何蓉+姚碧英+張忠華+胡剛

摘 要基礎(chǔ)教育中的概念教學(xué)采取順序性、連貫性和一致性的設(shè)計思路，可以有效促進(jìn)知識的螺旋式發(fā)展。本文以人教版高中生物必修一“ATP的主要來源——細(xì)胞呼吸”一課為例，從有效實現(xiàn)重要概念傳遞的視角出發(fā)，解析和建構(gòu)了該節(jié)課程的教學(xué)設(shè)計與過程。

關(guān)鍵詞概念教學(xué) 有氧呼吸 無氧呼吸 概念傳遞

概念是共同具有某些特性或?qū)傩缘氖录?、物體或現(xiàn)象的抽象概括，是人腦反映客觀事物的共同、本質(zhì)特征的思維形式[1]。概念不是實體，不能被直接給予，是在學(xué)生主動建構(gòu)過程中不斷發(fā)展和完善的[2]。因此，基礎(chǔ)教育中的概念教學(xué)要采取順序性、連貫性和一致性的設(shè)計思路，可以有效促進(jìn)知識的螺旋式發(fā)展。本文以“ATP的主要來源-細(xì)胞呼吸”一課為例，系統(tǒng)解析和建構(gòu)促進(jìn)概念傳遞的教學(xué)過程。教學(xué)總體思路如下：首先要確定概念。綜合課程標(biāo)準(zhǔn)、教科書、專家同事的建議以及該年齡階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，確定本章教學(xué)主題的上位核心概念以及本節(jié)教學(xué)內(nèi)容所聚焦的重要概念。對本節(jié)課的概念性知識進(jìn)行梳理，有利于教師把握重、難點(diǎn)，創(chuàng)造性地利用教材，并為下一環(huán)節(jié)選擇支撐概念進(jìn)行教學(xué)活動做準(zhǔn)備。其次，要精選促進(jìn)概念傳遞的典型材料，設(shè)計符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的問題驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生綜合分析并回答問題。通過這一環(huán)節(jié)的教學(xué)活動，學(xué)生將抽象和概括出事物的本質(zhì)屬性，促進(jìn)概念的建構(gòu)和發(fā)展。

一、確定概念

確定支撐本節(jié)課的核心概念“細(xì)胞的生命活動需要物質(zhì)和能量的推動”，所需理解的重要概念是“細(xì)胞呼吸是ATP的主要來源”，同時，以A、B、C、D表述次位概念的層級關(guān)系如下：

A.細(xì)胞呼吸是指有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列氧化分解，生成CO2或其它產(chǎn)物，釋放出能量并生成ATP的過程。

A1.呼吸作用的實質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物氧化分解，并且釋放能量。

B.有氧呼吸是指細(xì)胞在氧的參與下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生CO2和水，釋放能量，生成大量ATP的過程。

B1.有氧呼吸先在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，后在線粒體中進(jìn)行。

B2.總反應(yīng)式：

C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+大量能量

B3.有氧呼吸產(chǎn)能多，是絕大多數(shù)生物主要的呼吸方式。

C.無氧呼吸是指細(xì)胞在無氧的條件下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物分解成不徹底的氧化產(chǎn)物，釋放少量能量，生成少量ATP的過程。

C1.無氧呼吸在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行。

C2.總反應(yīng)式：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+少量能量或C6H12O6→2C3H6O3+少量能量

C3.無氧呼吸產(chǎn)能少，一般是在缺氧條件下進(jìn)行的。

D.細(xì)胞呼吸能夠應(yīng)用于生產(chǎn)實踐和日常生活。

二、基于“概念傳遞”的教學(xué)設(shè)計

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計主要從以下三個方面考慮：第一，教學(xué)策略。細(xì)胞呼吸這一過程抽象且微觀，學(xué)生缺乏直觀認(rèn)識，容易混淆概念或產(chǎn)生相異概念，教學(xué)中采用實驗探究法、小組合作法和動畫演示法等策略來突破教學(xué)重難點(diǎn)。第二，教學(xué)流程?？紤]到學(xué)生循序漸進(jìn)的認(rèn)知特點(diǎn)，采用“總-分-總”的教學(xué)形式。從細(xì)胞呼吸的實質(zhì)著手，再逐步分析細(xì)胞呼吸的兩種方式，最后探討它在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。第三，板書。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容偏難，采用圖、表等形式來展示彼此之間復(fù)雜且緊密的聯(lián)系，以達(dá)到幫助學(xué)生建立和理解概念的目的。

1.感知概念——細(xì)胞呼吸

通過聯(lián)系學(xué)生對細(xì)胞代謝已有的知識設(shè)置如下問題：細(xì)胞的主要能源物質(zhì)是葡萄糖，而直接能源物質(zhì)是ATP，生物體內(nèi)的葡萄糖是怎樣把能量轉(zhuǎn)移到ATP中去的？在探究酵母菌呼吸方式時，酵母菌吸收O2后發(fā)生了什么反應(yīng)？排出的CO2是由什么轉(zhuǎn)變而來？為什么不需要O2也能產(chǎn)生CO2？由此引發(fā)認(rèn)知沖突，使學(xué)生推理得出：A1.呼吸作用的實質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物氧化分解，并且釋放能量。從而為學(xué)生提供細(xì)胞呼吸的初步認(rèn)識。

