基于科學(xué)史實(shí)的“呼吸作用的過程”概念教學(xué)設(shè)計(jì)

施劍杰

（江蘇省宿遷中學(xué) 江蘇宿遷 223800）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在教學(xué)建議中建議教師在生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)“注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，這對提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是很有意義的”?；诖?，下文以2019年版人教版高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》中第五章“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”第三節(jié)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”的“有氧呼吸和無氧呼吸”內(nèi)容為例，以生物科學(xué)史為載體貫穿整個(gè)教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建出細(xì)胞呼吸這個(gè)概念，落實(shí)生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 教材分析

人教版高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第三節(jié)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”第二部分是“有氧呼吸和無氧呼吸”。該部分內(nèi)容從物質(zhì)和能量變化的角度進(jìn)一步介紹了有氧呼吸和無氧呼吸的過程，其中有氧呼吸的發(fā)生與前面的線粒體相聯(lián)系，呼吸作用釋放能量（ATP）與后面的細(xì)胞分裂、細(xì)胞分化、蛋白質(zhì)合成、DNA復(fù)制等知識相聯(lián)系，與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)等知識也相聯(lián)系。因此，本節(jié)內(nèi)容在整個(gè)高中生物學(xué)教學(xué)中具有重要的作用和地位。學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容不僅能幫助學(xué)生掌握呼吸作用的具體過程，也有助于學(xué)生把呼吸作用的原理應(yīng)用到生產(chǎn)生活實(shí)踐中，解決現(xiàn)實(shí)生活中與呼吸作用相關(guān)的問題。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過模型展示復(fù)習(xí)線粒體的結(jié)構(gòu)，說出有氧呼吸發(fā)生的場所與過程，形成結(jié)構(gòu)與功能觀；通過小組合作討論、歸納和構(gòu)建呼吸作用過程的概念圖解，形成物質(zhì)與能量觀等生命觀念。

②通過閱讀、分析生物科學(xué)史實(shí)資料，依托問題驅(qū)動(dòng)，逐步認(rèn)同無氧呼吸和有氧呼吸過程中的物質(zhì)變化和能量變化，訓(xùn)練科學(xué)思維。

③通過了解生物科學(xué)史，認(rèn)同科學(xué)研究是艱辛的，崇尚科學(xué)家們對待科學(xué)的態(tài)度。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，導(dǎo)入新課

教師播放“宿遷洋河酒廠釀酒”視頻，學(xué)生通過觀看洋河酒廠釀酒時(shí)加入酵母菌和糖類，密閉釀造出酒的視頻，引發(fā)解決真實(shí)情境問題的欲望，成為課堂問題解決的主體。之后，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室的線粒體模型講解線粒體的結(jié)構(gòu)和成分，復(fù)習(xí)鞏固線粒體相關(guān)知識的同時(shí)，試著從結(jié)構(gòu)與功能觀的視角去看待一些生命現(xiàn)象。

3.2 依托科學(xué)史資料群，初步形成無氧呼吸概念

教師展示資料，為學(xué)生學(xué)習(xí)“無氧呼吸”提供科學(xué)史背景。

資料1：人們從很早開始就已經(jīng)會(huì)用酵母菌將葡萄糖發(fā)酵成乙醇和CO2，但是對發(fā)酵的研究卻是在19世紀(jì)后半葉才開始的。1905年，英國化學(xué)家哈登和揚(yáng)發(fā)現(xiàn)乙醇發(fā)酵需要一些酶的作用，沒有這些酶發(fā)酵無法進(jìn)行，且這些酶都存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。此后經(jīng)過20年的努力，科學(xué)家終于搞清了發(fā)酵的全過程。中間產(chǎn)物有丙酮酸，且這個(gè)中間過程中有ATP和[H]的生成。

資料2：1933年德國的生物化學(xué)家愛姆勃登、德國的邁耶霍夫（Qtto Meyehof）、波蘭的帕娜斯發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物肌肉浸出液也可利用葡萄糖發(fā)酵，除了產(chǎn)物是乳酸，中間產(chǎn)物也和乙醇發(fā)酵一樣。

教師展示細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化圖，結(jié)合資料，設(shè)置以下任務(wù)：①分析資料1，說明葡萄糖發(fā)酵發(fā)生的場所，小組合作寫出化學(xué)反應(yīng)式。②閱讀資料2，說出糖酵解的另外一種形式，小組合作寫出化學(xué)反應(yīng)式。③小組討論無氧呼吸中能量變化和去路的途徑。學(xué)生分析以上2個(gè)無氧呼吸科學(xué)史資料，得出“無氧呼吸是葡萄糖經(jīng)過一系列反應(yīng)產(chǎn)生乙醇和CO2或乳酸”“無氧呼吸的中間產(chǎn)物是丙酮酸”“無氧呼吸產(chǎn)生丙酮酸的過程中有ATP和[H]生成”“無氧呼吸反應(yīng)場所在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)”這四個(gè)小概念。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生整合這些小概念，從反應(yīng)物、生成物、反應(yīng)條件、場所4個(gè)方面對無氧呼吸的概念進(jìn)行歸納，再通過讓學(xué)生觀察細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中物質(zhì)和能量變化圖，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出完整的無氧呼吸的概念，為后面構(gòu)建呼吸作用的次位概念做鋪墊。

