情境引領下的“細胞的能量供應和利用”的單元整體教學

摘 要：本文以“啤酒釀造的過程”作為情境貫穿，對“細胞的能量供應和利用”前三節內容展開單元整體教學設計，基于麥芽的選擇、糖化和發酵的操作等具體場景提出問題，引導學生在任務驅動下構建重要概念，從而解釋和解決真實問題，發展生物學學科核心素養。

關鍵詞：單元教學；細胞的能量供應和利用；核心素養

文章編號：1003-7586（2024）06-0078-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 單元教學內容分析及設計思路

細胞中時刻發生的各種反應統稱為細胞代謝，反應中物質變化和能量轉化相互依存，因此細胞代謝離不開酶的作用。依據《普通高中生物學課程標準（2017 年版 2020年修訂）》的內容要求“細胞的能量供應和利用”單元對于學生構建概念“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”具有重要意義。通過對此內容的學習，學生可以理解絕大多數酶是一類能催化生化反應的蛋白質，列舉酶活性的影響因素，解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質，說明生物體通過細胞呼吸，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。達成指向物質與能量觀、結構與功能觀等生命觀念的教學目的。

本文以“啤酒釀造”作為真實情境引入單元整體教學設計：探究酶的作用、特性和影響酶活性的因素，理解酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸，從而解釋生產中的現象，不僅能更好地激發學生的學習熱情，突出學生的主體地位，幫助學生基于生活經驗完成學科概念新知的構建。^［1］該方法也有利于培養學生將理論與實際聯系的社會責任感，進而運用結構化的知識體系解決情境問題，對啤酒釀造的工藝作出解釋、思考并提出建議。

2 單元教學目標

（1）從麥芽制備過程中的有機物含量變化分析，認同細胞代謝離不開酶的科學觀念，在此基礎上設計并實施實驗，探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，結合探索酶本質的資料梳理，從酶的來源、作用和化學本質三方面進行概括，從科學史的學習中認識到科學是在曲折中前進的，增加對科學本質的理解。

（2）通過了解啤酒釀造時的糖化操作過程中對溫度和pH值的控制，提出影響酶活性的因素，設計實驗探究溫度和pH值對酶活性的影響，通過實驗結果分析，概括酶的作用條件和特點；結合酶制劑在啤酒釀造中的應用，說明酶的作用具有專一性，并設計實驗探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用，聯系酶在生活中的應用，認同科學技術和社會的緊密聯系。

（3）通過實驗設計探究細胞內的直接能源物質，從結構和功能的角度解釋“ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”。

（4）比較酵母菌在啤酒釀造和飼料生產中的應用，通過實驗探究酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸，說出細胞呼吸的類型及其產物的區別。概括有氧呼吸三個階段的場所、物質變化和能量轉化，比較無氧呼吸和有氧呼吸，說明無氧呼吸兩個階段的發生過程。歸納細胞呼吸的概念，并運用所學知識解釋生產生活中的現象。

（5）通過探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用，影響酶活性的因素，探究酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸等活動，學會依據探究問題設計對照實驗，控制自變量和無關變量，觀察和檢測因變量，交流分享實驗結果，分析、比較、歸納現象并得出結論，發展科學思維和探究能力。

3 主要單元教學過程

3.1 絕大多數酶是一類能催化生化反應的蛋白質

教師創設“啤酒釀造”情境，介紹啤酒釀造的原料、流程和原理，結合小麥發芽過程中有機物含量的變化曲線，說明細胞代謝離不開酶。提出任務一：酶具有什么作用？如何探究酶的作用？教師組織學生設計實驗，通過探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，歸納認同酶具有催化作用，且與無機催化劑相比，酶催化具有高效性的特點。在此基礎上，提供資料，引導學生分析酶的作用機理“降低化學反應的活化能”，從原理上解釋酶的高效性。

教師利用教材“思考·討論”中的“關于酶本質的探索”資料，引導學生以圖解的方式梳理相關科學史，結合麥芽中含有淀粉酶，進而歸納酶的定義：酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，絕大多數是蛋白質，少數是RNA。

3.2 酶活性受到環境因素的影響

教師展示啤酒釀造中糖化操作的視頻，由視頻中控制溫度和pH值的做法提出問題：為什么要控制反應時的溫度和pH值？基于此開展任務二：探究溫度和pH值對淀粉酶活性的影響。引導學生分析實驗的自變量、因變量和無關變量，設計并實施實驗方案，最后對結果進行交流討論，對誤差原因進行分析，匯總數據繪制曲線，最終得出實驗結論：存在一個最適溫度/pH值使酶的活性最高，當溫度/pH值過高或過低時，酶的活性都會明顯下降。

引導學生從酶的本質出發，思考高溫和低溫、過酸和過堿分別對酶活性有什么影響。從結構和功能的角度說明，蛋白質的生物學活性依賴于一定的空間結構，高溫、過酸、過堿會破壞酶的空間結構使酶徹底失活；低溫只是抑制酶的活性，沒有破壞其空間結構，溫度升高，酶的活性就會恢復。

