學科核心素養下的高中生物學教學實踐
——以“氧氣與細胞綜合復習”為例

王麗娟

（北京市回民學校 北京 100053）

生物學是自然科學中的一門基礎學科，是研究生命現象和生命活動規律的科學。它是農業科學、醫藥科學、環境科學及其他有關科學和技術的基礎。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。生物學學科素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。基于《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）的要求和近年來生物學試題的特點，復習課的主要任務不僅是鞏固已有知識，更要提升各項能力，達到高效系統的復習目標。筆者將教材中的相關知識點與“諾貝爾獎”成果相聯系組織教學，嘗試將知識復習與能力訓練共同落實。

1 內容分析與設計思路

筆者利用氧氣將教材中“物質進出細胞的方式”“細胞呼吸”“內環境”等相關內容與相關的“諾貝爾獎”成果進行加工、整合，沿著“氧氣進入組織細胞—氧氣參與細胞內的物質與能量代謝—細胞如何感知與響應氧氣含量變化”這條主線組織教學。這樣可以幫助學生建立科學的知識體系，為知識的理解和應用奠定基礎，同時發展學生的生物學學科核心素養。

2 教學目標

①通過氧氣進入細胞過程的分析，理解機體細胞通過內環境與外界進行物質交換。

②通過氧氣參與細胞內的物質與能量代謝及感知與響應氧氣含量變化分子機制的分析，形成物質與能量觀、穩態與平衡觀。

③能夠以特定的生物學事實為基礎形成生物學概念，并用文字或圖示的方式進行正確表達，進而用其解釋相應的生命現象，提升社會責任感。

3 教學過程

3.1 解讀生命現象，樹立生命觀念

“生命觀念”是指對觀察到的生命現象及相互關系或特征進行解釋后的抽象，是人們經過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現象的意識、觀念和思想方法。

教師提出問題：從生命的角度來說，食物、水、氧氣讓我們一刻也不能分割的是什么？為什么氧氣在體內沒有“余糧”？以此引導學生聯系生活思考，并引入本節課的“主題”。

教師展示“大氣中氧氣進入細胞的過程”圖片（圖1），引導學生思考：氧氣在大氣中占1/5，大氣中的氧氣如何進入組織細胞？氧氣以什么方式通過生物膜？組織細胞中氧氣濃度如何？機體細胞如何與外界環境進行物質交換？在問題驅動下，學生分析并完成學習任務單上的問題。

教師繼續追問：根據高中階段已學知識，進入細胞的氧氣如何參與代謝活動？并指定學生完成有氧呼吸3個階段的板書演示（圖2），同時提出明確要求“要體現在特定場所進行的物質與能量代謝”。其他學生獨立完成學習任務單上的問題。

有氧呼吸的過程是一個動態的概念，該過程中龐大的信息量容易使學生產生認知負荷。教師采用板畫，對信息進行整合加工，繪制概念圖并歸納細胞呼吸對生物體的主要意義。氣體交換與細胞呼吸是密切相關的個體與細胞間穩態維持的2個過程。教師以人為例，使學生理解：氣體交換是氧氣進入肺再進入血液，通過動脈和毛細血管進細胞的過程。細胞呼吸是在每個細胞內將葡萄糖氧化產生二氧化碳，再通過毛細血管和靜脈進入肺中，并被呼出體外的過程。氣體交換與細胞呼吸之間相互聯系、共同調節，維持生命系統的相對穩定。

設計意圖：準確掌握生物學概念是形成必備知識體系的重要前提，是能夠解釋生物學相關事件和現象的必備條件。生命觀念的形成是建立在深刻掌握生物學知識體系的基礎之上的。教師引導學生回顧已學知識，形成核心概念。學生鞏固細胞有氧呼吸各階段的場所及物質與能量的變化，形成物質與能量觀。

3.2 借助諾獎成果，發展科學思維

“科學思維”是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。在高中生物學教學過程中，教師適時讓學生探究與教材知識有關的諾貝爾獎成果，不僅可以培養學生的科學探究能力，而且有助于學生對教材知識的理解。當然，教師在應用“諾貝爾獎”成果創設問題情境時，既不能過于簡單，讓學生沒有思考的欲望，也不能過于復雜，讓學生望而卻步。

