基于學習進階的高中生物重要概念的建構

朱素娟

摘 要：本文從學習進階出發，通過創設真情境對重要概念中蘊含的核心素養要素進行分析，通過多種教學手段引導學生深入思考，從細胞結構與功能的統一、細胞生命活動中物質與能量的統一、生物不斷進化發展等生命觀念分析解釋生產生活問題，逐步形成核心概念，進而使生物學核心素養的達成落到實處。

關鍵詞：核心素養;學習進階;重要概念

學習進階是學生學習和探究某一主題時所遵循的學習路徑，是圍繞核心概念展開一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列逐級深化的思維方式的描述[1]。普通高中《生物學課程標準（2017年版）》中明確提出高中生物學習應重視培養學科核心素養，強調教學聚焦核心概念，關注學生的學習進階，這為高中生物重要概念的理解和建構提供了良好的契機和啟示[2]。依據課標要求，課前問卷調查，繪制學生學習“細胞呼吸是ATP的主要來源”這一主題時的概念進階圖，如圖1所示。圖中展示由簡單到復雜、相互聯系的概念，各個概念間的邏輯關系是組織開展教學的重要線索，因此圍繞核心概念，依據學生不同階段應該達到的水平要求，展開的一系列由淺入深的教學內容，在深度學習“細胞呼吸”的過程中感悟生命觀念，進而實現課程標準-教學內容-教學評價的一致性[3]。筆者從學習進階出發，以《ATP的主要來源---細胞呼吸》第2課時教學為例，開展基于學習進階的高中生物重要概念的教學設計。

一、教材分析和設計思路

《ATP的主要來源——細胞呼吸》是人教版高中生物必修1第5章第3節的部分，其包括細胞的有氧呼吸、無氧呼吸、影響細胞呼吸的因素及細胞呼吸原理的應用等內容。通過本節課學習，學生明白細胞的生存需要能量和營養物質，運用細胞結構與功能的統一、細胞生命活動中物質與能量的統一、生物不斷進化發展等生命觀念分析解釋生產生活問題，注重相關概念的層級，進而引導學生構建細胞呼吸的知識體系。本節課的教學重點是細胞呼吸過程中能量的產生與利用，教學難點是影響細胞呼吸的因素（包括外因和內因），通過分析影響細胞呼吸的環境因素及生產生活中細胞呼吸原理的應用，學會承擔關注健康保護環境的社會責任。

本節課采用“一線三階”教學模式，以概念為主線，通過問題鏈設置，借助前概念調查問卷、勞動體驗、概念模型構建等環節，關注學生的認知發展與生活經驗，創設真情境激發真情感（形成次位概念）→問題探討逐步深入（形成重要概念）→聯系實際拓展應用（形成大概念）[4]，以促進三次學習進階的達成，如圖2所示。

二、教材目標

（1）描述線粒體的結構與有氧呼吸的關系，說出有氧呼吸過程中物質與能量的變化;

（2）比較有氧呼吸與無氧呼吸，從物質和能量變化的角度，闡明細胞呼吸的實質;

（3）探討細胞呼吸原理在生產生活中的應用，學會承擔關注健康保護環境的社會責任。

三、教材過程

（一）創設真情境，激發真情感

【動一動】創設真情境，體驗屏息30秒的小活動，引導學生關注呼吸健康，樹立環保意識。回顧初中8年級上冊人體呼吸的相關知識，分析吸進氧氣排出二氧化碳，那么二氧化碳是怎么產生的？氧氣運輸到細胞有什么作用？為什么劇烈運動呼吸頻率會加快？劇烈運動后肌肉會酸痛？簡單的設問貼近與同學們生活的聯系，厘清呼吸與細胞呼吸的差異，對細胞呼吸有一個總體的認識，能說出細胞呼吸的類型、產物和主要場所，為進一步學習細胞呼吸過程中各個階段的場所、反應物、生成物和產能情況等做好鋪墊[3]。

（二）問題探討，提出次位概念

【畫一畫】課前給每個小組準備好線粒體結構圖，嘗試在線粒體的結構圖中標注出有氧呼吸和無氧呼吸的具體過程。課堂由小組代表上臺展示，其他組同學認真傾聽并點評，學生思維火花被點燃，師生互動生生互動進入小高潮。學生從細胞結構與功能統一的觀點出發，描述線粒體的結構與有氧呼吸的相互關系，分析線粒體被稱為細胞的“動力車間”原因，是如何為生命活動提供能量，建立線粒體的結構特點與有氧呼吸的功能相適應觀點。

【想一想】依據線粒體結構圖和有氧呼吸的過程分析回答下列問題：

（1）為什么這些反應會在不同的場所中進行？

（2）C6H12O6、O2分別參與第幾階段反應？C6H12O6能否進入線粒體中？為什么？

（3）有氧呼吸方程式兩邊的H2O來源是否一致？產物H2O中O、H元素的來源？

（4）CO2中O元素的來源？科學家們用什么方法得知氧原子的轉移？

（5）三個階段都有能量嗎？產能最多的階段？能量的轉換形式？

通過問題鏈設置，采用圖文結合的方式，將物質和能量變化過程與相應步驟在細胞內發生的位置進行對應，體現能量供應伴隨著物質變化的物質與能量觀，旨在引導學生分析總結有氧呼吸能量利用的特點，關注學生的認知發展與生活經驗提出次位概念---有氧呼吸，釋放能量多、轉化效率高、能量逐級釋放，進而加深對生命本質的理解。

