情境引领下的“细胞的能量供应和利用”的单元整体教学

摘 要：本文以“啤酒酿造的过程”作为情境贯穿，对“细胞的能量供应和利用”前三节内容展开单元整体教学设计，基于麦芽的选择、糖化和发酵的操作等具体场景提出问题，引导学生在任务驱动下构建重要概念，从而解释和解决真实问题，发展生物学学科核心素养。

关键词：单元教学；细胞的能量供应和利用；核心素养

文章编号：1003-7586（2024）06-0078-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1 单元教学内容分析及设计思路

细胞中时刻发生的各种反应统称为细胞代谢，反应中物质变化和能量转化相互依存，因此细胞代谢离不开酶的作用。依据《普通高中生物学课程标准（2017 年版 2020年修订）》的内容要求“细胞的能量供应和利用”单元对于学生构建概念“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”具有重要意义。通过对此内容的学习，学生可以理解绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，列举酶活性的影响因素，解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，说明生物体通过细胞呼吸，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。达成指向物质与能量观、结构与功能观等生命观念的教学目的。

本文以“啤酒酿造”作为真实情境引入单元整体教学设计：探究酶的作用、特性和影响酶活性的因素，理解酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸，从而解释生产中的现象，不仅能更好地激发学生的学习热情，突出学生的主体地位，帮助学生基于生活经验完成学科概念新知的构建。^［1］该方法也有利于培养学生将理论与实际联系的社会责任感，进而运用结构化的知识体系解决情境问题，对啤酒酿造的工艺作出解释、思考并提出建议。

2 单元教学目标

（1）从麦芽制备过程中的有机物含量变化分析，认同细胞代谢离不开酶的科学观念，在此基础上设计并实施实验，探究过氧化氢在不同条件下的分解过程，结合探索酶本质的资料梳理，从酶的来源、作用和化学本质三方面进行概括，从科学史的学习中认识到科学是在曲折中前进的，增加对科学本质的理解。

（2）通过了解啤酒酿造时的糖化操作过程中对温度和pH值的控制，提出影响酶活性的因素，设计实验探究温度和pH值对酶活性的影响，通过实验结果分析，概括酶的作用条件和特点；结合酶制剂在啤酒酿造中的应用，说明酶的作用具有专一性，并设计实验探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用，联系酶在生活中的应用，认同科学技术和社会的紧密联系。

（3）通过实验设计探究细胞内的直接能源物质，从结构和功能的角度解释“ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”。

（4）比较酵母菌在啤酒酿造和饲料生产中的应用，通过实验探究酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸，说出细胞呼吸的类型及其产物的区别。概括有氧呼吸三个阶段的场所、物质变化和能量转化，比较无氧呼吸和有氧呼吸，说明无氧呼吸两个阶段的发生过程。归纳细胞呼吸的概念，并运用所学知识解释生产生活中的现象。

（5）通过探究过氧化氢在不同条件下的分解过程，淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用，影响酶活性的因素，探究酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸等活动，学会依据探究问题设计对照实验，控制自变量和无关变量，观察和检测因变量，交流分享实验结果，分析、比较、归纳现象并得出结论，发展科学思维和探究能力。

3 主要单元教学过程

3.1 绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质

教师创设“啤酒酿造”情境，介绍啤酒酿造的原料、流程和原理，结合小麦发芽过程中有机物含量的变化曲线，说明细胞代谢离不开酶。提出任务一：酶具有什么作用？如何探究酶的作用？教师组织学生设计实验，通过探究过氧化氢在不同条件下的分解过程，归纳认同酶具有催化作用，且与无机催化剂相比，酶催化具有高效性的特点。在此基础上，提供资料，引导学生分析酶的作用机理“降低化学反应的活化能”，从原理上解释酶的高效性。

教师利用教材“思考·讨论”中的“关于酶本质的探索”资料，引导学生以图解的方式梳理相关科学史，结合麦芽中含有淀粉酶，进而归纳酶的定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。

3.2 酶活性受到环境因素的影响

教师展示啤酒酿造中糖化操作的视频，由视频中控制温度和pH值的做法提出问题：为什么要控制反应时的温度和pH值？基于此开展任务二：探究温度和pH值对淀粉酶活性的影响。引导学生分析实验的自变量、因变量和无关变量，设计并实施实验方案，最后对结果进行交流讨论，对误差原因进行分析，汇总数据绘制曲线，最终得出实验结论：存在一个最适温度/pH值使酶的活性最高，当温度/pH值过高或过低时，酶的活性都会明显下降。

引导学生从酶的本质出发，思考高温和低温、过酸和过碱分别对酶活性有什么影响。从结构和功能的角度说明，蛋白质的生物学活性依赖于一定的空间结构，高温、过酸、过碱会破坏酶的空间结构使酶彻底失活；低温只是抑制酶的活性，没有破坏其空间结构，温度升高，酶的活性就会恢复。