教師提出問題：細胞如何感知與響應氧氣含量的改變？同時提供兩則“資料”供學生閱讀。

資料①：2019年，諾貝爾生理學或醫學獎授予了威廉·凱林、彼得·拉特克利夫以及格雷格·塞門扎3位科學家。他們的貢獻在于闡明了人類和大多數動物細胞在分子水平上感知、適應不同氧氣環境的基本原理，揭示了其中重要的信號機制。科學家在研究地中海貧血癥的過程中發現了“缺氧誘導因子”（HIF）。HIF由兩種不同的DNA結合蛋白（HIF-la和ARNT）組成，其中對氧氣敏感的是HIF-la，而ARNT穩定表達且不受氧調節，即HIF-la是機體感受氧氣含量變化的關鍵。當細胞處于正常氧條件時，在脯氨酰羥化酶的參與下，氧原子與HIF-la脯氨酸中的氫原子結合形成羥基。羥基化的HIF-la能與VHL蛋白結合，致使HIF-la被蛋白酶體降解。在缺氧的情況下，HIF-la羥基化不能發生，導致HIF-la無法被VHL蛋白識別，從而不被降解而在細胞內積聚，并進入細胞核與ARNT形成轉錄因子，激活缺氧調控基因。人體缺氧時，會有超過300種基因被激活，或者加快紅細胞生成、或者促進血管增生，從而加快氧氣輸送。這就是細胞的缺氧保護機制。HIF控制著人體和大多數動物細胞對氧氣變化的復雜又精確的反應，3位科學家一步步揭示了生物氧氣感知通路。動物細胞感知不同氧氣濃度的能力，以及隨之而來的對基因表達模式的重塑，對于幾乎所有動物的生存都至關重要。這不僅在基礎科學上有其價值，還有望為某些疾病的治療帶來創新性的療法。

資料②：2004年，諾貝爾化學獎授予以色列科學家阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科和美國科學家歐文·羅斯，以表彰他們發現了泛素在細胞內蛋白質降解調節作用，揭開了蛋白質“死亡”的重要機理。泛素（Ub）是一條由76個氨基酸殘基組成的肽鏈。蛋白酶體也被稱為多催化活性蛋白酶復合物，廣泛存在于細胞質和細胞核中。在泛素激活酶E1、泛素結合酶E2、泛素連接酶E3（目前已發現人體中存在成百上千種E3，且E3具有特異性）的依次催化下，泛素被以特定的方式連接到靶蛋白上，最后被蛋白酶體識別，并降解成短肽。這些短肽再被降解為氨基酸回收利用（圖3）。研究發現，細胞中的VHL基因編碼的VHL蛋白是一種可以預防癌癥的蛋白質，是泛素連接酶E3的關鍵部分。在常氧狀態下，VHL蛋白可以特異性識別并結合羥基化的HIF-1α，使其被泛素標記，進而被蛋白酶體降解。

教師引導學生閱讀資料①并完成“細胞適應氧氣水平變化的分子機制圖”（圖4），指定學生進行板書演示和講解。圖4中有一處蛋白質的降解途徑需要進行補充完善。學生閱讀資料②，對分子機制圖進行完善并對泛素-蛋白酶體降解蛋白質途徑進行介紹。

設計意圖：教師利用自主閱讀資料促進學生自主構建模型的過程，訓練了學生閱讀生物文本、邏輯推理和總結概括的能力。“諾貝爾獎”是創設問題情境很好的素材，學生對于這些前沿的新知識很感興趣，每一個“諾貝爾獎”的背后也都有一部科學奮斗史。教師在創設問題情境的過程中，要注意引導學生把社會、生活、生物科學和學習過程緊密聯系起來，才能把素質教育真正落到實處。

3.3 關注社會熱點，增強社會責任

“社會責任”是指基于生物學的認識，參與個人與社會事務的討論，做出理性解釋和判斷，解決生產生活問題的擔當和能力。將關注的社會熱點問題與高中生物教學有機結合，有利于為學生傳遞正確、先進的科學知識；有助于學生理性科學地思考，學會發現問題并提升運用所學知識解決現實問題的能力。

教師引導學生根據細胞適應氧氣含量變化的分子機制，對以下實際問題進行分析：①云南呈貢訓練基地海拔超過2 000 m，該地區氧氣供應不足。但是中國田徑隊常在此訓練以提高成績。請對此策略做出合理解釋。②腫瘤細胞的增殖將導致腫瘤附近局部供氧不足，請從打破癌細胞缺氧保護機制的角度，提出治療癌癥的新思路。

設計意圖：教師引導學生學以致用，利用所學知識對社會熱點問題做出合理解釋，并解決實際問題，提升社會責任感。“諾貝爾獎”離高中生物學并不遙遠，高中生物學中有很多內容直接或間接與許多“諾貝爾獎”成果相聯系。教師以“諾貝爾獎”的成果為情境素材，培養學生的生物學學科核心素養，使學生熏陶在“諾貝爾獎”的懷抱中，也讓諾貝爾精神在學生心里生根發芽。

4 教學反思

在氧氣與細胞綜合復習的過程中，教師突出了知識的層次與脈絡，為學生提供一條清晰的思維主線：氧氣進入組織細胞——氧氣參與細胞內物質與能量代謝——細胞如何感知與響應氧氣含量變化。氧氣隨體液運輸而發揮調節作用，并且已經實現了在分子水平上對基因的表達進行調控。氧氣參與細胞內部時刻發生的物質變化、能量轉換和信息轉導的過程，組織、器官得以正常運轉，個體得以正常生長。教師引導學生逐步形成物質與能量觀、穩態與平衡觀。細胞如何感知與響應氧氣含量改變環節訓練了學生閱讀生物文本、提取關鍵信息、建立模型和解決實際問題的能力。提高學生的生物學學科素養需要教師和學生堅持不懈地實踐。復習課不能是簡單的知識再現過程，而應是在落實學科核心概念的基礎上，打破章節界限，進行跨章節、跨學段的多角度素養提升。