素养导向的概念教学实践——以“细胞呼吸”复习为例

葛方金

(四川省自贡市蜀光中学)

《普通高中生物学课程标准(2017年版,2020年修订)》提出:生物学课程的设计和实施,内容聚焦大概念,让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念,发展生物学学科核心素养。生物学概念是对生物的生命活动、结构、生理过程、原理及规律的高度概括,具有客观性、概括性和抽象性;同时,生物学概念除了蕴含生物学知识外,还是生物学家思想、探究思维的载体。因此,概念的构建、理解、深化和应用过程就是形成观念、发展学生核心素养的过程。笔者以“细胞呼吸”的复习为例,进行了素养导向的概念教学实践。

1.任务中构建概念

以真实情境为载体,以形成核心概念为目标,精心设计一系列具有内在逻辑关系的学习任务,学生在完成任务的过程中,进行活动与体验、整合与关联,从而构建生物学概念。

以“加了酵母的面粉蒸出的馒头多孔松软,加了酵母的面团放置时间久了会有酒味”为情境,设计如下任务:

任务1

兴趣小组进行了研究酵母细胞有氧呼吸场所的实验。结果如表1:

表1 酵母细胞有氧呼吸实验结果

请根据实验结果,思考讨论并回答以下问题:

(1)酵母细胞在什么场所消耗葡萄糖?

(2)酵母细胞在什么场所消耗氧气?

(3)有氧呼吸过程是一步反应还是多步连续反应?

(4)如何解释第2组的实验结果?

任务2

资料1.检测发现,葡萄糖+细胞质基质培养液中有两种小分子有机物积累:丙酮酸(C3H4O3)与还原型氢(简写为[H]或NADH)。

资料2.向线粒体悬液中加入14C标记的丙酮酸(14C3H4O3)、[H]和氧气,发现三者含量均下降,且在线粒体基质中产生14CO2;加入3H2O,在线粒体基质中出现[3H]。

资料3.蛋白质定位研究显示,参与丙酮酸分解的酶位于线粒体基质。

资料4.氰化物可以破坏线粒体内膜上的蛋白质。用氰化物处理后短时间内线粒体还可以分解丙酮酸,但立刻停止消耗氧气。

请根据以上资料,思考讨论并回答以下问题:

(1)葡萄糖在细胞质基质中分解产生的中间产物是什么?

(2)这些中间产物分别在什么场所被消耗?转化为什么物质?

任务3

请综合有氧呼吸的物质与能量变化、反应场所与过程分析构建酵母菌细胞有氧呼吸过程的概念模型。

任务4

酵母菌和大多数植物细胞在无氧条件下把葡萄糖分解为C2H5OH和CO2,动物和人体细胞、乳酸菌、部分植物细胞(玉米胚、马铃薯块茎、甜菜根)在无氧条件下把葡萄糖分解为C3H6O3(乳酸)。请综合无氧呼吸的物质与能量变化、反应场所与过程构建无氧呼吸过程的概念模型。

学生通过完成任务1和2认识细胞有氧呼吸的场所和物质变化,通过任务3和4分别建构细胞有氧呼吸(图1)和无氧呼吸(图2)的概念模型。

图1 细胞的有氧呼吸

图2 细胞的无氧呼吸

在任务中进行分析与综合、归纳与概括、模型与建模等,训练学生的科学思维,进阶形成“生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量”的概念,发展学生的物质与能量观和结构与功能相适应的生命观念。

2.探究中理解概念

科学探究重视学生本能的学习冲动,探究的过程可以为学生提供学习所需的直接反馈和亲身体验,使他们能够形成新的、持久的对外部世界的理解。在生物学课程中,学生“对外部世界的理解”主要聚集于对本学科重要概念的理解和掌握。参与科学探究有助于学生理解科学知识的发展过程,认同用于研究的科学方法,帮助学生建立生物学观点和重要概念,促进学习效率的提升和概念的理解。

任务5

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中,思考并解决以下问题:

(1)实验的自变量是什么?怎样施加自变量?

(2)实验的因变量是什么?怎样检测因变量?

(3)怎样控制无关变量?

