在模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

宋凱 婁瓊

摘要 巧用注射器，模擬酵母菌細(xì)胞不同氧條件下的呼吸方式，以期學(xué)生在主動(dòng)探究學(xué)習(xí)過(guò)程中，逐步發(fā)展科學(xué)思維，明晰核心概念，洞悉生物學(xué)本質(zhì)。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)?zāi)M 酵母菌 細(xì)胞呼吸 核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)C633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 教材分析

本節(jié)課是浙科版生物教科書(shū)《必修1·分子與細(xì)胞》第三章“細(xì)胞的代謝”第四節(jié)“細(xì)胞呼吸”（第二課時(shí)）的內(nèi)容。細(xì)胞呼吸為細(xì)胞生存，完成生命活動(dòng)提供絕大部分的能量，與物質(zhì)出入細(xì)胞、細(xì)胞光合作用等內(nèi)容聯(lián)系緊密。教材中對(duì)細(xì)胞呼吸過(guò)程的呈現(xiàn)準(zhǔn)確、到位、詳盡，學(xué)生能較容易地掌握過(guò)程中所涉及的物質(zhì)和能量變化的基礎(chǔ)知識(shí)。教材開(kāi)設(shè)的演示實(shí)驗(yàn)——乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，由于裝置復(fù)雜，耗時(shí)久，難以直接改成學(xué)生實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。因此，學(xué)生無(wú)法真正參與到實(shí)驗(yàn)中，對(duì)細(xì)胞呼吸中物質(zhì)與能量的變化缺乏科學(xué)、理性的認(rèn)識(shí)。

2學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)“細(xì)胞呼吸”第一課時(shí)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了細(xì)胞需氧呼吸和厭氧呼吸的具體反應(yīng)過(guò)程，認(rèn)同了細(xì)胞生命活動(dòng)中存在著物質(zhì)、能量和信息變化的統(tǒng)一性，理解了細(xì)胞呼吸將儲(chǔ)存在有機(jī)分子中的能量轉(zhuǎn)化為ATP中的能量，為各項(xiàng)生命活動(dòng)供能。同時(shí)，高二學(xué)生已具備一定的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，能觀察思考、分析推理、遷移應(yīng)用。設(shè)置簡(jiǎn)易的細(xì)胞呼吸裝置，模擬酵母菌細(xì)胞不同氧條件下的呼吸方式，能引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)細(xì)胞呼吸過(guò)程中的物質(zhì)和能量變化，發(fā)展其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3教學(xué)重難點(diǎn)及突破策略

3.1 改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的評(píng)價(jià)反饋

簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求學(xué)生具備一定的觀察、遷移、應(yīng)用能力。學(xué)生通過(guò)分析醫(yī)生注射前對(duì)注射器進(jìn)行排氣的原因，遷移到利用注射器設(shè)置成簡(jiǎn)易的無(wú)氧裝置，模擬酵母菌細(xì)胞的無(wú)氧呼吸;其次，利用雙氧水制取氧氣，并將收集的氧氣通過(guò)橡膠導(dǎo)管注入無(wú)氧裝置，模擬酵母菌細(xì)胞的有氧呼吸;通過(guò)調(diào)整反應(yīng)容器中的酵母菌和葡萄糖的濃度配比，縮短反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的評(píng)價(jià)反饋。

3.2體會(huì)酵母菌不同呼吸方式過(guò)程中的物質(zhì)、能量和信息變化的統(tǒng)一性

教師要引導(dǎo)學(xué)生提出可采用直接觸摸反應(yīng)容器、水浴鍋中添加體溫計(jì)、利用小米溫度傳感器等方法，直觀體驗(yàn)呼吸過(guò)程中的能量變化。并引導(dǎo)學(xué)生利用已有的化學(xué)知識(shí)，檢驗(yàn)裝置中不同氧氣濃度條件下的呼吸產(chǎn)物，明晰不同呼吸方式過(guò)程中的物質(zhì)變化、能量變化與信息變化的統(tǒng)一性。這要求學(xué)生必須具備較好的綜合素養(yǎng)，能夠做到多學(xué)科的交叉應(yīng)用，分析推理、動(dòng)手實(shí)踐，在實(shí)踐中建構(gòu)細(xì)胞呼吸核心概念。

4教學(xué)目標(biāo)

（1）利用注射器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置，模擬酵母菌細(xì)胞的不同氧條件下的呼吸方式，檢驗(yàn)其呼吸產(chǎn)物。

（2）借助酵母菌細(xì)胞呼吸模擬實(shí)驗(yàn)，從物質(zhì)與能量視角，體驗(yàn)并闡明細(xì)胞生命活動(dòng)過(guò)程中貫穿著物質(zhì)、能量、信息變化的統(tǒng)一性。

