例談生物學重要概念教學中科學思維的運用策略

李學斌

摘要：闡述了在“能量釋放與呼吸”教學中，靈活采用科學方法，引導學生運用遞進思維、歸納實驗、模型建構(gòu)、比較分析等策略，使學生動手動腦，開展科學思維，讓學生在思維碰撞中形成重要概念。

關鍵詞：生物學教學重要概念科學思維策略

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

生物學重要概念處于學科中心位置，對學生學習生物學及相關科學具有重要的支撐作用。“能量的釋放與呼吸”是蘇科版《生物學》七年級上冊內(nèi)容，涉及“在生物體內(nèi)，細胞能通過分解糖類等獲得能量，同時生成二氧化碳和水”和“呼吸系統(tǒng)包括呼吸道和肺，其功能是從大氣中攝取代謝所需要的氧氣，排出代謝所產(chǎn)生的二氧化碳”兩個重要概念。無論是從生物學知識體系角度，還是從學生學科關鍵能力培養(yǎng)的角度看，這部分內(nèi)容都具有舉足輕重的地位。由于初一學生沒有理化基礎，又剛剛接觸生物學不久，理解呼吸作用、能量等抽象概念較為困難。

科學是系統(tǒng)的觀察、實驗與嚴密的邏輯思維相結(jié)合的產(chǎn)物，可見，觀察、實驗和邏輯思維是組成科學方法的重要內(nèi)容。教師要引導學生靈活運用觀察、實驗、邏輯思維、模型建構(gòu)等科學方法，特別是運用邏輯思維中的比較、分類、歸納、演繹、分析、綜合等高級科學方法，引導學生發(fā)展科學思維、理解生物學原理，建構(gòu)重要概念，收到事半功倍的效果。

1遞進思維，引入概念

“能量的釋放與呼吸”屬于教材第三單元“生物從環(huán)境中獲取物質(zhì)和能量”中的內(nèi)容。學生已經(jīng)學習了“綠色植物是有機物的生產(chǎn)者”“人體的物質(zhì)和能量來源于食物”“生物之間的食物關系”等內(nèi)容，對抽象的生物能量概念有了初步的印象。因此，教師提出問題，引入學習：能量對于生物有什么作用？生物體能利用的能量貯藏在哪里？由前面的光合作用及人體消化吸收知識，學生不難理解能量是生物進行生命活動的動力，能夠回憶出生物體生命活動所利用的能量貯藏在淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等有機物中。教師追問：那么，人在什么狀態(tài)下需要能量？能量釋放與什么活動有關？有機物中的能量是如何釋放的呢？

在初一學生“生命活動需要能量、劇烈運動需要更多的能量”等前概念基礎上，教師組織學生測量平靜狀態(tài)和迅速起蹲1min活動后的呼吸頻率，體驗能量釋放與呼吸的關系。學生分析統(tǒng)計的呼吸頻率數(shù)據(jù)，得出“劇烈運動比平靜狀態(tài)呼吸頻率更快”的結(jié)論，進而可以推論：能量消耗越多，呼吸頻率越快。

教師引導學生：為什么劇烈運動時呼吸會加快？呼吸為人體提供了什么？學生聯(lián)系生活常識，知道呼吸是指人或動物吸入氧氣，呼出二氧化碳的過程。教師追問：吸入氧氣和呼出的二氧化碳與能量的釋放有什么關系？植物會呼吸嗎？植物呼吸時，吸入了什么？排出了什么？教師利用層層遞進的問題串，啟迪學生深度思維，牽著學生的思緒，慢慢揭開呼吸作用神秘的面紗。

2探究歸納，揭示概念

2.1人體呼吸氣體成分鑒定

人體呼吸時，吸入氧氣、呼出二氧化碳，雖然是耳熟能詳?shù)某ＷR，但教師還是應該讓學生依據(jù)氧氣可以助燃、二氧化碳可以使澄清的石灰水變渾濁等現(xiàn)象加以驗證。如圖1所示，用口在玻璃管處緩慢地吸氣與呼氣。吸氣時關閉B閥，呼氣時關閉A閥。學生數(shù)次呼吸后，觀察兩只錐形瓶石灰水的變化，從而明確呼吸作用能產(chǎn)生二氧化碳。

教師取兩只大小一樣的廣口瓶，向其中一個廣口瓶中連續(xù)吹氣數(shù)次，用瓶塞塞住，將裝有點燃蠟燭頭的燃燒匙分別伸入兩只廣口瓶中，發(fā)現(xiàn)點燃的蠟燭頭在未做處理的廣口瓶中正常燃燒，而在連續(xù)吹氣的廣口瓶中馬上熄滅。學生得出結(jié)論：人體吸入空氣中氧氣較多，而呼出氣體中氧氣較少。

