素養導向的概念教學實踐
——以“細胞呼吸”復習為例

葛方金

(四川省自貢市蜀光中學)

《普通高中生物學課程標準(2017年版,2020年修訂)》提出:生物學課程的設計和實施,內容聚焦大概念,讓學生能夠深刻理解和應用重要的生物學概念,發展生物學學科核心素養。生物學概念是對生物的生命活動、結構、生理過程、原理及規律的高度概括,具有客觀性、概括性和抽象性;同時,生物學概念除了蘊含生物學知識外,還是生物學家思想、探究思維的載體。因此,概念的構建、理解、深化和應用過程就是形成觀念、發展學生核心素養的過程。筆者以“細胞呼吸”的復習為例,進行了素養導向的概念教學實踐。

1.任務中構建概念

以真實情境為載體,以形成核心概念為目標,精心設計一系列具有內在邏輯關系的學習任務,學生在完成任務的過程中,進行活動與體驗、整合與關聯,從而構建生物學概念。

以“加了酵母的面粉蒸出的饅頭多孔松軟,加了酵母的面團放置時間久了會有酒味”為情境,設計如下任務:

任務1

興趣小組進行了研究酵母細胞有氧呼吸場所的實驗。結果如表1:

表1 酵母細胞有氧呼吸實驗結果

請根據實驗結果,思考討論并回答以下問題:

(1)酵母細胞在什么場所消耗葡萄糖?

(2)酵母細胞在什么場所消耗氧氣?

(3)有氧呼吸過程是一步反應還是多步連續反應?

(4)如何解釋第2組的實驗結果?

任務2

資料1.檢測發現,葡萄糖+細胞質基質培養液中有兩種小分子有機物積累:丙酮酸(C3H4O3)與還原型氫(簡寫為[H]或NADH)。

資料2.向線粒體懸液中加入14C標記的丙酮酸(14C3H4O3)、[H]和氧氣,發現三者含量均下降,且在線粒體基質中產生14CO2;加入3H2O,在線粒體基質中出現[3H]。

資料3.蛋白質定位研究顯示,參與丙酮酸分解的酶位于線粒體基質。

資料4.氰化物可以破壞線粒體內膜上的蛋白質。用氰化物處理后短時間內線粒體還可以分解丙酮酸,但立刻停止消耗氧氣。

請根據以上資料,思考討論并回答以下問題:

(1)葡萄糖在細胞質基質中分解產生的中間產物是什么?

(2)這些中間產物分別在什么場所被消耗?轉化為什么物質?

任務3

請綜合有氧呼吸的物質與能量變化、反應場所與過程分析構建酵母菌細胞有氧呼吸過程的概念模型。

任務4

酵母菌和大多數植物細胞在無氧條件下把葡萄糖分解為C2H5OH和CO2,動物和人體細胞、乳酸菌、部分植物細胞(玉米胚、馬鈴薯塊莖、甜菜根)在無氧條件下把葡萄糖分解為C3H6O3(乳酸)。請綜合無氧呼吸的物質與能量變化、反應場所與過程構建無氧呼吸過程的概念模型。

學生通過完成任務1和2認識細胞有氧呼吸的場所和物質變化,通過任務3和4分別建構細胞有氧呼吸(圖1)和無氧呼吸(圖2)的概念模型。

圖1 細胞的有氧呼吸

圖2 細胞的無氧呼吸

在任務中進行分析與綜合、歸納與概括、模型與建模等,訓練學生的科學思維,進階形成“生物通過細胞呼吸將儲存在有機分子中的能量轉化為生命活動可以利用的能量”的概念,發展學生的物質與能量觀和結構與功能相適應的生命觀念。

2.探究中理解概念

科學探究重視學生本能的學習沖動,探究的過程可以為學生提供學習所需的直接反饋和親身體驗,使他們能夠形成新的、持久的對外部世界的理解。在生物學課程中,學生“對外部世界的理解”主要聚集于對本學科重要概念的理解和掌握。參與科學探究有助于學生理解科學知識的發展過程,認同用于研究的科學方法,幫助學生建立生物學觀點和重要概念,促進學習效率的提升和概念的理解。

任務5

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中,思考并解決以下問題:

(1)實驗的自變量是什么?怎樣施加自變量?

(2)實驗的因變量是什么?怎樣檢測因變量?

(3)怎樣控制無關變量?

