冊(cè)內(nèi)容，涉及“在生物體內(nèi)，細(xì)胞能通過(guò)分解糖類(lèi)等獲得能量，同時(shí)生成二氧化碳和水”和“呼吸系統(tǒng)包括呼吸道和肺，其功能是從大氣中攝取代謝所需要的氧氣，排出代謝所產(chǎn)生的二氧化碳”兩個(gè)重要概念。無(wú)論是從生物學(xué)知識(shí)體系角度，還是從學(xué)生學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)的角度看，這部分內(nèi)容都具有舉足輕重的地位。由于初一學(xué)生沒(méi)有理化基礎(chǔ)，又剛剛接觸生物學(xué)不久，理解呼吸作用、能量等抽象概念較為困難。

科學(xué)是系統(tǒng)的觀察、實(shí)驗(yàn)與嚴(yán)密的邏輯思維相結(jié)合的產(chǎn)物，可見(jiàn)，觀察、實(shí)驗(yàn)和邏輯思維是組成科學(xué)方法的重要內(nèi)容。教師要引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)、邏輯思維、模型建構(gòu)等科學(xué)方法，特別是運(yùn)用邏輯思維中的比較、分類(lèi)、歸納、演繹、分析、綜合等高級(jí)科學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維、理解生物學(xué)原理，建構(gòu)重要概念，收到事半功倍的效果。

1遞進(jìn)思維，引入概念

“能量的釋放與呼吸”屬于教材第三單元“生物從環(huán)境中獲取物質(zhì)和能量”中的內(nèi)容。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“綠色植物是有機(jī)物的生產(chǎn)者”“人體的物質(zhì)和能量來(lái)源于食物”“生物之間的食物關(guān)系”等內(nèi)容，對(duì)抽象的生物能量概念有了初步的印象。因此，教師提出問(wèn)題，引入學(xué)習(xí)：能量對(duì)于生物有什么作用？生物體能利用的能量貯藏在哪里？由前面的光合作用及人體消化吸收知識(shí)，學(xué)生不難理解能量是生物進(jìn)行生命活動(dòng)的動(dòng)力，能夠回憶出生物體生命活動(dòng)所利用的能量貯藏在淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物中。教師追問(wèn)：那么，人在什么狀態(tài)下需要能量？能量釋放與什么活動(dòng)有關(guān)？有機(jī)物中的能量是如何釋放的呢？

在初一學(xué)生“生命活動(dòng)需要能量、劇烈運(yùn)動(dòng)需要更多的能量”等前概念基礎(chǔ)上，教師組織學(xué)生測(cè)量平靜狀態(tài)和迅速起蹲1min活動(dòng)后的呼吸頻率，體驗(yàn)?zāi)芰酷尫排c呼吸的關(guān)系。學(xué)生分析統(tǒng)計(jì)的呼吸頻率數(shù)據(jù)，得出“劇烈運(yùn)動(dòng)比平靜狀態(tài)呼吸頻率更快”的結(jié)論，進(jìn)而可以推論：能量消耗越多，呼吸頻率越快。

教師引導(dǎo)學(xué)生：為什么劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸會(huì)加快？呼吸為人體提供了什么？學(xué)生聯(lián)系生活常識(shí)，知道呼吸是指人或動(dòng)物吸入氧氣，呼出二氧化碳的過(guò)程。教師追問(wèn)：吸入氧氣和呼出的二氧化碳與能量的釋放有什么關(guān)系？植物會(huì)呼吸嗎？植物呼吸時(shí)，吸入了什么？排出了什么？教師利用層層遞進(jìn)的問(wèn)題串，啟迪學(xué)生深度思維，牽著學(xué)生的思緒，慢慢揭開(kāi)呼吸作用神秘的面紗。

