学科核心素养下的高中生物学教学实践——以“氧气与细胞综合复习”为例

王丽娟

（北京市回民学校 北京 100053）

生物学是自然科学中的一门基础学科，是研究生命现象和生命活动规律的科学。它是农业科学、医药科学、环境科学及其他有关科学和技术的基础。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。生物学学科素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。基于《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）的要求和近年来生物学试题的特点，复习课的主要任务不仅是巩固已有知识，更要提升各项能力，达到高效系统的复习目标。笔者将教材中的相关知识点与“诺贝尔奖”成果相联系组织教学，尝试将知识复习与能力训练共同落实。

1 内容分析与设计思路

笔者利用氧气将教材中“物质进出细胞的方式”“细胞呼吸”“内环境”等相关内容与相关的“诺贝尔奖”成果进行加工、整合，沿着“氧气进入组织细胞—氧气参与细胞内的物质与能量代谢—细胞如何感知与响应氧气含量变化”这条主线组织教学。这样可以帮助学生建立科学的知识体系，为知识的理解和应用奠定基础，同时发展学生的生物学学科核心素养。

2 教学目标

①通过氧气进入细胞过程的分析，理解机体细胞通过内环境与外界进行物质交换。

②通过氧气参与细胞内的物质与能量代谢及感知与响应氧气含量变化分子机制的分析，形成物质与能量观、稳态与平衡观。

③能够以特定的生物学事实为基础形成生物学概念，并用文字或图示的方式进行正确表达，进而用其解释相应的生命现象，提升社会责任感。

3 教学过程

3.1 解读生命现象，树立生命观念

“生命观念”是指对观察到的生命现象及相互关系或特征进行解释后的抽象，是人们经过实证后的观点，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法。

教师提出问题：从生命的角度来说，食物、水、氧气让我们一刻也不能分割的是什么？为什么氧气在体内没有“余粮”？以此引导学生联系生活思考，并引入本节课的“主题”。

教师展示“大气中氧气进入细胞的过程”图片（图1），引导学生思考：氧气在大气中占1/5，大气中的氧气如何进入组织细胞？氧气以什么方式通过生物膜？组织细胞中氧气浓度如何？机体细胞如何与外界环境进行物质交换？在问题驱动下，学生分析并完成学习任务单上的问题。

教师继续追问：根据高中阶段已学知识，进入细胞的氧气如何参与代谢活动？并指定学生完成有氧呼吸3个阶段的板书演示（图2），同时提出明确要求“要体现在特定场所进行的物质与能量代谢”。其他学生独立完成学习任务单上的问题。

有氧呼吸的过程是一个动态的概念，该过程中庞大的信息量容易使学生产生认知负荷。教师采用板画，对信息进行整合加工，绘制概念图并归纳细胞呼吸对生物体的主要意义。气体交换与细胞呼吸是密切相关的个体与细胞间稳态维持的2个过程。教师以人为例，使学生理解：气体交换是氧气进入肺再进入血液，通过动脉和毛细血管进细胞的过程。细胞呼吸是在每个细胞内将葡萄糖氧化产生二氧化碳，再通过毛细血管和静脉进入肺中，并被呼出体外的过程。气体交换与细胞呼吸之间相互联系、共同调节，维持生命系统的相对稳定。

设计意图：准确掌握生物学概念是形成必备知识体系的重要前提，是能够解释生物学相关事件和现象的必备条件。生命观念的形成是建立在深刻掌握生物学知识体系的基础之上的。教师引导学生回顾已学知识，形成核心概念。学生巩固细胞有氧呼吸各阶段的场所及物质与能量的变化，形成物质与能量观。

3.2 借助诺奖成果，发展科学思维

“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。在高中生物学教学过程中，教师适时让学生探究与教材知识有关的诺贝尔奖成果，不仅可以培养学生的科学探究能力，而且有助于学生对教材知识的理解。当然，教师在应用“诺贝尔奖”成果创设问题情境时，既不能过于简单，让学生没有思考的欲望，也不能过于复杂，让学生望而却步。