(4)據圖3設計酵母菌在有氧和無氧條件下進行細胞呼吸的裝置圖(用字母和箭頭表示)。

圖3 探究酵母細胞呼吸方式的裝置

(5)預期實驗結果并得出結論。

通過實驗探究,學生初步掌握了對比實驗的科學方法,實證了酵母菌在有氧和無氧條件下都能進行細胞呼吸。在有氧條件下,酵母細胞通過有氧呼吸產生大量的二氧化碳和水;在無氧條件下,酵母細胞通過無氧呼吸產生酒精和少量的二氧化碳。

實驗探究中,學生經歷“提出問題→作出假設→設計實驗→進行實驗→分析結果、得出結論→表達和交流”等過程,在作出假設、設計實驗和得出結論、表達交流中深度思考,在深入交流中激發探究的欲望、實現思維的碰撞,促使學生進行有意義的學習,理解細胞呼吸的類型,發展了學生科學探究的能力和素養。

3.思辨中深化概念

概念是思維的產物,科學思維是形成概念的工具和途徑。因此,設計活動并提出相應的問題,引導學生思考討論,進行比較辨析、推理判斷、歸納概括,能促進學生在思辨中深化對概念的理解。

任務6

(1)請完成表2,比較有氧呼吸與無氧呼吸。

表2 有氧呼吸和無氧呼吸的不同點和相同點

(2)藍藻、硝化細菌、醋酸菌細胞內沒有線粒體,它們能不能進行有氧呼吸?為什么?

(3)有人認為:有氧呼吸是由無氧呼吸發展變化形成的。請你列舉出支持此觀點的證據(要求答出兩點)。

學生通過有氧呼吸與無氧呼吸的比較,認識到兩種呼吸方式既有區別又有聯系,但實質都是分解有機物釋放能量。藍藻、硝化細菌、醋酸菌細胞內雖然沒有線粒體,但含有與有氧呼吸有關的酶系統,故也能進行有氧呼吸,從而理解線粒體是有氧呼吸的主要場所,但有氧呼吸不是一定要在線粒體中才能進行。在比較中辨析、在演繹中推理,訓練學生的科學思維。有氧呼吸和無氧呼吸的第一階段完全相同,都不需要氧氣,都與線粒體無關;地球早期大氣中缺乏氧氣和地球上最早出現的原核細胞中沒有線粒體等為“有氧呼吸是由無氧呼吸發展變化形成的”概念提供例證,培養學生的證據意識,發展了學生的進化與適應觀。通過思辨,讓學生更全面、準確的理解、掌握細胞呼吸概念的內涵、外延、實證和例外性,讓學生的思維更深刻,實現對概念的深化。

4.實踐中應用概念

《課程標準》強調教學過程重實踐,高度關注學生學習過程的實踐經歷,要求學生能用科學的觀點、知識、思路和方法,探討或解決現實生活中的某些問題。在問題解決中運用概念,舉一反三,融會貫通。

任務7

資料1.利用麥芽、葡萄、糧食和酵母菌以及發酵罐等,在控制通氣的情況下,可以生產各種酒。

資料2.糧食、水果蔬菜等農產品在表3所示條件貯存。

表3 糧食、水果蔬菜貯存條件

資料3.蔬菜、水果放入地窖中儲存。

請根據以上資料,分析O2濃度、溫度、水分和CO2濃度怎樣影響細胞呼吸?為什么會產生這樣的影響?并用坐標曲線圖分別表示它們對細胞呼吸的影響。

任務8

請你運用細胞呼吸的原理回答以下問題:

(1)在農業生產中,可采取什么措施防止土壤板結?該措施為什么能促進作物的生長?

(2)在農業生產中,稻田若不進行定期排水,會導致水稻幼根變黑、腐爛,原因是什么?

(3)包扎傷口時,選用松軟的“創可貼”,目的是什么?

(4)皮膚破損較深或被銹釘扎傷后,需注射破傷風抗毒血清預防由破傷風芽孢桿菌引起的破傷風,原因是什么?

(5)慢跑等有氧運動一般不會出現肌肉酸脹乏力,為什么?

運用細胞呼吸的原理解釋注射破傷風抗毒血清和有氧運動一般不會出現肌肉酸脹乏力等生活現象,引導學生關注人類健康。解決土壤板結、水稻幼根變黑腐爛等生產實踐中的實際問題,構建O2濃度、溫度、水分和CO2濃度影響細胞呼吸的數學模型,分析并理解外界環境因素對細胞呼吸的影響,在概念的應用中發展了學生的思維品質,培養了學生解決問題的意識和能力,落實社會責任。

總之,生物學的概念(包括原理、規律、定律)是生物學大廈的“基石”,也是生物學大廈的“結構”,又是認識生命現象及其活動規律的“產物”。因此,學習生物學,主要是學習生物學概念,重在構建概念。在情境任務的驅動下,運用科學思維方法,開展科學探究活動,形成概念建立生命觀念,在概念的建構、理解和運用過程中促進學生深層次理解科學知識和科學本質,發展了學生的核心素養。