2探究歸納，揭示概念

2.1人體呼吸氣體成分鑒定

人體呼吸時(shí)，吸入氧氣、呼出二氧化碳，雖然是耳熟能詳?shù)某ＷR(shí)，但教師還是應(yīng)該讓學(xué)生依據(jù)氧氣可以助燃、二氧化碳可以使澄清的石灰水變渾濁等現(xiàn)象加以驗(yàn)證。如圖1所示，用口在玻璃管處緩慢地吸氣與呼氣。吸氣時(shí)關(guān)閉B閥，呼氣時(shí)關(guān)閉A閥。學(xué)生數(shù)次呼吸后，觀察兩只錐形瓶石灰水的變化，從而明確呼吸作用能產(chǎn)生二氧化碳。

教師取兩只大小一樣的廣口瓶，向其中一個(gè)廣口瓶中連續(xù)吹氣數(shù)次，用瓶塞塞住，將裝有點(diǎn)燃蠟燭頭的燃燒匙分別伸入兩只廣口瓶中，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃的蠟燭頭在未做處理的廣口瓶中正常燃燒，而在連續(xù)吹氣的廣口瓶中馬上熄滅。學(xué)生得出結(jié)論：人體吸入空氣中氧氣較多，而呼出氣體中氧氣較少。

綜合兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生歸納得出結(jié)論：人體呼吸時(shí)，吸入氣體中含較多氧氣，呼出氣體中含較多二氧化碳。

2.2植物呼吸氣體探究

教師聯(lián)系種子堆在一起會(huì)發(fā)熱的現(xiàn)象，說(shuō)明生物在呼吸同時(shí)可能伴有能量的變化，并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究。教材中使用的實(shí)驗(yàn)材料是菠菜葉，容易給學(xué)生造成錯(cuò)覺(jué)：只有植物的葉能進(jìn)行呼吸作用。

筆者在教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)探究實(shí)驗(yàn)做了系列改進(jìn)：①采集生活中常見(jiàn)的植物根、莖、葉、花、果實(shí)、種子等器官實(shí)驗(yàn)材料供學(xué)生選用;②組裝一套實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行3個(gè)探究實(shí)驗(yàn)（探究植物呼吸時(shí)吸入氣體、探究植物呼吸時(shí)排出氣體、探究植物呼吸時(shí)能量釋放情況）。各學(xué)生小組自主選擇教師提供的實(shí)驗(yàn)材料，每組選擇一種，分成等量的兩份。一份放在空礦泉水瓶（350mL）中作為實(shí)驗(yàn)組，掛上標(biāo)簽“A”;一份用開(kāi)水處理并冷卻后，放在另一同樣的空礦泉水瓶中作為對(duì)照組，掛上標(biāo)簽“B”。每只礦泉水瓶外裹上一層保溫棉（隔熱），用透明膠帶固定，在兩只礦泉水瓶的瓶蓋上鉆大小兩個(gè)孔，大孔安上溫度計(jì)（溫度計(jì)插入瓶?jī)?nèi)植物器官中間），小孔供注射器針頭插入使用，兩孔均用凡士林涂嚴(yán)（不漏氣）。實(shí)驗(yàn)小組讀取、記錄初始溫度，并將實(shí)驗(yàn)裝置放在黑暗處一晝夜。

教師組織學(xué)生討論：為什么要用開(kāi)水處理實(shí)驗(yàn)材料？每組探究實(shí)驗(yàn)的變量是什么？為什么要裹上保溫棉？為什么實(shí)驗(yàn)裝置要放在暗處？

探究時(shí)，各小組取回本組實(shí)驗(yàn)裝置，首先讀取并記錄兩支試管溫度計(jì)數(shù)據(jù)。然后，用醫(yī)用注射器分別抽取兩只礦泉水瓶中的氣體（抽取后密封小孔），分別注入兩支小試管的澄清石灰水中，觀察現(xiàn)象。接著，打開(kāi)瓶蓋，將點(diǎn)著的衛(wèi)生香分別伸入兩只礦泉水瓶中，觀察現(xiàn)象。