2.構(gòu)建概念——有氧呼吸和無氧呼吸

通過探究性實驗，采用層層遞進(jìn)的問題驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生探究細(xì)胞呼吸的過程，反映概念的本質(zhì)屬性，促進(jìn)概念的逐步建構(gòu)。

（1）有氧呼吸

為了研究細(xì)胞呼吸過程，在適宜條件下，將相同且適量的食用酵母菌研磨，研磨后的細(xì)胞勻漿差速離心后得到各種細(xì)胞成分（均保持完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和酶活性）。取細(xì)胞勻漿及各細(xì)胞成分分別注入試管中，配制成各體積相等且同一種成分濃度相同的懸浮液，分別向試管中加入等量的O2和放射性同位素3H標(biāo)記的等量葡萄糖，一段時間后，檢測各試管內(nèi)物質(zhì)變化情況（見表1）。

根據(jù)表中信息，提出問題：①有氧呼吸的場所在哪里？它是一步完成還是多步完成的？②展示線粒體的亞顯微結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合教材，逐步回答有氧呼吸各階段的反應(yīng)場所、反應(yīng)過程以及中間產(chǎn)物分別是怎樣的？

學(xué)生經(jīng)過小組討論，能夠正確回答問題①。表中1號、2號、6號、7號和8號試管均能進(jìn)行不同程度的反應(yīng)，管內(nèi)的共同成分是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，所以它是發(fā)生呼吸作用的基本場所。由2號和6號、3號和6號試管組的比較發(fā)現(xiàn)，有氧呼吸在線粒體中發(fā)生了進(jìn)一步的反應(yīng)，從而認(rèn)同概念B1.有氧呼吸先在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，后在線粒體中進(jìn)行。同時為下一步引導(dǎo)學(xué)生探討有氧呼吸各階段的反應(yīng)過程做準(zhǔn)備。

對于問題②，教師展示線粒體的亞顯微結(jié)構(gòu)圖，指導(dǎo)學(xué)生閱讀課本相關(guān)信息，依據(jù)化學(xué)方程式推導(dǎo)原理，有針對性地探究有氧呼吸各階段的反應(yīng)過程，同時結(jié)合多媒體動畫予以鞏固。首先，學(xué)生根據(jù)表中2號試管可知有氧呼吸第一階段在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行，產(chǎn)物是丙酮酸和還原性輔酶，引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)知識推出有氧呼吸第一階段的反應(yīng)。其次，學(xué)生結(jié)合教材，獲得關(guān)鍵信息：線粒體的內(nèi)膜和基質(zhì)中含有許多與有氧呼吸有關(guān)的酶。結(jié)合表中6號試管推測出有氧呼吸第二階段在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，基質(zhì)中含有與細(xì)胞呼吸有關(guān)的酶，并且有CO2生成。教師利用多媒體課件圖示有氧呼吸前兩階段中葡萄糖中碳原子和氧原子的物質(zhì)變化。應(yīng)用原子守恒定律，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生思考：一分子葡萄糖分解成兩分子丙酮酸，在線粒體基質(zhì)中丙酮酸經(jīng)脫氫后最終生成6分子CO2，也就是說反應(yīng)物中有6個氧原子，然而最后卻有12個氧原子生成，違背了守恒定律。此時，學(xué)生會很自然地想到可能有O2參與，在教師引導(dǎo)給予否定的情況下，使學(xué)生聯(lián)想到以前學(xué)習(xí)的化學(xué)方程式配平，可能有H2O的參與。由此學(xué)生可以順利推測出第二階段的反應(yīng)式。最后，學(xué)生能夠比較容易地得出：有氧呼吸第三階段在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行，線粒體內(nèi)膜折疊形成嵴，能大大增加化學(xué)反應(yīng)的膜面積，保證酶的均勻分布，使反應(yīng)溫和、高效地釋放出大量能量，從而推出第三階段反應(yīng)式。此時，教師提問：若用18O標(biāo)記O2，則反應(yīng)結(jié)束后，它會轉(zhuǎn)移到何種物質(zhì)上？加深學(xué)生對O2只在有氧呼吸第三階段參與反應(yīng)的理解。接著，學(xué)生整合有氧呼吸三階段的反應(yīng)式，推導(dǎo)出B2.總反應(yīng)式：C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+大量能量。

（2）無氧呼吸

提出問題：①將上述實驗過程中其他條件不變，在不通入氧氣情況下研究無氧呼吸，那么實驗結(jié)果又會怎樣呢？②所有生物進(jìn)行無氧呼吸都產(chǎn)生酒精和CO2嗎？③1摩爾葡萄糖分別在體外燃燒、有氧呼吸以及無氧呼吸條件下，其中的反應(yīng)現(xiàn)象、轉(zhuǎn)化的能量形式及能量轉(zhuǎn)化率是怎樣的？