教师提出问题：细胞如何感知与响应氧气含量的改变？同时提供两则“资料”供学生阅读。

资料①：2019年，诺贝尔生理学或医学奖授予了威廉·凯林、彼得·拉特克利夫以及格雷格·塞门扎3位科学家。他们的贡献在于阐明了人类和大多数动物细胞在分子水平上感知、适应不同氧气环境的基本原理，揭示了其中重要的信号机制。科学家在研究地中海贫血症的过程中发现了“缺氧诱导因子”（HIF）。HIF由两种不同的DNA结合蛋白（HIF-la和ARNT）组成，其中对氧气敏感的是HIF-la，而ARNT稳定表达且不受氧调节，即HIF-la是机体感受氧气含量变化的关键。当细胞处于正常氧条件时，在脯氨酰羟化酶的参与下，氧原子与HIF-la脯氨酸中的氢原子结合形成羟基。羟基化的HIF-la能与VHL蛋白结合，致使HIF-la被蛋白酶体降解。在缺氧的情况下，HIF-la羟基化不能发生，导致HIF-la无法被VHL蛋白识别，从而不被降解而在细胞内积聚，并进入细胞核与ARNT形成转录因子，激活缺氧调控基因。人体缺氧时，会有超过300种基因被激活，或者加快红细胞生成、或者促进血管增生，从而加快氧气输送。这就是细胞的缺氧保护机制。HIF控制着人体和大多数动物细胞对氧气变化的复杂又精确的反应，3位科学家一步步揭示了生物氧气感知通路。动物细胞感知不同氧气浓度的能力，以及随之而来的对基因表达模式的重塑，对于几乎所有动物的生存都至关重要。这不仅在基础科学上有其价值，还有望为某些疾病的治疗带来创新性的疗法。

资料②：2004年，诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素在细胞内蛋白质降解调节作用，揭开了蛋白质“死亡”的重要机理。泛素（Ub）是一条由76个氨基酸残基组成的肽链。蛋白酶体也被称为多催化活性蛋白酶复合物，广泛存在于细胞质和细胞核中。在泛素激活酶E1、泛素结合酶E2、泛素连接酶E3（目前已发现人体中存在成百上千种E3，且E3具有特异性）的依次催化下，泛素被以特定的方式连接到靶蛋白上，最后被蛋白酶体识别，并降解成短肽。这些短肽再被降解为氨基酸回收利用（图3）。研究发现，细胞中的VHL基因编码的VHL蛋白是一种可以预防癌症的蛋白质，是泛素连接酶E3的关键部分。在常氧状态下，VHL蛋白可以特异性识别并结合羟基化的HIF-1α，使其被泛素标记，进而被蛋白酶体降解。

教师引导学生阅读资料①并完成“细胞适应氧气水平变化的分子机制图”（图4），指定学生进行板书演示和讲解。图4中有一处蛋白质的降解途径需要进行补充完善。学生阅读资料②，对分子机制图进行完善并对泛素-蛋白酶体降解蛋白质途径进行介绍。

设计意图：教师利用自主阅读资料促进学生自主构建模型的过程，训练了学生阅读生物文本、逻辑推理和总结概括的能力。“诺贝尔奖”是创设问题情境很好的素材，学生对于这些前沿的新知识很感兴趣，每一个“诺贝尔奖”的背后也都有一部科学奋斗史。教师在创设问题情境的过程中，要注意引导学生把社会、生活、生物科学和学习过程紧密联系起来，才能把素质教育真正落到实处。

3.3 关注社会热点，增强社会责任

“社会责任”是指基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，做出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。将关注的社会热点问题与高中生物教学有机结合，有利于为学生传递正确、先进的科学知识；有助于学生理性科学地思考，学会发现问题并提升运用所学知识解决现实问题的能力。

教师引导学生根据细胞适应氧气含量变化的分子机制，对以下实际问题进行分析：①云南呈贡训练基地海拔超过2 000 m，该地区氧气供应不足。但是中国田径队常在此训练以提高成绩。请对此策略做出合理解释。②肿瘤细胞的增殖将导致肿瘤附近局部供氧不足，请从打破癌细胞缺氧保护机制的角度，提出治疗癌症的新思路。

设计意图：教师引导学生学以致用，利用所学知识对社会热点问题做出合理解释，并解决实际问题，提升社会责任感。“诺贝尔奖”离高中生物学并不遥远，高中生物学中有很多内容直接或间接与许多“诺贝尔奖”成果相联系。教师以“诺贝尔奖”的成果为情境素材，培养学生的生物学学科核心素养，使学生熏陶在“诺贝尔奖”的怀抱中，也让诺贝尔精神在学生心里生根发芽。

4 教学反思

在氧气与细胞综合复习的过程中，教师突出了知识的层次与脉络，为学生提供一条清晰的思维主线：氧气进入组织细胞——氧气参与细胞内物质与能量代谢——细胞如何感知与响应氧气含量变化。氧气随体液运输而发挥调节作用，并且已经实现了在分子水平上对基因的表达进行调控。氧气参与细胞内部时刻发生的物质变化、能量转换和信息转导的过程，组织、器官得以正常运转，个体得以正常生长。教师引导学生逐步形成物质与能量观、稳态与平衡观。细胞如何感知与响应氧气含量改变环节训练了学生阅读生物文本、提取关键信息、建立模型和解决实际问题的能力。提高学生的生物学学科素养需要教师和学生坚持不懈地实践。复习课不能是简单的知识再现过程，而应是在落实学科核心概念的基础上，打破章节界限，进行跨章节、跨学段的多角度素养提升。