綜合兩個探究實驗，學生歸納得出結(jié)論：人體呼吸時，吸入氣體中含較多氧氣，呼出氣體中含較多二氧化碳。

2.2植物呼吸氣體探究

教師聯(lián)系種子堆在一起會發(fā)熱的現(xiàn)象，說明生物在呼吸同時可能伴有能量的變化，并引導學生設計實驗來進行探究。教材中使用的實驗材料是菠菜葉，容易給學生造成錯覺：只有植物的葉能進行呼吸作用。

筆者在教學實踐中，對探究實驗做了系列改進：①采集生活中常見的植物根、莖、葉、花、果實、種子等器官實驗材料供學生選用;②組裝一套實驗裝置進行3個探究實驗（探究植物呼吸時吸入氣體、探究植物呼吸時排出氣體、探究植物呼吸時能量釋放情況）。各學生小組自主選擇教師提供的實驗材料，每組選擇一種，分成等量的兩份。一份放在空礦泉水瓶（350mL）中作為實驗組，掛上標簽“A”;一份用開水處理并冷卻后，放在另一同樣的空礦泉水瓶中作為對照組，掛上標簽“B”。每只礦泉水瓶外裹上一層保溫棉（隔熱），用透明膠帶固定，在兩只礦泉水瓶的瓶蓋上鉆大小兩個孔，大孔安上溫度計（溫度計插入瓶內(nèi)植物器官中間），小孔供注射器針頭插入使用，兩孔均用凡士林涂嚴（不漏氣）。實驗小組讀取、記錄初始溫度，并將實驗裝置放在黑暗處一晝夜。

教師組織學生討論：為什么要用開水處理實驗材料？每組探究實驗的變量是什么？為什么要裹上保溫棉？為什么實驗裝置要放在暗處？

探究時，各小組取回本組實驗裝置，首先讀取并記錄兩支試管溫度計數(shù)據(jù)。然后，用醫(yī)用注射器分別抽取兩只礦泉水瓶中的氣體（抽取后密封小孔），分別注入兩支小試管的澄清石灰水中，觀察現(xiàn)象。接著，打開瓶蓋，將點著的衛(wèi)生香分別伸入兩只礦泉水瓶中，觀察現(xiàn)象。

2.3解讀數(shù)據(jù)現(xiàn)象，嘗試歸納概念

各組組長交流匯報完實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)后，教師引領學生分析現(xiàn)象、解讀數(shù)據(jù)，嘗試歸納概念。教師提出問題：A瓶中二氧化碳是怎么來的？氧氣又去了哪里呢？學生討論分析后，得出：新鮮的植物器官消耗了氧氣、產(chǎn)生了二氧化碳;死亡的植物器官沒有消耗氧氣也沒有產(chǎn)生二氧化碳。也就是說，活的植物器官發(fā)生了呼吸，死的植物器官沒有呼吸。

各組實驗統(tǒng)計的溫度數(shù)據(jù)中，A瓶都有不同程度的升高，而B瓶都沒有變化，說明新鮮的植物器官在呼吸時都釋放了熱量。各組盡管選用實驗材料不同，但實驗現(xiàn)象都一樣，說明植物體根、莖、葉、花、果實、種子等任何生活部位，呼吸時都需要消耗氧氣，都會產(chǎn)生二氧化碳，同時都會釋放能量。

至此，教師可以引導學生嘗試歸納呼吸作用的概念，并用概念圖表示。

3模型建構(gòu)，理解概念

模型是人們按照特定的科學研究目的，在某種假設條件下，再現(xiàn)原型客體本質(zhì)特征的物質(zhì)形式或思維形式的類似物。對于難以理解的生物學原理、知識采用模型建構(gòu)，引導學生類比，形成科學概念。人體呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、過程繁雜、原理難懂，如果教師平鋪直敘、照本宣科，學生往往學得云里霧里。筆者在教學中借助物理模型、概念模型等，幫助學生搭建支架，理解概念。

3.1呼吸與呼吸作用概念模型

呼吸與呼吸作用是教學中學生最易混淆的一組概念。教師引導學生建構(gòu)人體呼吸過程模型（圖2），呼吸與呼吸作用概念的區(qū)別與聯(lián)系就一目了然了。

由呼吸過程模式圖可以看出，人體呼吸，即人體細胞從外界獲得氧氣，將細胞內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳排出體外的過程，要經(jīng)過四個階段：肺泡與外界氣體交換、肺泡內(nèi)氣體交換、氣體在血液中運輸、組織內(nèi)氣體交換。呼吸作用發(fā)生在細胞內(nèi)，即氧氣進入細胞后，分解有機物產(chǎn)生二氧化碳和水，同時釋放能量供生命活動需要。

