情境引領下的“細胞的能量供應和利用”的單元整體教學

摘 要：本文以“啤酒釀造的過程”作為情境貫穿，對“細胞的能量供應和利用”前三節(jié)內(nèi)容展開單元整體教學設計，基于麥芽的選擇、糖化和發(fā)酵的操作等具體場景提出問題，引導學生在任務驅(qū)動下構(gòu)建重要概念，從而解釋和解決真實問題，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：單元教學；細胞的能量供應和利用；核心素養(yǎng)

文章編號：1003-7586（2024）06-0078-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 單元教學內(nèi)容分析及設計思路

細胞中時刻發(fā)生的各種反應統(tǒng)稱為細胞代謝，反應中物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化相互依存，因此細胞代謝離不開酶的作用。依據(jù)《普通高中生物學課程標準（2017 年版 2020年修訂）》的內(nèi)容要求“細胞的能量供應和利用”單元對于學生構(gòu)建概念“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”具有重要意義。通過對此內(nèi)容的學習，學生可以理解絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應的蛋白質(zhì)，列舉酶活性的影響因素，解釋ATP是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)，說明生物體通過細胞呼吸，將儲存在有機分子中的能量轉(zhuǎn)化為生命活動可以利用的能量。達成指向物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念的教學目的。

本文以“啤酒釀造”作為真實情境引入單元整體教學設計：探究酶的作用、特性和影響酶活性的因素，理解酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸，從而解釋生產(chǎn)中的現(xiàn)象，不僅能更好地激發(fā)學生的學習熱情，突出學生的主體地位，幫助學生基于生活經(jīng)驗完成學科概念新知的構(gòu)建。^［1］該方法也有利于培養(yǎng)學生將理論與實際聯(lián)系的社會責任感，進而運用結(jié)構(gòu)化的知識體系解決情境問題，對啤酒釀造的工藝作出解釋、思考并提出建議。

2 單元教學目標

（1）從麥芽制備過程中的有機物含量變化分析，認同細胞代謝離不開酶的科學觀念，在此基礎上設計并實施實驗，探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，結(jié)合探索酶本質(zhì)的資料梳理，從酶的來源、作用和化學本質(zhì)三方面進行概括，從科學史的學習中認識到科學是在曲折中前進的，增加對科學本質(zhì)的理解。

（2）通過了解啤酒釀造時的糖化操作過程中對溫度和pH值的控制，提出影響酶活性的因素，設計實驗探究溫度和pH值對酶活性的影響，通過實驗結(jié)果分析，概括酶的作用條件和特點；結(jié)合酶制劑在啤酒釀造中的應用，說明酶的作用具有專一性，并設計實驗探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用，聯(lián)系酶在生活中的應用，認同科學技術和社會的緊密聯(lián)系。

（3）通過實驗設計探究細胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，從結(jié)構(gòu)和功能的角度解釋“ATP是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)”。

（4）比較酵母菌在啤酒釀造和飼料生產(chǎn)中的應用，通過實驗探究酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸，說出細胞呼吸的類型及其產(chǎn)物的區(qū)別。概括有氧呼吸三個階段的場所、物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化，比較無氧呼吸和有氧呼吸，說明無氧呼吸兩個階段的發(fā)生過程。歸納細胞呼吸的概念，并運用所學知識解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。

（5）通過探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用，影響酶活性的因素，探究酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸等活動，學會依據(jù)探究問題設計對照實驗，控制自變量和無關變量，觀察和檢測因變量，交流分享實驗結(jié)果，分析、比較、歸納現(xiàn)象并得出結(jié)論，發(fā)展科學思維和探究能力。

3 主要單元教學過程

3.1 絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應的蛋白質(zhì)

教師創(chuàng)設“啤酒釀造”情境，介紹啤酒釀造的原料、流程和原理，結(jié)合小麥發(fā)芽過程中有機物含量的變化曲線，說明細胞代謝離不開酶。提出任務一：酶具有什么作用？如何探究酶的作用？教師組織學生設計實驗，通過探究過氧化氫在不同條件下的分解過程，歸納認同酶具有催化作用，且與無機催化劑相比，酶催化具有高效性的特點。在此基礎上，提供資料，引導學生分析酶的作用機理“降低化學反應的活化能”，從原理上解釋酶的高效性。

教師利用教材“思考·討論”中的“關于酶本質(zhì)的探索”資料，引導學生以圖解的方式梳理相關科學史，結(jié)合麥芽中含有淀粉酶，進而歸納酶的定義：酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。

3.2 酶活性受到環(huán)境因素的影響

教師展示啤酒釀造中糖化操作的視頻，由視頻中控制溫度和pH值的做法提出問題：為什么要控制反應時的溫度和pH值？基于此開展任務二：探究溫度和pH值對淀粉酶活性的影響。引導學生分析實驗的自變量、因變量和無關變量，設計并實施實驗方案，最后對結(jié)果進行交流討論，對誤差原因進行分析，匯總數(shù)據(jù)繪制曲線，最終得出實驗結(jié)論：存在一個最適溫度/pH值使酶的活性最高，當溫度/pH值過高或過低時，酶的活性都會明顯下降。

引導學生從酶的本質(zhì)出發(fā)，思考高溫和低溫、過酸和過堿分別對酶活性有什么影響。從結(jié)構(gòu)和功能的角度說明，蛋白質(zhì)的生物學活性依賴于一定的空間結(jié)構(gòu)，高溫、過酸、過堿會破壞酶的空間結(jié)構(gòu)使酶徹底失活；低溫只是抑制酶的活性，沒有破壞其空間結(jié)構(gòu)，溫度升高，酶的活性就會恢復。

