基于模型建构的深度合作学习——以“细胞呼吸”的一轮复习为例

云南 赵 剑 祁 云

近年来的高考生物试卷中，有关模型、建模以及在此基础上进行推理、分析的试题出现频率很高。人教版高中生物学教材中存在着大量模型资源，在高考复习过程中，基于学生已有经验，深度挖掘并充分利用课本模型资源，指导学生自主分析、建构和运用模型去解决生物学疑难问题，对顺利达成教学目标，提高学生科学思维及科学探究的能力都起到积极的促进作用。

1.学情分析

细胞呼吸是生物体内一系列连续的生理生化反应过程，《普通高等学校招生全国统一考试大纲》对说明细胞呼吸作用的过程、探讨其原理及生产生活中的应用、探究酵母菌的呼吸方式的要求均为理解水平。

尽管学生在初中和高一阶段已经打下了一定的学习基础，但对于学生而言，这部分的内容还是比较抽象。模型是对认识对象所做的一种简化的、概括性的描述，可以比较直观地帮助学生理解核心概念的内涵与外延、理解相应代谢的本质。模型变式、模型运用等方式，可以提高学生图文转换、知识迁移和语言表达的能力，提高学生的学科核心素养。细胞呼吸内容涉及的知识点与学生的生产、生活实践联系非常紧密，可以解释很多学生身边常见的现象，有利于激发学生的学习兴趣和积极性，容易使学生获得成就感。

2.复习目标

生命观念：线粒体结构和功能的统一；储存在有机物中的能量通过细胞呼吸转化为生物体生命活动利用的能量。

科学思维：建构有氧呼吸和无氧呼吸过程的概念模型；归纳、总结有氧呼吸和无氧呼吸的概念；建构数学模型分析影响细胞呼吸的内、外因素。

科学探究：通过建构探究细胞呼吸方式的物理模型，培养学生实验设计及科学探究的创新能力；总结细胞呼吸类型的判断方法。

社会责任：运用细胞呼吸的原理来解释生产、生活中的实际问题。

3.复习过程

【引入】“白肺”，是经常出现在“新冠肺炎”疫情中的词语，是指在X 光检查下肺部显影呈现大片白色。出现“白肺”，一般意味着肺部有严重感染，症状一旦出现，患者可能会因呼吸衰竭而死亡。

【设问】高等动物的呼吸和细胞呼吸是同一概念吗？

【设计意图】引入社会和生活中的热点问题，可以激发学生的学习兴趣，增强社会责任感，提高使命担当意识；对高等动物的呼吸和细胞呼吸进行比较，可以得出人们常说的呼吸是指外呼吸，细胞呼吸的本质是分解有机物，提供生物体生命活动所需的能量。

教师在指导学生区分呼吸和细胞呼吸两个概念间关系的基础上，揭示本课复习课题。

根据细胞呼吸过程中是否有氧气参与，分为有氧呼吸和无氧呼吸两类（学生默写细胞呼吸相关的反应式）。

3.1 建构物理模型，探究细胞呼吸方式

细胞呼吸很难直接观察，师生可以借助一些特殊的装置来检测细胞呼吸的发生方式。

3.1.1 探究酵母菌细胞呼吸方式

【聚焦原模】

引导学生复习“探究酵母菌细胞的呼吸方式”的模式生物——酵母菌的特点，参照课本上的实验原模，分析实验的自变量、无关变量，由此启发学生回忆如何设置对比实验、如何选择恰当的观测指标。以小组合作探究的方式，设计探究酵母菌细胞的呼吸方式的实验改进模型（图1），在导学案上绘制装置图并对关键内容进行标注（有色液滴移动法）。

图1 探究酵母菌细胞的呼吸方式物理模型（参考）

在小组合作过程中教师对不同组的装置进行针对性地指导，小组间交换导学案并提出修改意见，选出小组代表进行装置展示，并根据以下问题进行汇报：

①如何通过对比实验控制有氧条件和无氧条件？

②鉴定有无CO2和酒精产生依据的原理是什么？

③如何描述实验现象和实验结论？

小组展示时，教师鼓励其他小组的学生提出问题、大胆质疑，双方可就一些疑难问题展开辩论、求证，最后评选出最佳设计方案。

【完善实验设计】

进一步思考：①如何排除实验装置中CO2和酒精的产生是由于葡萄糖溶液的纯化学反应的错误观点？（将装置中的酵母菌和葡萄糖混合液替换为纯葡萄糖溶液，检测溶液中是否含有酒精，观察有色液滴移动情况。）