(4)据图3设计酵母菌在有氧和无氧条件下进行细胞呼吸的装置图(用字母和箭头表示)。

图3 探究酵母细胞呼吸方式的装置

(5)预期实验结果并得出结论。

通过实验探究,学生初步掌握了对比实验的科学方法,实证了酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。在有氧条件下,酵母细胞通过有氧呼吸产生大量的二氧化碳和水;在无氧条件下,酵母细胞通过无氧呼吸产生酒精和少量的二氧化碳。

实验探究中,学生经历“提出问题→作出假设→设计实验→进行实验→分析结果、得出结论→表达和交流”等过程,在作出假设、设计实验和得出结论、表达交流中深度思考,在深入交流中激发探究的欲望、实现思维的碰撞,促使学生进行有意义的学习,理解细胞呼吸的类型,发展了学生科学探究的能力和素养。

3.思辨中深化概念

概念是思维的产物,科学思维是形成概念的工具和途径。因此,设计活动并提出相应的问题,引导学生思考讨论,进行比较辨析、推理判断、归纳概括,能促进学生在思辨中深化对概念的理解。

任务6

(1)请完成表2,比较有氧呼吸与无氧呼吸。

表2 有氧呼吸和无氧呼吸的不同点和相同点

(2)蓝藻、硝化细菌、醋酸菌细胞内没有线粒体,它们能不能进行有氧呼吸?为什么?

(3)有人认为:有氧呼吸是由无氧呼吸发展变化形成的。请你列举出支持此观点的证据(要求答出两点)。

学生通过有氧呼吸与无氧呼吸的比较,认识到两种呼吸方式既有区别又有联系,但实质都是分解有机物释放能量。蓝藻、硝化细菌、醋酸菌细胞内虽然没有线粒体,但含有与有氧呼吸有关的酶系统,故也能进行有氧呼吸,从而理解线粒体是有氧呼吸的主要场所,但有氧呼吸不是一定要在线粒体中才能进行。在比较中辨析、在演绎中推理,训练学生的科学思维。有氧呼吸和无氧呼吸的第一阶段完全相同,都不需要氧气,都与线粒体无关;地球早期大气中缺乏氧气和地球上最早出现的原核细胞中没有线粒体等为“有氧呼吸是由无氧呼吸发展变化形成的”概念提供例证,培养学生的证据意识,发展了学生的进化与适应观。通过思辨,让学生更全面、准确的理解、掌握细胞呼吸概念的内涵、外延、实证和例外性,让学生的思维更深刻,实现对概念的深化。

4.实践中应用概念

《课程标准》强调教学过程重实践,高度关注学生学习过程的实践经历,要求学生能用科学的观点、知识、思路和方法,探讨或解决现实生活中的某些问题。在问题解决中运用概念,举一反三,融会贯通。

任务7

资料1.利用麦芽、葡萄、粮食和酵母菌以及发酵罐等,在控制通气的情况下,可以生产各种酒。

资料2.粮食、水果蔬菜等农产品在表3所示条件贮存。

表3 粮食、水果蔬菜贮存条件

资料3.蔬菜、水果放入地窖中储存。

请根据以上资料,分析O2浓度、温度、水分和CO2浓度怎样影响细胞呼吸?为什么会产生这样的影响?并用坐标曲线图分别表示它们对细胞呼吸的影响。

任务8

请你运用细胞呼吸的原理回答以下问题:

(1)在农业生产中,可采取什么措施防止土壤板结?该措施为什么能促进作物的生长?

(2)在农业生产中,稻田若不进行定期排水,会导致水稻幼根变黑、腐烂,原因是什么?

(3)包扎伤口时,选用松软的“创可贴”,目的是什么?

(4)皮肤破损较深或被锈钉扎伤后,需注射破伤风抗毒血清预防由破伤风芽孢杆菌引起的破伤风,原因是什么?

(5)慢跑等有氧运动一般不会出现肌肉酸胀乏力,为什么?

运用细胞呼吸的原理解释注射破伤风抗毒血清和有氧运动一般不会出现肌肉酸胀乏力等生活现象,引导学生关注人类健康。解决土壤板结、水稻幼根变黑腐烂等生产实践中的实际问题,构建O2浓度、温度、水分和CO2浓度影响细胞呼吸的数学模型,分析并理解外界环境因素对细胞呼吸的影响,在概念的应用中发展了学生的思维品质,培养了学生解决问题的意识和能力,落实社会责任。

总之,生物学的概念(包括原理、规律、定律)是生物学大厦的“基石”,也是生物学大厦的“结构”,又是认识生命现象及其活动规律的“产物”。因此,学习生物学,主要是学习生物学概念,重在构建概念。在情境任务的驱动下,运用科学思维方法,开展科学探究活动,形成概念建立生命观念,在概念的建构、理解和运用过程中促进学生深层次理解科学知识和科学本质,发展了学生的核心素养。