基于科學史實的“呼吸作用的過程”概念教學設計

施劍杰

（江蘇省宿遷中學 江蘇宿遷 223800）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》在教學建議中建議教師在生物學教學中應“注重生物科學史和科學本質的學習，學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)是很有意義的”。基于此，下文以2019年版人教版高中生物學教材《必修1·分子與細胞》中第五章“細胞的能量供應和利用”第三節(jié)“細胞呼吸的原理和應用”的“有氧呼吸和無氧呼吸”內容為例，以生物科學史為載體貫穿整個教學過程，引導學生主動構建出細胞呼吸這個概念，落實生物學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 教材分析

人教版高中生物學教材《必修1·分子與細胞》第五章第三節(jié)“細胞呼吸的原理和應用”第二部分是“有氧呼吸和無氧呼吸”。該部分內容從物質和能量變化的角度進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）與后面的細胞分裂、細胞分化、蛋白質合成、DNA復制等知識相聯(lián)系，與生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)、能量流動等知識也相聯(lián)系。因此，本節(jié)內容在整個高中生物學教學中具有重要的作用和地位。學習本節(jié)內容不僅能幫助學生掌握呼吸作用的具體過程，也有助于學生把呼吸作用的原理應用到生產(chǎn)生活實踐中，解決現(xiàn)實生活中與呼吸作用相關的問題。

2 教學目標

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

②通過閱讀、分析生物科學史實資料，依托問題驅動，逐步認同無氧呼吸和有氧呼吸過程中的物質變化和能量變化，訓練科學思維。

③通過了解生物科學史，認同科學研究是艱辛的，崇尚科學家們對待科學的態(tài)度。

3 教學過程

3.1 創(chuàng)設真實情境，導入新課

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

3.2 依托科學史資料群，初步形成無氧呼吸概念

教師展示資料，為學生學習“無氧呼吸”提供科學史背景。

資料1：人們從很早開始就已經(jīng)會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世紀后半葉才開始的。1905年，英國化學家哈登和揚發(fā)現(xiàn)乙醇發(fā)酵需要一些酶的作用，沒有這些酶發(fā)酵無法進行，且這些酶都存在于細胞質基質中。此后經(jīng)過20年的努力，科學家終于搞清了發(fā)酵的全過程。中間產(chǎn)物有丙酮酸，且這個中間過程中有ATP和[H]的生成。

資料2：1933年德國的生物化學家愛姆勃登、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。

教師展示細胞質基質中的物質和能量轉化圖，結合資料，設置以下任務：①分析資料1，說明葡萄糖發(fā)酵發(fā)生的場所，小組合作寫出化學反應式。②閱讀資料2，說出糖酵解的另外一種形式，小組合作寫出化學反應式。③小組討論無氧呼吸中能量變化和去路的途徑。學生分析以上2個無氧呼吸科學史資料，得出“無氧呼吸是葡萄糖經(jīng)過一系列反應產(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”“無氧呼吸反應場所在細胞質基質”這四個小概念。接著，教師引導學生整合這些小概念，從反應物、生成物、反應條件、場所4個方面對無氧呼吸的概念進行歸納，再通過讓學生觀察細胞質基質中物質和能量變化圖，引導學生構建出完整的無氧呼吸的概念，為后面構建呼吸作用的次位概念做鋪墊。

3.3 依據(jù)科學史實資料群，構建有氧呼吸概念

教師呈現(xiàn)資料，為“有氧呼吸”提供學習背景。

資料3：1937年，德國化學家漢斯·克雷布斯在前人研究的基礎上，總結出糖類在細胞內是按特定的順序發(fā)生化學反應，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)催化上述反應的脫羧酶存在于線粒體基質中。

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，科學家用超聲波將線粒體嵴打成碎片。這些碎片會自動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。

教師展示細胞質基質和線粒體中的物質和能量轉化圖，提出問題：①結合資料3，小組討論總結有氧呼吸第二階段的反應式；②結合資料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，小組討論總結氧化磷酸化即有氧呼吸第三階段的反應式；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，結合資料3、4、5、6總結有氧呼吸的特點。

學生通過對以上4個有氧呼吸科學史資料的分析，先得出了3個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，教師引導學生對這三個小概念從有氧呼吸反應物、生成物、反應條件、場所等方面進行歸納整合，再讓學生觀察細胞質基質和線粒體中的物質和能量變化圖。據(jù)此，學生能夠逐步得出有氧呼吸作用總反應式，構建出完整的有氧呼吸概念，為后面構建呼吸作用的次位概念做充分的鋪墊。

3.5 構建呼吸作用的概念

教師首先引導學生從反應場所、反應條件、分解產(chǎn)物、能量釋放、ATP產(chǎn)生階段這些方面嘗試設計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比較

之后，教師引導學生使用課前發(fā)放的小黑板和物質卡片，構建出呼吸作用過程概念圖（圖1），并請一個小組展示成果。

圖1 學生構建的呼吸作用概念圖

在此基礎上，學生歸納出無氧呼吸和有氧呼吸的共性，構建出細胞呼吸的概念：細胞呼吸指有機物在細胞內經(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 教學反思

學生通過本節(jié)課的學習能夠說明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。在學習這一次位概念時，教師提供詳細的有關細胞呼吸的生物學科學史，引導學生像科學家一樣真正去探索呼吸作用的過程。學生在分析科學史的活動中，鍛煉歸納與概括能力，發(fā)展思維。