3.2呼吸運動物理模型

呼吸運動是指由脊柱、肋骨、胸骨組成的胸廓有節(jié)律地擴大、縮小。胸廓肋骨間由肋間肌，底部有膈肌，構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)，包在肺的外面。教材這樣描述呼吸過程：吸氣時，肋間外肌收縮，肋骨上升，膈肌收縮，隔頂部下降，胸廓容積增大，肺也隨著擴張，外界空氣進入肺;呼氣時膈肌舒張，隔頂部上升，肋間外肌舒張，肋骨下降，胸廓容積縮小，肺隨著回縮，肺內(nèi)氣體排出體外。

胸廓如何擴大、縮小呢？初一學生沒有相應物理知識及立體幾何基礎，對這一部分知識，教師道不明，學生也理不清。如果實施活動體驗和模型教學，學生理解起來就容易多了。體驗呼吸過程活動如下：學生一手輕輕放在胸部下側(cè)，另一只手放在鼻腔前，緩慢吸氣和呼氣。吸氣時，胸廓擴大，呼氣時，胸廓縮小。教師利用自制的教具（圖3和圖4）模擬胸廓模型來演示肋骨運動和膈肌運動。

通過概念模型、物理模型，學生清楚理解呼吸與呼吸作用的區(qū)別與聯(lián)系，明確呼吸運動時肺內(nèi)氣體與外界氣體進行交換的過程。

4比較分析，內(nèi)化概念

比較是人們根據(jù)一定的認識和實踐目的，把一事物與其他事物的屬性和特征加以比較，以確定事物之間的共同點和差異點的思維方法。一般來說，在相異的對象間探求相同點，在相同的對象間探求相異點，能夠更好地認識和把握事物，同時更好地訓練學生的求同、求異思維。

“能量的釋放與呼吸”一章內(nèi)容，出現(xiàn)了許多相似易混概念，教師要引導學生對相應的概念進行比較辨析，有助于學生糾正錯誤的前概念，厘清概念的內(nèi)涵、外延，準確理解、消化吸收重要概念。

4.1糾正概念

通過課前調(diào)查得知，學生認為人體呼吸時呼出氣體不含氧氣，全為二氧化碳氣體。因此，在學生驗證人體呼吸氣體成分實驗時，教師應及時出示人體吸入氣體與呼出氣體成分含量表（表1），啟發(fā)學生比較分析，從而促進學生真正理解氣體的擴散作用：肺泡內(nèi)氣體與肺泡壁外毛細血管血液中氣體交換時，肺泡內(nèi)氧氣并沒有全部進入血液，血液中二氧化碳也沒有全部從血液進入肺泡內(nèi)。

另外，學習前，學生原來以為呼吸是陸生動物和人從空氣中獲取氧氣、排出二氧化碳的過程。通過比較分析，學生知道植物也要呼吸，也能從空氣中獲取氧氣、排出二氧化碳;水生動物也要呼吸，也能從水中獲取氧氣、排出二氧化碳。

4.2明晰過程

教學中，借助于模型、模式圖、概念圖，通過比較分析呼吸、呼吸運動、呼吸作用等概念，學生理解了呼吸是生物體細胞與外界交換氣體的過程，呼吸作用和呼吸運動的關系與區(qū)別。人體肺部與外界氣體交換過程是學習的難點，教師在借助圖3、圖4所示，模型模擬教學的同時，出示人體平靜狀態(tài)下呼吸過程表（表2），引領學生邊觀察操作模型，邊填寫表格，逐次講解、層層深入，突破難點。

4.3厘清內(nèi)涵

教師提醒：在探究植物各器官呼吸作用時，各組裝置都要置于黑暗環(huán)境中，是為了避免植物光合作用產(chǎn)生氣體對實驗的干擾。至此，可以組織學生討論植物六大器官，哪些器官在光下會發(fā)生光合作用產(chǎn)生干擾？然后，引導學生列表比較呼吸作用與光合作用（表3）。通過比較，進一步厘清光合作用、呼吸作用概念內(nèi)涵，進一步明了光合作用、呼吸作用原理在糧食蔬菜生產(chǎn)、貯存中的靈活運用。

總之，在生物學教學中，教師要因時、因地制宜，巧用科學方法，開動思維機器，通過實驗探究、模型建構(gòu)、比較分析，讓學生動手動腦，在思維碰撞中，理解、內(nèi)化生物學重要概念。