教師展示啤酒釀造工藝流程圖，補充不同溫度對不同淀粉酶活性的影響曲線圖并提出問題：為什么需要在不同的操作環(huán)節(jié)中設置不同的溫度條件？為什么不同階段人工添加的酶制劑不同？引導學生說明不同酶反應的最佳溫度條件不同，不同階段的反應物不同，因此需要使用不同種類的酶。在此基礎上提出任務三：探究酶具有專一性。組織學生設計并開展探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用實驗，分析實驗結(jié)果，并總結(jié)酶的特性具有專一性：一種酶只能催化一種或一類化學反應，并基于鎖鑰學說辨析相關模型與酶促反應中物質(zhì)的對應關系。

教師由酶制劑在釀酒行業(yè)上的應用，延伸補充酶在其他生產(chǎn)生活領域的應用，引導學生自覺認同科學技術服務社會生產(chǎn)的理念，樹立運用所學知識造福人類的社會責任感。

3.3 ATP是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)

教師由啤酒釀造的糖化操作引出問題：細胞中的糖類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)儲存著化學能，葡萄糖是驅(qū)動酵母菌在內(nèi)的細胞生命活動的直接能源物質(zhì)嗎？引導學生基于螢火蟲發(fā)光需要細胞提供能量的情境，設計實驗探究細胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，根據(jù)事實證據(jù)得出結(jié)論：ATP是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)。基于此提出任務四：為什么ATP是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)？組織學生閱讀提取教材和相關資料中的信息，繪制構(gòu)建ATP的結(jié)構(gòu)模型，理解ATP是一種高能磷酸化合物，最終認同ATP的結(jié)構(gòu)與其功能相適應。

教師在ATP的結(jié)構(gòu)模型基礎上，引導學生構(gòu)建ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的模型，結(jié)合具體實例分析、歸納、概述ATP形成過程中所需能量的主要來源及意義，以及ATP水解產(chǎn)生的能量的用途和意義，解釋ATP是“能量貨幣”。

3.4 生物通過細胞呼吸將儲存在有機分子中的能量轉(zhuǎn)化為生命活動可以利用的能量

教師通過比較啤酒釀造的發(fā)酵過程和培養(yǎng)酵母菌的操作過程提出問題：為什么都是培養(yǎng)酵母菌，有的需要通風，有的卻需要密封？補充酵母菌作為兼性厭氧菌的特點，組織學生開展任務五：探究酵母菌的細胞呼吸方式。學生對實驗的自變量、無關變量和因變量進行分析，設計方案并開展相應探究，觀察現(xiàn)象并最終得出結(jié)論：酵母菌在有氧和無氧條件下都能進行細胞呼吸。有氧條件下，酵母菌通過有氧呼吸產(chǎn)生大量的二氧化碳和水；無氧條件下，酵母菌通過無氧呼吸產(chǎn)生酒精以及少量的二氧化碳。引導學生對實驗過程進行概括總結(jié)，歸納對比實驗的意義和流程。

教師基于酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸的探究結(jié)果，提出問題：細胞呼吸的場所在哪里？有氧呼吸和無氧呼吸經(jīng)歷了哪些過程？這些過程中物質(zhì)和能量如何變化？結(jié)合以上問題開展任務六：構(gòu)建細胞的有氧呼吸流程圖。之后提供實驗資料，引導學生分析現(xiàn)象，逐一概括有氧呼吸三個階段的場所、反應物、產(chǎn)物情況，繪制有氧呼吸的模式圖并進行交流討論，完善模型。

教師展示無氧呼吸的模式圖，引導學生以表格形式概括無氧呼吸兩個階段的特點，并通過對比自主概括細胞呼吸的概念：細胞呼吸是指有機物在細胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解過程，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放能量并生成 ATP 的過程。學生運用本節(jié)所學知識“細胞呼吸原理的應用”，討論細胞的呼吸原理在生產(chǎn)生活中還有哪些體現(xiàn)。

4 單元教學反思

單元教學強調(diào)整體性，以情境貫穿，以問題為導向。^［2］其中，概念的構(gòu)建是教學走向整體轉(zhuǎn)化的關鍵。教師基于重要概念創(chuàng)設單元整體情境，依據(jù)學生的認知水平和認知規(guī)律，結(jié)合具體的場景設置并開展以學生為主體的子任務。通過實驗設計、探究實踐、資料的歸納梳理和交流討論，在活動中提煉次級概念，做好概念關系的整理，形成重要概念的關系框架，并運用所學解釋并解決情境中的問題，即時體現(xiàn)學習效果的評價。

情境來源于生產(chǎn)和生活，避免了課時情境與單元情境的弊端，實現(xiàn)單元情境脈絡與課時情境背景的統(tǒng)一，加強課時情境和內(nèi)容之間的聯(lián)系，有利于學生構(gòu)建整個單元的知識和概念體系，體現(xiàn)學生的主體地位。此外，問題從情境中來，知識解釋問題，體現(xiàn)了科學、技術和社會間的聯(lián)系，促進學生自覺認同科技造福人類，運用所知所會改造世界的社會責任感，也能夠更好地促進學生的深度學習，形成理性思考、嚴謹分析的科學思維和習慣，從而發(fā)展學科核心素養(yǎng)，體現(xiàn)生物學學科獨特的育人價值。

參考文獻

［1］ 錢仁凱，程國勝.境脈引領下的“免疫調(diào)節(jié)”單元整體教學設計［J］.中學生物學，2022， 38（6）：4．

［2］ 吳開其，魏詩琴，崔鴻. 以“概念—情境—問題”為中心的單元整體教學［J］.中學生物教學，2023（4）：26-29.