教师展示啤酒酿造工艺流程图，补充不同温度对不同淀粉酶活性的影响曲线图并提出问题：为什么需要在不同的操作环节中设置不同的温度条件？为什么不同阶段人工添加的酶制剂不同？引导学生说明不同酶反应的最佳温度条件不同，不同阶段的反应物不同，因此需要使用不同种类的酶。在此基础上提出任务三：探究酶具有专一性。组织学生设计并开展探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用实验，分析实验结果，并总结酶的特性具有专一性：一种酶只能催化一种或一类化学反应，并基于锁钥学说辨析相关模型与酶促反应中物质的对应关系。

教师由酶制剂在酿酒行业上的应用，延伸补充酶在其他生产生活领域的应用，引导学生自觉认同科学技术服务社会生产的理念，树立运用所学知识造福人类的社会责任感。

3.3 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质

教师由啤酒酿造的糖化操作引出问题：细胞中的糖类、蛋白质等物质储存着化学能，葡萄糖是驱动酵母菌在内的细胞生命活动的直接能源物质吗？引导学生基于萤火虫发光需要细胞提供能量的情境，设计实验探究细胞内的直接能源物质，根据事实证据得出结论：ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。基于此提出任务四：为什么ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质？组织学生阅读提取教材和相关资料中的信息，绘制构建ATP的结构模型，理解ATP是一种高能磷酸化合物，最终认同ATP的结构与其功能相适应。

教师在ATP的结构模型基础上，引导学生构建ATP和ADP相互转化的模型，结合具体实例分析、归纳、概述ATP形成过程中所需能量的主要来源及意义，以及ATP水解产生的能量的用途和意义，解释ATP是“能量货币”。

3.4 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

教师通过比较啤酒酿造的发酵过程和培养酵母菌的操作过程提出问题：为什么都是培养酵母菌，有的需要通风，有的却需要密封？补充酵母菌作为兼性厌氧菌的特点，组织学生开展任务五：探究酵母菌的细胞呼吸方式。学生对实验的自变量、无关变量和因变量进行分析，设计方案并开展相应探究，观察现象并最终得出结论：酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。有氧条件下，酵母菌通过有氧呼吸产生大量的二氧化碳和水；无氧条件下，酵母菌通过无氧呼吸产生酒精以及少量的二氧化碳。引导学生对实验过程进行概括总结，归纳对比实验的意义和流程。

教师基于酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的探究结果，提出问题：细胞呼吸的场所在哪里？有氧呼吸和无氧呼吸经历了哪些过程？这些过程中物质和能量如何变化？结合以上问题开展任务六：构建细胞的有氧呼吸流程图。之后提供实验资料，引导学生分析现象，逐一概括有氧呼吸三个阶段的场所、反应物、产物情况，绘制有氧呼吸的模式图并进行交流讨论，完善模型。

教师展示无氧呼吸的模式图，引导学生以表格形式概括无氧呼吸两个阶段的特点，并通过对比自主概括细胞呼吸的概念：细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解过程，生成二氧化碳或其他产物，释放能量并生成 ATP 的过程。学生运用本节所学知识“细胞呼吸原理的应用”，讨论细胞的呼吸原理在生产生活中还有哪些体现。

4 单元教学反思

单元教学强调整体性，以情境贯穿，以问题为导向。^［2］其中，概念的构建是教学走向整体转化的关键。教师基于重要概念创设单元整体情境，依据学生的认知水平和认知规律，结合具体的场景设置并开展以学生为主体的子任务。通过实验设计、探究实践、资料的归纳梳理和交流讨论，在活动中提炼次级概念，做好概念关系的整理，形成重要概念的关系框架，并运用所学解释并解决情境中的问题，即时体现学习效果的评价。

情境来源于生产和生活，避免了课时情境与单元情境的弊端，实现单元情境脉络与课时情境背景的统一，加强课时情境和内容之间的联系，有利于学生构建整个单元的知识和概念体系，体现学生的主体地位。此外，问题从情境中来，知识解释问题，体现了科学、技术和社会间的联系，促进学生自觉认同科技造福人类，运用所知所会改造世界的社会责任感，也能够更好地促进学生的深度学习，形成理性思考、严谨分析的科学思维和习惯，从而发展学科核心素养，体现生物学学科独特的育人价值。

参考文献

［1］ 钱仁凯，程国胜.境脉引领下的“免疫调节”单元整体教学设计［J］.中学生物学，2022， 38（6）：4．

［2］ 吴开其，魏诗琴，崔鸿. 以“概念—情境—问题”为中心的单元整体教学［J］.中学生物教学，2023（4）：26-29.