2.3解讀數(shù)據(jù)現(xiàn)象，嘗試歸納概念

各組組長(zhǎng)交流匯報(bào)完實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)后，教師引領(lǐng)學(xué)生分析現(xiàn)象、解讀數(shù)據(jù)，嘗試歸納概念。教師提出問(wèn)題：A瓶中二氧化碳是怎么來(lái)的？氧氣又去了哪里呢？學(xué)生討論分析后，得出：新鮮的植物器官消耗了氧氣、產(chǎn)生了二氧化碳;死亡的植物器官?zèng)]有消耗氧氣也沒(méi)有產(chǎn)生二氧化碳。也就是說(shuō)，活的植物器官發(fā)生了呼吸，死的植物器官?zèng)]有呼吸。

各組實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的溫度數(shù)據(jù)中，A瓶都有不同程度的升高，而B(niǎo)瓶都沒(méi)有變化，說(shuō)明新鮮的植物器官在呼吸時(shí)都釋放了熱量。各組盡管選用實(shí)驗(yàn)材料不同，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都一樣，說(shuō)明植物體根、莖、葉、花、果實(shí)、種子等任何生活部位，呼吸時(shí)都需要消耗氧氣，都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，同時(shí)都會(huì)釋放能量。

至此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生嘗試歸納呼吸作用的概念，并用概念圖表示。

3模型建構(gòu)，理解概念

模型是人們按照特定的科學(xué)研究目的，在某種假設(shè)條件下，再現(xiàn)原型客體本質(zhì)特征的物質(zhì)形式或思維形式的類(lèi)似物。對(duì)于難以理解的生物學(xué)原理、知識(shí)采用模型建構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比，形成科學(xué)概念。人體呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過(guò)程繁雜、原理難懂，如果教師平鋪直敘、照本宣科，學(xué)生往往學(xué)得云里霧里。筆者在教學(xué)中借助物理模型、概念模型等，幫助學(xué)生搭建支架，理解概念。

3.1呼吸與呼吸作用概念模型

呼吸與呼吸作用是教學(xué)中學(xué)生最易混淆的一組概念。教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)人體呼吸過(guò)程模型（圖2），呼吸與呼吸作用概念的區(qū)別與聯(lián)系就一目了然了。

由呼吸過(guò)程模式圖可以看出，人體呼吸，即人體細(xì)胞從外界獲得氧氣，將細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳排出體外的過(guò)程，要經(jīng)過(guò)四個(gè)階段：肺泡與外界氣體交換、肺泡內(nèi)氣體交換、氣體在血液中運(yùn)輸、組織內(nèi)氣體交換。呼吸作用發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)，即氧氣進(jìn)入細(xì)胞后，分解有機(jī)物產(chǎn)生二氧化碳和水，同時(shí)釋放能量供生命活動(dòng)需要。

3.2呼吸運(yùn)動(dòng)物理模型

呼吸運(yùn)動(dòng)是指由脊柱、肋骨、胸骨組成的胸廓有節(jié)律地?cái)U(kuò)大、縮小。胸廓肋骨間由肋間肌，底部有膈肌，構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)，包在肺的外面。教材這樣描述呼吸過(guò)程：吸氣時(shí)，肋間外肌收縮，肋骨上升，膈肌收縮，隔頂部下降，胸廓容積增大，肺也隨著擴(kuò)張，外界空氣進(jìn)入肺;呼氣時(shí)膈肌舒張，隔頂部上升，肋間外肌舒張，肋骨下降，胸廓容積縮小，肺隨著回縮，肺內(nèi)氣體排出體外。

胸廓如何擴(kuò)大、縮小呢？初一學(xué)生沒(méi)有相應(yīng)物理知識(shí)及立體幾何基礎(chǔ)，對(duì)這一部分知識(shí)，教師道不明，學(xué)生也理不清。如果實(shí)施活動(dòng)體驗(yàn)和模型教學(xué)，學(xué)生理解起來(lái)就容易多了。體驗(yàn)呼吸過(guò)程活動(dòng)如下：學(xué)生一手輕輕放在胸部下側(cè)，另一只手放在鼻腔前，緩慢吸氣和呼氣。吸氣時(shí)，胸廓擴(kuò)大，呼氣時(shí)，胸廓縮小。教師利用自制的教具（圖3和圖4）模擬胸廓模型來(lái)演示肋骨運(yùn)動(dòng)和膈肌運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)概念模型、物理模型，學(xué)生清楚理解呼吸與呼吸作用的區(qū)別與聯(lián)系，明確呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)肺內(nèi)氣體與外界氣體進(jìn)行交換的過(guò)程。

