商 爽

（浙江省紹興市魯迅中學(xué)，浙江紹興 312030）

引 言

高中生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容細(xì)碎繁雜，部分教師在教學(xué)中只注重落實(shí)具體知識(shí)點(diǎn)，而忽略了知識(shí)的關(guān)聯(lián)性。這導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)只能依靠死記硬背和反復(fù)練習(xí)，無(wú)法形成完整的知識(shí)體系，認(rèn)知能力無(wú)法得到提升，學(xué)科核心素養(yǎng)無(wú)法獲得長(zhǎng)期發(fā)展[1]。利用科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)是高中生物教學(xué)中常用的教學(xué)方法。由于科學(xué)研究具有繼承性和創(chuàng)新性，科學(xué)史教學(xué)中通常采用遞進(jìn)式探究模式，但該模式存在無(wú)法整合零散生物學(xué)概念的問(wèn)題。

一、基于“大概念”理念的科學(xué)史

2014年9月，《以大概念的理念進(jìn)行科學(xué)教育》中明確指出：科學(xué)教育應(yīng)圍繞涉及重要科學(xué)領(lǐng)域的、有結(jié)構(gòu)、有聯(lián)系的科學(xué)核心概念和模型，即“大概念”來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師在利用科學(xué)史的教學(xué)中，可重新整合歷史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生圍繞同一大概念下的不同概念及不同大概念間的聯(lián)系進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，將零散的知識(shí)點(diǎn)重新歸納整合，讓學(xué)生形成對(duì)生物學(xué)科的整體認(rèn)知，有效發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

二、利用“大概念”理念的科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的案例

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，在“分子與細(xì)胞”這一模塊教學(xué)時(shí)，應(yīng)從“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)分裂實(shí)現(xiàn)增殖”兩個(gè)大概念展開(kāi)。因此，在設(shè)計(jì)本節(jié)教學(xué)時(shí)，筆者從實(shí)際情境入手，借助科學(xué)史，緊緊圍繞“大概念”構(gòu)建概念體系，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建等方式，尋找解決問(wèn)題的出路，有利于教學(xué)活動(dòng)整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（一）學(xué)習(xí)目標(biāo)

認(rèn)同生物學(xué)概念是基于科學(xué)事實(shí)，經(jīng)過(guò)論證形成的；能利用科學(xué)史，采用科學(xué)思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果與結(jié)論；能利用科學(xué)史，使用文字、圖片等恰當(dāng)方式構(gòu)建概念模型，理解生物學(xué)概念間的聯(lián)系。

（二）學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“細(xì)胞需氧呼吸”屬于必修1模塊第二個(gè)大概念下的次級(jí)概念“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域”。對(duì)于需氧呼吸的教學(xué)，應(yīng)圍繞大概念和次級(jí)概念，充分利用線粒體等前概念作用，構(gòu)建并完善新的概念體系。

（三）教學(xué)流程圖（見(jiàn)圖1）

圖1

（四）教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)疑問(wèn)

【設(shè)問(wèn)1】細(xì)胞中最重要的能源物質(zhì)是什么？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：葡萄糖燃燒實(shí)驗(yàn)和酵母菌氧化分解葡萄糖實(shí)驗(yàn)（裝置見(jiàn)圖2）。

【設(shè)問(wèn)2】在葡萄糖燃燒實(shí)驗(yàn)和酵母菌氧化分解葡萄糖的實(shí)驗(yàn)中，物質(zhì)和能量分別發(fā)生了什么變化？哪個(gè)速率更快？

設(shè)計(jì)說(shuō)明：通過(guò)觀察和對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，辨析細(xì)胞需氧呼吸與燃燒的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，理解需氧呼吸的概念。

2.設(shè)計(jì)探究，梳理概念

【設(shè)問(wèn)3】細(xì)胞需氧呼吸和能量代謝的中心是哪里？

【資料1】1913年，O·瓦勃研究線粒體，發(fā)現(xiàn)它能夠消耗氧氣，并且含有氧化有機(jī)物的酶，命名為呼吸酶。

過(guò)渡：酵母菌利用氧氣，分解葡萄糖的過(guò)程是否是由線粒體來(lái)完成的？

【資料2】探究線粒體是否是氧化分解葡萄糖的場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

圖2

圖3

【設(shè)問(wèn)4】實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明什么問(wèn)題？

過(guò)渡：線粒體能氧化有機(jī)物，消耗氧氣，但不能利用葡萄糖，這說(shuō)明還有其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)參與了葡萄糖的氧化分解。