②如果发现纯葡萄糖溶液装置中有色液滴也发生了移动，可能的原因是什么？（实验所用的葡萄糖溶液没有煮沸，可能存在其他微生物的呼吸作用干扰实验结果，也可能是气压等因素的变化所导致。）

【设计意图】物理模型能将抽象的概念直观化，通过实验原模的改进引导学生快速复习课本经典探究实验，形成对教材实验的再认知。小组汇报过程，训练了学生的协调合作能力和语言表达能力。开放性实验模型的建构，深化了学生对细胞呼吸相关知识的理解。

【思考】探究酵母菌细胞呼吸方式的实验模型能否用来探究植物细胞的呼吸方式？

【分析】能。探究绿色植物细胞的呼吸方式，需要将培养液替换为绿色植物，整个装置要进行遮光处理，防止植物光合作用对细胞呼吸进行干扰；探究植物非绿色器官的细胞呼吸方式，则不需要进行遮光处理；两者都需要设计修正装置来排除微生物呼吸作用和气压等因素变化对实验结果的干扰。

3.1.2 探究植物细胞呼吸方式

【建构模型】

确认某植物的呼吸作用类型，应至少设置两套呼吸装置，如图2中装置甲、装置乙所示（以发芽种子为实验材料）。

图2 探究植物细胞呼吸方式物理模型（参考）

【原理】装置甲中NaOH 溶液的作用是吸收细胞呼吸产生的CO2，红墨水移动的距离代表细胞呼吸吸收的O2量；装置乙中红墨水移动的距离代表细胞呼吸产生的CO2量与吸收的O2量的差值。根据单位时间内红墨水移动的距离，该实验装置还可以测定细胞呼吸速率。

【校正误差】为了修正种子表面微生物的呼吸作用和气压等因素变化引起的误差，需设置图2 中的装置丙（除将装置中生物材料换为等量同种杀死的生物材料外，其余均与装置乙相同）。

【思维拓展】细胞呼吸过程中一定会伴随气体的变化吗？细胞呼吸的实质是什么？

【分析】细胞呼吸产生乳酸时没有气体的变化，不能通过上述装置来检测。

细胞呼吸的实质最主要是释放有机物中储存的能量供生物体的生命活动利用，CO2、H2O、酒精、乳酸等其实都是细胞呼吸的副产品。据测定，1mol 葡萄糖体外燃烧和体内彻底氧化所释放的能量都是2870kJ。细胞有氧呼吸释放的能量是在温和的条件下逐步而缓慢地放出，其中1161kJ 左右的能量转移到ATP 中，大概生成38mol ATP，其余绝大多数能量以热能形式散失，但生物体都可以利用，葡萄糖在体外燃烧、爆炸时，大量能量瞬间被剧烈地释放，生物体无法利用。

【设计意图】通过装置甲和装置乙中液滴移动情况的对比及装置丙实验误差的修正，引导学生学会判断细胞呼吸的类型，明确细胞呼吸无论是在有氧条件下还是无氧条件下都能将有机物中储存的能量释放出来，进而提高学生的科学思维能力。

3.2 建构概念模型，将细胞呼吸过程系统化

【聚焦原模】

引导学生在导学案给出的细胞中绘制线粒体亚显微结构简图，标出线粒体各部分的名称。

【小组活动】对照课本中的有氧呼吸过程原模，依照各阶段的发生次序，引导学生从场所、条件、物质变化、能量变化等方面在细胞（线粒体）中自主建构细胞呼吸过程模型，并写出有氧呼吸三个阶段的反应式。

以小组为单位互评细胞呼吸过程模型及相关反应式，教师点评，讲解示范。

图3 细胞呼吸过程概念模型（参考）

总结有氧呼吸和无氧呼吸的概念，写出有氧呼吸和无氧呼吸的相关总反应式，标注总反应式中各种元素的来源和去向，说明反应物消耗的场所和生成物产生的场所。

【小结】设计表格阐述有氧呼吸与无氧呼吸的联系和区别，提升对两个过程的理解和识记水平，总结细胞呼吸的概念和意义。

【注意】①无氧呼吸与有氧呼吸第一阶段完全相同，无氧呼吸第二阶段不产生ATP，消耗第一阶段产生的[H]。②无氧呼吸产生乳酸或产生酒精和CO2，人体细胞无氧呼吸的产物是乳酸，CO2的生成只能来自有氧呼吸。