3.3 依據(jù)科學(xué)史實(shí)資料群，構(gòu)建有氧呼吸概念

教師呈現(xiàn)資料，為“有氧呼吸”提供學(xué)習(xí)背景。

資料3：1937年，德國化學(xué)家漢斯·克雷布斯在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出糖類在細(xì)胞內(nèi)是按特定的順序發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在有氧條件下丙酮酸在脫羧酶的作用下脫[H]，生成CO2，并產(chǎn)生能量，但是這個(gè)過程檢測到氧氣沒有參與。

資料4：利維和施利曼等發(fā)現(xiàn)催化上述反應(yīng)的脫羧酶存在于線粒體基質(zhì)中。

資料5：葡萄糖生成丙酮酸產(chǎn)生的[H]以及丙酮酸繼續(xù)氧化生成的[H]在氧氣的作用下氧化磷酸化生成大量的水和能量。

資料6：1960年，科學(xué)家用超聲波將線粒體嵴打成碎片。這些碎片會(huì)自動(dòng)重新封閉起來形成泡狀體，這些泡狀體表面含有F1顆粒，仍保有氧化磷酸化作用，若將F1顆粒除去則無法合成ATP。

教師展示細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體中的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化圖，提出問題：①結(jié)合資料3，小組討論總結(jié)有氧呼吸第二階段的反應(yīng)式；②結(jié)合資料4，說明丙酮酸在有氧條件下生成CO2和水的場所；③通過資料5，小組討論總結(jié)氧化磷酸化即有氧呼吸第三階段的反應(yīng)式；④根據(jù)資料6，說出有氧呼吸第三階段的場所；⑤小組討論有氧呼吸能量變化和去路，結(jié)合資料3、4、5、6總結(jié)有氧呼吸的特點(diǎn)。

學(xué)生通過對以上4個(gè)有氧呼吸科學(xué)史資料的分析，先得出了3個(gè)有氧呼吸分階段的小概念：有氧呼吸第一階段與無氧呼吸第一階段完全相同；有氧呼吸第二階段是丙酮酸在線粒體基質(zhì)中生成CO2；有氧呼吸第三階段（氧化磷酸化階段）是指在線粒體嵴上[H]和氧氣生產(chǎn)大量水和能量。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生對這三個(gè)小概念從有氧呼吸反應(yīng)物、生成物、反應(yīng)條件、場所等方面進(jìn)行歸納整合，再讓學(xué)生觀察細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體中的物質(zhì)和能量變化圖。據(jù)此，學(xué)生能夠逐步得出有氧呼吸作用總反應(yīng)式，構(gòu)建出完整的有氧呼吸概念，為后面構(gòu)建呼吸作用的次位概念做充分的鋪墊。

3.5 構(gòu)建呼吸作用的概念

教師首先引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)場所、反應(yīng)條件、分解產(chǎn)物、能量釋放、ATP產(chǎn)生階段這些方面嘗試設(shè)計(jì)簡明的表格來比較無氧呼吸和有氧呼吸（表1）。

表1 無氧呼吸與有氧呼吸的異同點(diǎn)比較

之后，教師引導(dǎo)學(xué)生使用課前發(fā)放的小黑板和物質(zhì)卡片，構(gòu)建出呼吸作用過程概念圖（圖1），并請一個(gè)小組展示成果。

圖1 學(xué)生構(gòu)建的呼吸作用概念圖

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生歸納出無氧呼吸和有氧呼吸的共性，構(gòu)建出細(xì)胞呼吸的概念：細(xì)胞呼吸指有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放能量并生成ATP的過程。

4 教學(xué)反思

學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)能夠說明生物通過細(xì)胞呼吸將儲存在有機(jī)分子中的能量轉(zhuǎn)化為生命活動(dòng)可以利用的能量。在學(xué)習(xí)這一次位概念時(shí)，教師提供詳細(xì)的有關(guān)細(xì)胞呼吸的生物學(xué)科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣真正去探索呼吸作用的過程。學(xué)生在分析科學(xué)史的活動(dòng)中，鍛煉歸納與概括能力，發(fā)展思維。