4比較分析，內(nèi)化概念

比較是人們根據(jù)一定的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐目的，把一事物與其他事物的屬性和特征加以比較，以確定事物之間的共同點(diǎn)和差異點(diǎn)的思維方法。一般來(lái)說(shuō)，在相異的對(duì)象間探求相同點(diǎn)，在相同的對(duì)象間探求相異點(diǎn)，能夠更好地認(rèn)識(shí)和把握事物，同時(shí)更好地訓(xùn)練學(xué)生的求同、求異思維。

“能量的釋放與呼吸”一章內(nèi)容，出現(xiàn)了許多相似易混概念，教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相應(yīng)的概念進(jìn)行比較辨析，有助于學(xué)生糾正錯(cuò)誤的前概念，厘清概念的內(nèi)涵、外延，準(zhǔn)確理解、消化吸收重要概念。

4.1糾正概念

通過(guò)課前調(diào)查得知，學(xué)生認(rèn)為人體呼吸時(shí)呼出氣體不含氧氣，全為二氧化碳?xì)怏w。因此，在學(xué)生驗(yàn)證人體呼吸氣體成分實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師應(yīng)及時(shí)出示人體吸入氣體與呼出氣體成分含量表（表1），啟發(fā)學(xué)生比較分析，從而促進(jìn)學(xué)生真正理解氣體的擴(kuò)散作用：肺泡內(nèi)氣體與肺泡壁外毛細(xì)血管血液中氣體交換時(shí)，肺泡內(nèi)氧氣并沒(méi)有全部進(jìn)入血液，血液中二氧化碳也沒(méi)有全部從血液進(jìn)入肺泡內(nèi)。

另外，學(xué)習(xí)前，學(xué)生原來(lái)以為呼吸是陸生動(dòng)物和人從空氣中獲取氧氣、排出二氧化碳的過(guò)程。通過(guò)比較分析，學(xué)生知道植物也要呼吸，也能從空氣中獲取氧氣、排出二氧化碳;水生動(dòng)物也要呼吸，也能從水中獲取氧氣、排出二氧化碳。

4.2明晰過(guò)程

教學(xué)中，借助于模型、模式圖、概念圖，通過(guò)比較分析呼吸、呼吸運(yùn)動(dòng)、呼吸作用等概念，學(xué)生理解了呼吸是生物體細(xì)胞與外界交換氣體的過(guò)程，呼吸作用和呼吸運(yùn)動(dòng)的關(guān)系與區(qū)別。人體肺部與外界氣體交換過(guò)程是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，教師在借助圖3、圖4所示，模型模擬教學(xué)的同時(shí)，出示人體平靜狀態(tài)下呼吸過(guò)程表（表2），引領(lǐng)學(xué)生邊觀察操作模型，邊填寫(xiě)表格，逐次講解、層層深入，突破難點(diǎn)。

4.3厘清內(nèi)涵

教師提醒：在探究植物各器官呼吸作用時(shí)，各組裝置都要置于黑暗環(huán)境中，是為了避免植物光合作用產(chǎn)生氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。至此，可以組織學(xué)生討論植物六大器官，哪些器官在光下會(huì)發(fā)生光合作用產(chǎn)生干擾？然后，引導(dǎo)學(xué)生列表比較呼吸作用與光合作用（表3）。通過(guò)比較，進(jìn)一步厘清光合作用、呼吸作用概念內(nèi)涵，進(jìn)一步明了光合作用、呼吸作用原理在糧食蔬菜生產(chǎn)、貯存中的靈活運(yùn)用。

總之，在生物學(xué)教學(xué)中，教師要因時(shí)、因地制宜，巧用科學(xué)方法，開(kāi)動(dòng)思維機(jī)器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、模型建構(gòu)、比較分析，讓學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，在思維碰撞中，理解、內(nèi)化生物學(xué)重要概念。