對于問題①，引導(dǎo)學(xué)生參考有氧呼吸第一階段的反應(yīng)過程。分析得出：無氧呼吸的第一階段與有氧呼吸完全相同。教師告知在此情況下，所有含有細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的試管中都生成了酒精和CO2，從而使學(xué)生認(rèn)同概念C1.無氧呼吸在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行。

對于問題②，學(xué)生通過自學(xué)教材、交流研討得出結(jié)論：高等植物和酵母菌等生物進(jìn)行無氧呼吸一般產(chǎn)生酒精和CO2，但是高等植物的某些器官（如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根、玉米胚）、高等動物或乳酸菌等生物，進(jìn)行無氧呼吸一般產(chǎn)生乳酸。由此，學(xué)生能推導(dǎo)出：C2.總反應(yīng)式：C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+少量能量或C6H12O6 2C3H6O3+少量能量。

對于問題③，學(xué)生結(jié)合教材中的相關(guān)內(nèi)容，比較葡萄糖在三種條件下的能量轉(zhuǎn)化情況，并填好表2，從表2可見，同種有機(jī)物在體內(nèi)氧化分解比體外燃燒更溫和，有機(jī)物中的能量是經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)逐步釋放的，有一部分能量儲存在ATP中，且有氧呼吸的能量轉(zhuǎn)化效率是無氧呼吸的19倍。因此學(xué)生得出結(jié)論：B3.有氧呼吸是大部分生物的主要形式。C3.無氧呼吸產(chǎn)能少，一般是在缺氧條件下進(jìn)行的。

（3）延展概念——聯(lián)系生產(chǎn)與生活實際

概念的初步感知與逐步建構(gòu)是延展概念的前提，為了促進(jìn)概念傳遞，需要在新的情境下進(jìn)行變式訓(xùn)練。①以反例來辨析概念：為什么肺炎雙球菌和好氧型細(xì)菌也能進(jìn)行有氧呼吸？②運(yùn)用于真實情境中的問題解決：為什么食品罐頭往往會標(biāo)注“底蓋、易拉蓋凸起請勿飲用”字樣？提倡慢跑等有氧運(yùn)動的原因是什么？洪澇災(zāi)害對植物為什么有毀滅性傷害？③在下一節(jié)的學(xué)習(xí)中，通過將呼吸作用和光合作用進(jìn)行比較，建立相關(guān)概念間的區(qū)別和聯(lián)系。呼吸作用分解的有機(jī)物正是光合作用的產(chǎn)物，呼吸作用所釋放的能量正是光合作用貯存在有機(jī)物中的能量，二者相互依存。通過延展概念，使學(xué)生對概念的理解更全面、深刻。學(xué)生得出D.細(xì)胞呼吸能夠應(yīng)用于生產(chǎn)實踐和日常生活。

（4）內(nèi)化概念

完成感知、構(gòu)建和延展概念后，師生邊總結(jié)邊板書細(xì)胞呼吸過程示意圖（見圖1），從而達(dá)到逐步內(nèi)化概念的目的。師生總結(jié)得出如下要點(diǎn)：細(xì)胞能夠進(jìn)行有氧呼吸和無氧呼吸，它們既有區(qū)別又有聯(lián)系。細(xì)胞呼吸能為生物體的生命活動提供能量，又能為體內(nèi)其它化合物的合成提供原料。

三、反思與總結(jié)

該課是圍繞重要概念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的一次嘗試，在凸顯“概念傳遞”的教學(xué)過程中，以探究性實驗為主線，整合學(xué)科內(nèi)和跨學(xué)科的知識，采用實驗探究法和圖表的形式以及通過感知、建構(gòu)和延展概念過程設(shè)置層層深入的問題鏈，從而突破本節(jié)的重、難點(diǎn)，分析和歸納出概念的本質(zhì)屬性，讓學(xué)生清晰、透徹地掌握細(xì)胞的能量代謝機(jī)理，合理搭建知識框架。但稍顯不足的是通過實驗結(jié)果對有氧呼吸三階段的反應(yīng)式推導(dǎo)內(nèi)容難度偏大，給學(xué)生理解帶來一定困難。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉恩山，張穎之.課堂教學(xué)中的生物學(xué)概念及其表述方式[J].生物學(xué)通報，2010（7）.

[2] 張穎之，劉恩山.核心概念在理科教學(xué)中的地位和作用——從記憶事實向理解概念的轉(zhuǎn)變[J].教育學(xué)報，2010（1）.

[作者：何蓉（1991-），女，江西南昌人，廣西師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院在讀碩士研究生；姚碧英（1992-），女，廣西百色人，廣西師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院在讀碩士研究生；張忠華（1981-），女，安徽金寨人，廣西師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院副教授，博士；胡剛（1981-），男，安徽廬江人，廣西師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院講師，博士。]

【責(zé)任編輯 郭振玲】