【推一推】依據上述有氧呼吸過程的分析，自主歸納有氧呼吸的概念，再運用類比方法給無氧呼吸下定義。由此得出：無氧呼吸是指細胞在缺氧的條件下，通過不同酶的催化作用，把葡萄糖等有機物進行不徹底的氧化分解，產生酒精或乳酸等中間產物，釋放少量能量，生成ATP的過程。

（1）無氧呼吸有幾個階段反應？無氧呼吸產生的[H]參與哪些階段的反應？

（2）無氧呼吸產生的能量來自第幾階段反應？未釋放的能量轉移到哪？

（3）人體在劇烈運動時能進行無氧呼吸，屬于無氧呼吸的生物嗎？

（4）列舉原核生物因沒有線粒體就也能進行有氧呼吸。

地球早期大氣中沒有氧氣，原核生物體內沒有線粒體，說明無氧呼吸是一種古老的呼吸作用形式，在生物進化史上先出現無氧呼吸而后才出現有氧呼吸，認同無氧呼吸的存在對生物來說有重要的意義[5]。推測體內骨骼肌保留無氧呼吸的能力，是漫長的生物進化史在人類身上留下的印記，同時對人類進行長跑等劇烈運動時，當供氧不足時，骨骼肌細胞可暫時進行無氧呼吸供能，有一定的適應意義，進一步拓展學生對線粒體的認識，有助于生物進化觀的建立。

【比一比】有氧呼吸和無氧呼吸的區別與聯系

討論、分析，得出結論：①無氧呼吸是在無氧條件下進行，釋放少量的能量;②仍有許多微生物只能進行無氧呼吸;③當需氧生物處于缺氧狀態時，無氧呼吸就是有氧呼吸的有效補充。依據液滴移動圖示判斷不同生物的細胞呼吸方式類型，能設計簡單實驗判斷細胞呼吸方式[3]，通過對細胞呼吸共性的歸納，有氧呼吸與無氧呼吸的異同比較，培養學生分析、歸納總結的能力，進而加深對細胞呼吸意義的理解。

（三）逐步深入，提出重要概念

【說一說】列舉生產生活中細胞呼吸原理的應用。

（1）用透氣紗布或“創可貼”包扎傷口（2）釀酒、食醋、味精的生產（3）糧食儲藏和果蔬保鮮（4）提倡慢跑（5）稻田定期排水（6）中耕松土等。嘗試分析農田松土給農作物的生長、當地的水土保持及全球氣候變暖等方面可能帶來的影響？如何盡量減少不利影響？

學生根據已有的學習經驗和生活經驗，分析生產生活中細胞呼吸原理的應用，樹立科學理論的發展是與社會實踐相適應的觀點，形成細胞生命活動中物質與能量的統一觀點，能夠熟練描述有氧呼吸和無氧呼吸每個階段的場所、反應物、生成物、產能等情況，分析影響細胞呼吸強度的環境因素，嘗試應用細胞呼吸的原理解釋原因[3]。

【析一析】分析影響細胞呼吸速率的環境因素及農業生產上的應用

通過比較有氧呼吸和無氧呼吸的區別與聯系，能快速分析影響細胞呼吸強度的環境因素的常見數學模型，了解人工控制細胞呼吸速率的相關措施，通過引導學生深度學習嘗試對身邊的生產生活現象進行解釋，在履行自己社會責任的過程中認同細胞呼吸在各項生命活動中至關重要，更加關注呼吸健康，形成保護環境和宣傳健康生活方式的社會責任，能夠運用化學反應方程式中體現的氣體體積關系設計實驗確定細胞的呼吸方式，能夠使用細胞呼吸的基本原理分析各種生活問題，理論聯系實際學以致用[3]。

四、教學反思

回歸生物教學的初心，抓準生物課程的科學性和趣味性，在學習進階理論的指導下，在教學設計時要抓住課程的核心知識和核心概念，引導學生在真實情境中展開探究與實踐，選擇有價值的學習內容，確定核心概念的學習進階，診斷核心概念的學習難點，不僅能提高教學水平，學生的學習效果也大大提升，進而達成更優的教學效果。

參考文獻

[1]劉晟，劉恩山.關注學生認知發展和生活經驗，教育學報，2012（8）：82.

[2]張宏佳，李雪峰.高中生物“基因表達”重要概念學習進階的構建與測量研究，中學生物教學，2018（9）：67.

[3]何佳作.“細胞的代謝”主題中的核心概念及其學習進階研究，華中師范大學，2017.

[4]丁奕然.巧用主線教學建構學習進階--以中學生物教學為例，教育理論與實踐，2016（8）.

[5]人教版高中生物必修1教師教學用書課后習題參考答案，網頁，2017：274.

基金項目：福建省教育科學“十三五”規劃2019年度常規課題《基于學習進階理論的高中生物核心概念的教學實踐研究》階段性成果 ，課題編號：2019XB0047