【设计意图】构建概念模型是梳理知识内容较为重要的方法，不仅可以总体呈现章节的核心知识内容，而且可以兼顾知识之间的联系，尤其是在学习有关生理部分的知识时，可以直观地呈现细胞中的生理阶段、物质变化和反应场所，使抽象、复杂的过程变得形象、具体。细胞呼吸过程的模型建构，深化了学科核心素养中的物质与能量观，培养了学生归纳与概括的科学思维。

3.3 利用数学模型，将逻辑思维缜密化

细胞呼吸受内部因素和外界因素的共同影响。内部因素主要是由生物体的遗传特性决定，表现在不同种类的植物、同种植物不同的生长发育时期、同一植物不同器官的细胞呼吸速率都是不同的；外界影响因素主要包括O2浓度、CO2浓度、温度及水分等。

教师可引导学生以小组为单位建构坐标曲线图模型、柱形图模型，再通过两者的比较和转换，进而直观地表现出影响细胞呼吸的各种因素。

【建构模型】

以外界环境中O2浓度对植物细胞呼吸的影响为例。

【模型描述】没有O2时，植物细胞只进行无氧呼吸，随着O2浓度的增加，其对无氧呼吸的抑制作用加强，当O2浓度达到一定值时，无氧呼吸完全被抑制，有氧呼吸随着O2浓度的增大而逐渐增强。

要求学生以横坐标为自变量，纵坐标为因变量，自主建构坐标曲线模型，并着重关注模型中关键点的含义、模型的曲线变化特点及曲线图模型与柱形模型间的对应关系等。

【说明】图4 中Q、A、P 大概分别对应图5 中的a、c、d 的O2浓度，图5 中b 的O2浓度对应于图4 中QA 间的某一点；b 的CO2总产生量是8，有氧呼吸产生CO2的量为3，无氧呼吸产生CO2的量为5，根据总反应式可知需要消耗葡萄糖的量分别为0.5 和2.5，此时无氧呼吸消耗葡萄糖的量是有氧呼吸消耗的5 倍。

图4 O2 浓度对细胞呼吸影响的曲线图模型

图5 O2 浓度对细胞呼吸影响的柱形图模型

【模型拓展】含淀粉多的种子或含脂肪多的种子萌发过程中，CO2释放量和O2吸收量的变化趋势如图6、图7 所示。

图6 O2 浓度对细胞呼吸影响的模型变式（1）

图7 O2 浓度对细胞呼吸影响的模型变式（2）

【说明】图6 是含淀粉多的种子的细胞呼吸，42h时，该器官O2吸收量和CO2释放量相等，此时其只进行有氧呼吸；图7 是含脂肪多的种子的细胞呼吸，Q 点时，该器官O2吸收量和CO2释放量相等，但此时还进行无氧呼吸。当以脂肪为细胞呼吸底物时，有氧呼吸吸收的O2量大于释放的CO2量，原因是与葡萄糖相比，脂肪含H 量更高。

【设计意图】数学模型不仅可以直观呈现知识间的联系，而且可以深入研究细胞呼吸过程中物质的变化。通过建立数学模型，提取数学模型中的关键信息，学生能直观、准确地总结出影响细胞呼吸的各种因素，提升了学生的科学思维能力。

学科核心素养中提出学生不仅要有分析、解决问题的能力，更要把这种能力运用到实践中。在细胞呼吸原理的应用中，教师可以通过PPT 展示一些生产、生活中的常见现象，让学生判断这些现象和细胞呼吸的关系，利用细胞呼吸的原理解释有关现象，建构细胞呼吸原理应用的概念模型，深化学科核心素养中的生命观念，培养学生的社会责任感。

4.教学反思

一轮复习课，学生已经有了一定的知识储备。对相关的知识点的复习如果只是简单的重复，学生容易产生懈怠情绪，学生的个人素质也不容易得到发展。本节课通过结合社会热点问题创设真实情境，促使学生学会利用所学知识解决社会问题，唤醒学生参与讨论社会事务的责任。此种复习过程从学生已有经验出发，通过教师指导学生分析、归纳课本中的基本模型，要求学生在掌握经典实验方法的基础上，开放性地设计探究实验模型，并以此为基础建立与细胞呼吸相关的物理模型、数学模型和概念模型，提升学生运用所学知识和方法解决问题的能力，挖掘复习的深度。

重大科学成果的取得，往往靠的是多人的通力合作。因此，课堂教学设计应注重学生间的合作学习，促使每个学生都能积极参与到探究活动和模型建构中。通过小组内的自评、小组间的互评，大胆提出质疑，可以实现发展学生科学思维的教学目标，提高课堂整体效率。