教師展示啤酒釀造工藝流程圖，補充不同溫度對不同淀粉酶活性的影響曲線圖并提出問題：為什么需要在不同的操作環節中設置不同的溫度條件？為什么不同階段人工添加的酶制劑不同？引導學生說明不同酶反應的最佳溫度條件不同，不同階段的反應物不同，因此需要使用不同種類的酶。在此基礎上提出任務三：探究酶具有專一性。組織學生設計并開展探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用實驗，分析實驗結果，并總結酶的特性具有專一性：一種酶只能催化一種或一類化學反應，并基于鎖鑰學說辨析相關模型與酶促反應中物質的對應關系。

教師由酶制劑在釀酒行業上的應用，延伸補充酶在其他生產生活領域的應用，引導學生自覺認同科學技術服務社會生產的理念，樹立運用所學知識造福人類的社會責任感。

3.3 ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質

教師由啤酒釀造的糖化操作引出問題：細胞中的糖類、蛋白質等物質儲存著化學能，葡萄糖是驅動酵母菌在內的細胞生命活動的直接能源物質嗎？引導學生基于螢火蟲發光需要細胞提供能量的情境，設計實驗探究細胞內的直接能源物質，根據事實證據得出結論：ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。基于此提出任務四：為什么ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質？組織學生閱讀提取教材和相關資料中的信息，繪制構建ATP的結構模型，理解ATP是一種高能磷酸化合物，最終認同ATP的結構與其功能相適應。

教師在ATP的結構模型基礎上，引導學生構建ATP和ADP相互轉化的模型，結合具體實例分析、歸納、概述ATP形成過程中所需能量的主要來源及意義，以及ATP水解產生的能量的用途和意義，解釋ATP是“能量貨幣”。

3.4 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

教師通過比較啤酒釀造的發酵過程和培養酵母菌的操作過程提出問題：為什么都是培養酵母菌，有的需要通風，有的卻需要密封？補充酵母菌作為兼性厭氧菌的特點，組織學生開展任務五：探究酵母菌的細胞呼吸方式。學生對實驗的自變量、無關變量和因變量進行分析，設計方案并開展相應探究，觀察現象并最終得出結論：酵母菌在有氧和無氧條件下都能進行細胞呼吸。有氧條件下，酵母菌通過有氧呼吸產生大量的二氧化碳和水；無氧條件下，酵母菌通過無氧呼吸產生酒精以及少量的二氧化碳。引導學生對實驗過程進行概括總結，歸納對比實驗的意義和流程。

教師基于酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸的探究結果，提出問題：細胞呼吸的場所在哪里？有氧呼吸和無氧呼吸經歷了哪些過程？這些過程中物質和能量如何變化？結合以上問題開展任務六：構建細胞的有氧呼吸流程圖。之后提供實驗資料，引導學生分析現象，逐一概括有氧呼吸三個階段的場所、反應物、產物情況，繪制有氧呼吸的模式圖并進行交流討論，完善模型。

教師展示無氧呼吸的模式圖，引導學生以表格形式概括無氧呼吸兩個階段的特點，并通過對比自主概括細胞呼吸的概念：細胞呼吸是指有機物在細胞內經過一系列的氧化分解過程，生成二氧化碳或其他產物，釋放能量并生成 ATP 的過程。學生運用本節所學知識“細胞呼吸原理的應用”，討論細胞的呼吸原理在生產生活中還有哪些體現。

4 單元教學反思

單元教學強調整體性，以情境貫穿，以問題為導向。^［2］其中，概念的構建是教學走向整體轉化的關鍵。教師基于重要概念創設單元整體情境，依據學生的認知水平和認知規律，結合具體的場景設置并開展以學生為主體的子任務。通過實驗設計、探究實踐、資料的歸納梳理和交流討論，在活動中提煉次級概念，做好概念關系的整理，形成重要概念的關系框架，并運用所學解釋并解決情境中的問題，即時體現學習效果的評價。

情境來源于生產和生活，避免了課時情境與單元情境的弊端，實現單元情境脈絡與課時情境背景的統一，加強課時情境和內容之間的聯系，有利于學生構建整個單元的知識和概念體系，體現學生的主體地位。此外，問題從情境中來，知識解釋問題，體現了科學、技術和社會間的聯系，促進學生自覺認同科技造福人類，運用所知所會改造世界的社會責任感，也能夠更好地促進學生的深度學習，形成理性思考、嚴謹分析的科學思維和習慣，從而發展學科核心素養，體現生物學學科獨特的育人價值。

參考文獻

［1］ 錢仁凱，程國勝.境脈引領下的“免疫調節”單元整體教學設計［J］.中學生物學，2022， 38（6）：4．

［2］ 吳開其，魏詩琴，崔鴻. 以“概念—情境—問題”為中心的單元整體教學［J］.中學生物教學，2023（4）：26-29.