（3）查閱文獻(xiàn)或咨詢釀酒師，分析葡萄酒釀制過(guò)程中攪拌、適當(dāng)密閉等操作的原因，并提出提升葡萄酒品質(zhì)的思路，為家鄉(xiāng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

5教學(xué)過(guò)程

5.1創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師從鎮(zhèn)海區(qū)九龍湖杜夾岙村的葡萄節(jié)導(dǎo)入新課，展示介紹當(dāng)?shù)毓r(nóng)自家釀制葡萄酒的過(guò)程，引出酵母菌細(xì)胞的無(wú)氧呼吸是葡萄酒釀制的內(nèi)在本質(zhì)。教師通過(guò)展示本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，以期學(xué)生能在真實(shí)情境的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)過(guò)程中，理解細(xì)胞呼吸的本質(zhì)，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

設(shè)計(jì)意圖：生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任是學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)具體維度。教師從學(xué)生身邊熟悉的真實(shí)情境作為切入點(diǎn)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，使學(xué)生快速融入課堂，并激發(fā)其愛(ài)家愛(ài)鄉(xiāng)愛(ài)國(guó)的社會(huì)責(zé)任感和自豪感。學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置，模擬酵母菌細(xì)胞的不同呼吸方式，促進(jìn)科學(xué)思維的養(yǎng)成、科學(xué)探究能力的提升、對(duì)生命本質(zhì)的理解，形成正確的生命觀念。學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)和方法，提出合理的提升葡萄酒品質(zhì)的思路，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)逐步形成正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，達(dá)成本節(jié)課的學(xué)習(xí)發(fā)展目標(biāo)。

5.2設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置，探究呼吸方式

5.2.1厭氧呼吸裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

教師引導(dǎo)學(xué)生思考醫(yī)生注射前對(duì)注射器進(jìn)行排氣的原因，遷移至利用注射器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置，并加入適當(dāng)配比的葡萄糖和酵母菌混合液，模擬酵母菌細(xì)胞的厭氧呼吸。

5.2.2需氧呼吸裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

學(xué)生利用先前設(shè)置的無(wú)氧呼吸裝置，排盡裝置中的空氣，再通過(guò)橡膠導(dǎo)管往裝置中注入收集的02（反應(yīng)物混合液體積的20%，模擬大氣環(huán)境中的氧濃度），模擬酵母菌細(xì)胞的有氧呼吸，檢測(cè)裝置中經(jīng)有氧呼吸產(chǎn)生的C02。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)思維和科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，要求學(xué)生具備一定的觀察分析、遷移應(yīng)用的能力。教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)模仿醫(yī)生的操作，將注射器設(shè)置成簡(jiǎn)易細(xì)胞呼吸裝置，按照一定的葡萄糖和酵母菌濃度配比，在不同的氧氣條件下，模擬酵母菌細(xì)胞的呼吸方式，檢測(cè)其呼吸產(chǎn)物，也可測(cè)得酵母菌無(wú)氧呼吸、有氧呼吸的速率等。同時(shí)，也可激發(fā)學(xué)生利用身邊的材料進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)習(xí)熱情。

5.3檢驗(yàn)呼吸產(chǎn)物，了解呼吸方式

5.3.1 呼吸過(guò)程中放能情況的檢測(cè)

學(xué)生分為三組，分別采用直接觸摸反應(yīng)容器、水浴鍋中添加體溫計(jì)、利用小米溫度傳感器的方法，感受細(xì)胞呼吸過(guò)程中的能量釋放情況。

5.3.2呼吸產(chǎn)物C02的檢驗(yàn)

待反應(yīng)進(jìn)行10 min左右時(shí)，將5 mL的澄清石灰水注入檢驗(yàn)裝置中，并晃動(dòng)，作為對(duì)照。將反應(yīng)器上的橡膠管連接至檢驗(yàn)裝置，注射器朝上。慢慢地將一定量的氣體推至檢驗(yàn)裝置，并晃動(dòng)，可觀察到澄清石灰水出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。

5.3.3呼吸產(chǎn)物酒精的檢驗(yàn)

將無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的C02多次排出，反復(fù)發(fā)酵，直至產(chǎn)生足量的酒精;再將反應(yīng)器中產(chǎn)物注射至燒杯，進(jìn)行扇聞。