活動(dòng)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究細(xì)胞何種結(jié)構(gòu)與線粒體共同完成葡萄糖的氧化分解。

實(shí)驗(yàn)器材：破碎的細(xì)胞勻漿（含有各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)）、線粒體懸液、適宜濃度的葡萄糖溶液、NaOH溶液、澄清石灰水、通氣氣泵、裝有帶孔橡膠塞的三角瓶若干、連接用玻璃管和橡皮管若干。

要求：畫(huà)出探究裝置示意圖，標(biāo)注加入的溶液，并說(shuō)明設(shè)計(jì)思路、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：學(xué)生已有的前概念“線粒體是細(xì)胞需氧呼吸和能量代謝的中心”與“線粒體不能利用葡萄糖”的探究結(jié)果形成認(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圍繞大概念與次級(jí)概念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，證實(shí)“細(xì)胞溶膠和線粒體共同完成需氧呼吸”，有助于學(xué)生形成概念體系，提升其科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

3.基于史實(shí)，構(gòu)建模型

【資料3】（1）20世紀(jì)初期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)葡萄糖在細(xì)胞溶膠中經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)生成丙酮酸（C3H4O3），該過(guò)程不消耗O2，不產(chǎn)生CO2。丙酮酸可進(jìn)入線粒體繼續(xù)被氧化分解。（2）1935年，克雷布斯探明了丙酮酸在線粒體中經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)被氧化分解為CO2的全過(guò)程。其相關(guān)的酶位于線粒體基質(zhì)中（少量在嵴上），該過(guò)程不消耗O2。（3）1934年和1940年，發(fā)現(xiàn)兩種攜[H]（本質(zhì)是H+和e-）的特殊分子在細(xì)胞呼吸中發(fā)揮重要作用。19世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)攜[H]的特殊分子可釋放[H]，其中e-將沿著線粒體內(nèi)膜上的一系列物質(zhì)傳遞，并最終傳給氧氣，與H+結(jié)合后生成水。

活動(dòng)：利用資料3，根據(jù)元素守恒規(guī)律，構(gòu)建細(xì)胞需氧呼吸過(guò)程的簡(jiǎn)圖模型。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：利用科學(xué)史，圍繞大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”，構(gòu)建并完善需氧呼吸過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科素養(yǎng)中的生命物質(zhì)平衡觀。

4.合理推導(dǎo)，小結(jié)完善

【設(shè)問(wèn)5】需氧呼吸的三個(gè)階段均釋放能量嗎？

追問(wèn)：釋放的化學(xué)能是否都轉(zhuǎn)化成為細(xì)胞可利用的能量？酵母菌進(jìn)行需氧呼吸的意義是什么？

設(shè)計(jì)說(shuō)明：圍繞大概念“細(xì)胞的生存需要能量”，理解細(xì)胞需氧呼吸是為了獲得可利用的能量，并分析需氧呼吸各階段的能量轉(zhuǎn)化情況，進(jìn)一步強(qiáng)化核心素養(yǎng)中的物質(zhì)和能量觀。

5.重新設(shè)疑，激發(fā)興趣

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：探究實(shí)驗(yàn)瓶散出的氣味。

【設(shè)問(wèn)6】你聞到了什么味道？為什么會(huì)有這一味道？

設(shè)計(jì)說(shuō)明：激發(fā)學(xué)生對(duì)“厭氧呼吸”的探究興趣，促進(jìn)不同概念間的聯(lián)系。

結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，以“大概念”理念為指導(dǎo)，將科學(xué)史引入課堂，設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，構(gòu)建概念模型，可以取得較理想的教學(xué)效果。由此可見(jiàn)，利用以“大概念”理念為指導(dǎo)的科學(xué)史開(kāi)展生物教學(xué)設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的長(zhǎng)期發(fā)展，能夠更好地使學(xué)生形成生物學(xué)習(xí)體系，為其后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。