基于“大概念”理念的科學史生物學教學設計
——以“需氧呼吸”為例

商 爽

（浙江省紹興市魯迅中學，浙江紹興 312030）

引 言

高中生物學教學內(nèi)容細碎繁雜，部分教師在教學中只注重落實具體知識點，而忽略了知識的關聯(lián)性。這導致學生學習生物學只能依靠死記硬背和反復練習，無法形成完整的知識體系，認知能力無法得到提升，學科核心素養(yǎng)無法獲得長期發(fā)展[1]。利用科學史進行教學設計是高中生物教學中常用的教學方法。由于科學研究具有繼承性和創(chuàng)新性，科學史教學中通常采用遞進式探究模式，但該模式存在無法整合零散生物學概念的問題。

一、基于“大概念”理念的科學史

2014年9月，《以大概念的理念進行科學教育》中明確指出：科學教育應圍繞涉及重要科學領域的、有結(jié)構、有聯(lián)系的科學核心概念和模型，即“大概念”來進行學習。教師在利用科學史的教學中，可重新整合歷史上的經(jīng)典實驗與證據(jù)，引導學生圍繞同一大概念下的不同概念及不同大概念間的聯(lián)系進行學習和探究，將零散的知識點重新歸納整合，讓學生形成對生物學科的整體認知，有效發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

二、利用“大概念”理念的科學史進行教學設計的案例

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出，在“分子與細胞”這一模塊教學時，應從“細胞是生物體結(jié)構與生命活動的基本單位”“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”兩個大概念展開。因此，在設計本節(jié)教學時，筆者從實際情境入手，借助科學史，緊緊圍繞“大概念”構建概念體系，讓學生通過實驗觀察、實驗設計、模型構建等方式，尋找解決問題的出路，有利于教學活動整體目標的實現(xiàn)。

（一）學習目標

認同生物學概念是基于科學事實，經(jīng)過論證形成的；能利用科學史，采用科學思維設計實驗、分析結(jié)果與結(jié)論；能利用科學史，使用文字、圖片等恰當方式構建概念模型，理解生物學概念間的聯(lián)系。

（二）學習內(nèi)容分析

“細胞需氧呼吸”屬于必修1模塊第二個大概念下的次級概念“細胞的功能絕大多數(shù)基于化學反應，這些反應發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”。對于需氧呼吸的教學，應圍繞大概念和次級概念，充分利用線粒體等前概念作用，構建并完善新的概念體系。

（三）教學流程圖（見圖1）

圖1

（四）教學過程

1.創(chuàng)設情境，引發(fā)疑問

【設問1】細胞中最重要的能源物質(zhì)是什么？

學生實驗：葡萄糖燃燒實驗和酵母菌氧化分解葡萄糖實驗（裝置見圖2）。

【設問2】在葡萄糖燃燒實驗和酵母菌氧化分解葡萄糖的實驗中，物質(zhì)和能量分別發(fā)生了什么變化？哪個速率更快？

設計說明：通過觀察和對比實驗現(xiàn)象，辨析細胞需氧呼吸與燃燒的相同點和不同點，理解需氧呼吸的概念。

2.設計探究，梳理概念

【設問3】細胞需氧呼吸和能量代謝的中心是哪里？

【資料1】1913年，O·瓦勃研究線粒體，發(fā)現(xiàn)它能夠消耗氧氣，并且含有氧化有機物的酶，命名為呼吸酶。

過渡：酵母菌利用氧氣，分解葡萄糖的過程是否是由線粒體來完成的？

【資料2】探究線粒體是否是氧化分解葡萄糖的場所的實驗及結(jié)果（見圖3）。

圖2

圖3

【設問4】實驗結(jié)果說明什么問題？

過渡：線粒體能氧化有機物，消耗氧氣，但不能利用葡萄糖，這說明還有其他細胞結(jié)構參與了葡萄糖的氧化分解。

活動：設計實驗探究細胞何種結(jié)構與線粒體共同完成葡萄糖的氧化分解。

實驗器材：破碎的細胞勻漿（含有各種細胞結(jié)構）、線粒體懸液、適宜濃度的葡萄糖溶液、NaOH溶液、澄清石灰水、通氣氣泵、裝有帶孔橡膠塞的三角瓶若干、連接用玻璃管和橡皮管若干。

要求：畫出探究裝置示意圖，標注加入的溶液，并說明設計思路、預期實驗結(jié)果與結(jié)論。

設計說明：學生已有的前概念“線粒體是細胞需氧呼吸和能量代謝的中心”與“線粒體不能利用葡萄糖”的探究結(jié)果形成認知沖突，激發(fā)了學生的學習興趣。圍繞大概念與次級概念進行實驗設計，證實“細胞溶膠和線粒體共同完成需氧呼吸”，有助于學生形成概念體系，提升其科學探究核心素養(yǎng)。

3.基于史實，構建模型

【資料3】（1）20世紀初期，科學家發(fā)現(xiàn)葡萄糖在細胞溶膠中經(jīng)一系列化學反應生成丙酮酸（C3H4O3），該過程不消耗O2，不產(chǎn)生CO2。丙酮酸可進入線粒體繼續(xù)被氧化分解。（2）1935年，克雷布斯探明了丙酮酸在線粒體中經(jīng)一系列化學反應被氧化分解為CO2的全過程。其相關的酶位于線粒體基質(zhì)中（少量在嵴上），該過程不消耗O2。（3）1934年和1940年，發(fā)現(xiàn)兩種攜[H]（本質(zhì)是H+和e-）的特殊分子在細胞呼吸中發(fā)揮重要作用。19世紀60年代，科學家發(fā)現(xiàn)攜[H]的特殊分子可釋放[H]，其中e-將沿著線粒體內(nèi)膜上的一系列物質(zhì)傳遞，并最終傳給氧氣，與H+結(jié)合后生成水。

活動：利用資料3，根據(jù)元素守恒規(guī)律，構建細胞需氧呼吸過程的簡圖模型。

設計說明：利用科學史，圍繞大概念“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”，構建并完善需氧呼吸過程，培養(yǎng)學生生物學科素養(yǎng)中的生命物質(zhì)平衡觀。

4.合理推導，小結(jié)完善

【設問5】需氧呼吸的三個階段均釋放能量嗎？

追問：釋放的化學能是否都轉(zhuǎn)化成為細胞可利用的能量？酵母菌進行需氧呼吸的意義是什么？

設計說明：圍繞大概念“細胞的生存需要能量”，理解細胞需氧呼吸是為了獲得可利用的能量，并分析需氧呼吸各階段的能量轉(zhuǎn)化情況，進一步強化核心素養(yǎng)中的物質(zhì)和能量觀。

5.重新設疑，激發(fā)興趣

學生實驗：探究實驗瓶散出的氣味。

【設問6】你聞到了什么味道？為什么會有這一味道？

設計說明：激發(fā)學生對“厭氧呼吸”的探究興趣，促進不同概念間的聯(lián)系。

結(jié) 語

綜上所述，以“大概念”理念為指導，將科學史引入課堂，設計探究活動，構建概念模型，可以取得較理想的教學效果。由此可見，利用以“大概念”理念為指導的科學史開展生物教學設計，有利于學生核心素養(yǎng)的長期發(fā)展，能夠更好地使學生形成生物學習體系，為其后續(xù)學習奠定基礎。