設(shè)計(jì)意圖：反應(yīng)產(chǎn)物和放能情況的檢測(cè)是細(xì)胞呼吸本質(zhì)和方式的直接體現(xiàn)，即時(shí)的課堂評(píng)價(jià)反饋有利于學(xué)生明晰細(xì)胞呼吸的本質(zhì)。利用一定的儀器設(shè)備，可以完成放能情況的檢測(cè)。采用初中化學(xué)知識(shí)中的檢驗(yàn)方法，即可鑒定出酵母菌有氧呼吸產(chǎn)生了C02、無(wú)氧呼吸產(chǎn)生了C02和酒精。這不僅體現(xiàn)了學(xué)科之間知識(shí)的交叉應(yīng)用，更反應(yīng)出學(xué)生的個(gè)人學(xué)科綜合素養(yǎng)、動(dòng)手實(shí)踐能力。

5.4理解呼吸本質(zhì)，明晰核心概念

酵母菌細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞呼吸，在不同氧氣條件下，將葡萄糖等有機(jī)物分解生成C02和H2O或乙醇和C02，并將儲(chǔ)存在有機(jī)分子中的能量轉(zhuǎn)化為熱能和生命活動(dòng)可以利用的能量。

6形成性評(píng)價(jià)

6.1 分析葡萄酒釀制過(guò)程中前期需要攪拌、后期需要適當(dāng)密閉的原因

學(xué)生通過(guò)分析酵母菌細(xì)胞的代謝類型，解釋：葡萄酒釀制過(guò)程中前期攪拌是為了讓酵母菌細(xì)胞進(jìn)行充足的有氧呼吸，有利于酵母菌細(xì)胞的繁殖，產(chǎn)生足夠多的菌種，并使釀制前期產(chǎn)生的C02逸出;后期適當(dāng)密閉是為了營(yíng)造無(wú)氧環(huán)境，有利于酵母菌細(xì)胞的無(wú)氧呼吸產(chǎn)生酒精，通常可采用高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的有彎曲的安全玻璃管進(jìn)行液封，既可以調(diào)節(jié)發(fā)酵裝置內(nèi)外的氣壓，又可防止雜菌進(jìn)入造成污染。

6.2結(jié)合已有的生物化學(xué)知識(shí)，分析提高葡萄酒的品質(zhì)的具體措施

學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)的科研文獻(xiàn)、咨詢釀酒師傅等，從葡萄酒釀制所需的葡萄品種的選擇、酵母菌菌種的選擇、葡萄酒的澄清與過(guò)濾、反應(yīng)容器密閉情況的控制、發(fā)酵時(shí)間的控制、葡萄酒的罐裝與儲(chǔ)存等，提出釀制過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的細(xì)胞呼吸相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用科學(xué)的思維方法，辯證性地思考、提出解決葡萄酒釀制過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題的思路，初步了解科學(xué)探究的一般方法和思路。學(xué)生通過(guò)查閱、咨詢等活動(dòng)中，發(fā)展信息提取、合作交流、歸納總結(jié)等必備的品格和能力。同時(shí)，也激發(fā)學(xué)生的愛(ài)家愛(ài)國(guó)的社會(huì)責(zé)任感，使學(xué)生立志投身于生物學(xué)科研事業(yè)，為家鄉(xiāng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，貢獻(xiàn)自己的力量。

7教學(xué)反思

教師通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，調(diào)整葡萄糖和酵母菌濃度配比，利用注射器模擬酵母菌不同氧氣條件下的細(xì)胞呼吸方式，讓學(xué)生真正參與到課堂模擬實(shí)驗(yàn)中，合理應(yīng)用多學(xué)科的鑒定方法，實(shí)現(xiàn)即時(shí)評(píng)價(jià)反饋。通過(guò)呼吸產(chǎn)物的檢驗(yàn)、能量變化的測(cè)定，學(xué)生體會(huì)了細(xì)胞呼吸過(guò)程中不同氧氣條件下的物質(zhì)變化和能量變化，建構(gòu)出細(xì)胞呼吸的核心內(nèi)涵。同時(shí)，學(xué)生在關(guān)注、思考如何提升葡萄酒品質(zhì)時(shí)，促使其深入了解葡萄酒釀制過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，也培育了其愛(ài)家愛(ài)鄉(xiāng)愛(ài)國(guó)的社會(huì)責(zé)任感。

但是，無(wú)氧呼吸產(chǎn)物酒精的鑒定時(shí)，由于短時(shí)間產(chǎn)生的酒精濃度不高，初次扇聞效果不佳，故通過(guò)多次排氣，反復(fù)發(fā)酵，30 min后即可產(chǎn)生足夠多的酒精，進(jìn)行扇聞。在放能情況測(cè)定時(shí)，由于反應(yīng)液體積偏小，即使使用小米溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果的誤差偏大;若能夠進(jìn)一步增大反應(yīng)體系，或者使用更加靈敏的溫度檢測(cè)儀，可以更加直觀地監(jiān)測(cè)到細(xì)胞呼吸的放能情況。

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