徐 婧 王 薇

（1 北京市第二中學亦莊學校 北京 100176 2 北京教育學院豐臺分院 北京 100073）

《高中生物學課程標準（2017年版）》根據(jù)教育部提出的中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)，提出了高中生物學的學科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、 理性思維、科學探究和社會責任4 個維度。培養(yǎng)核心素養(yǎng)的生物學課程，應積極倡導以小組自主合作探究為主的學習活動，通過逐層深入的問題，激發(fā)學生的好奇心和探索欲，引導學生形成理性思維，加深對生物學科本質(zhì)的理解，形成相關的生命觀念，并愿意參與有關社會問題的討論，能運用科學知識和方法指導實際生活，形成社會責任。

所謂“自主合作探究”的教學方式是在教師指導下，以問題為載體，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新素質(zhì)為核心，以學生的動手實踐、自主探索、合作交流為主的學習方式。通過小組合作學習和組間交流，實現(xiàn)全體學生的主動性、社會性和創(chuàng)造性，并獲得和諧發(fā)展。

建構主義理論認為，“每個學習者都不應等待知識的傳遞，而應基于自己與外界相互作用的獨特經(jīng)驗去建構自己的知識。 ”為此，教師要利用“自主合作探究”教學模式，激發(fā)學生學習的積極性、探究的主動性，利用教學過程的診斷性與反思性，實現(xiàn)概念的自主構建。

1 教學內(nèi)容分析

“呼吸作用”是生物學科的核心知識。在《高中生物學課程標準（2017年版）》的內(nèi)容標準中，相關大概念與基本概念的表述為：

大概念：2 細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖。

重要概念：2.2 細胞的功能絕大多數(shù)基于化學反應，這些反應發(fā)生在細胞的特定區(qū)域。

次位概念：2.2.4 說明生物通過細胞呼吸將儲存在有機分子中的能量轉化為生命活動可以利用的能量。

為幫助學生達成對上述概念的理解，課程標準要求學生能從物質(zhì)與能量視角，探索光合作用與呼吸作用，闡明細胞生命活動過程中貫穿著物質(zhì)與能量的變化，以科學探究的方法樹立生命觀念。

本節(jié)課為人教版教材必修1《分子與細胞》第5 章“細胞的能量供應和利用”第3 節(jié)“細胞呼吸”的內(nèi)容。 細胞呼吸為生物學微觀層級的概念，利用宏觀的種子萌發(fā)過程進行教學，可使現(xiàn)象放大，讓學生直觀體會細胞呼吸的現(xiàn)象。利用自主合作探究教學，引導學生以問題為出發(fā)點，通過對有氧、無氧自變量的設置，控制無關變量，收集證據(jù)，對感興趣的相關因變量進行檢測，通過分析得出結論。

本節(jié)內(nèi)容共設計2 課時，本節(jié)內(nèi)容為第1 課時，即以種子萌發(fā)的現(xiàn)象為切入點，利用簡單的生活用品——綠豆和密封袋為主要的實驗材料和裝置，引導學生進行分組實驗探究，逐步得出有氧和無氧條件下細胞呼吸的相關產(chǎn)物，進行比較后得出有氧呼吸和無氧呼吸的方程式，再運用所學內(nèi)容解決相關問題。第2 課時在前面探究的基礎上，通過大量的科學研究資料，進行微觀層面的“細胞呼吸”具體過程學。

2 學情分析

2.1 學生學習的知識、經(jīng)驗、技術基礎 學生在初一已初步學習“呼吸作用”的知識，對有氧呼吸的反應物和產(chǎn)物有一定了解，對種子的萌發(fā)過程的生命現(xiàn)象較為熟悉，經(jīng)過高一年級前期對細胞亞顯微結構的認識，能將微觀的細胞代謝和宏觀的生命現(xiàn)象建立初步的聯(lián)系。 經(jīng)過初三對化學知識的學習，學生已掌握一些基本的化學實驗操作技術，并對二氧化碳等物質(zhì)的檢測方法有一定了解。高一學生思維活躍，好奇心強，具有一定的科學常識和社會活動經(jīng)驗，可通過小組合作進行學習。

2.2 學生在學習過程中會遇到的困難 高一學生對無氧呼吸的生命現(xiàn)象及產(chǎn)物不熟悉； 相關化學基礎不夠牢固；全程參與探究的經(jīng)歷較少，實施方案和解決問題的經(jīng)驗和能力有待提高。

3 教學目標

1）說出種子在萌發(fā)時進行有氧呼吸和無氧呼吸。 說明種子有氧呼吸和無氧呼吸的檢測方法。

2）通過對種子萌發(fā)過程中直觀現(xiàn)象的觀察，逐一分析有氧呼吸和無氧呼吸的產(chǎn)物，學習運用科學的思維方法認識事物，逐漸形成嚴謹?shù)倪壿嬎季S能力和具有批判精神。

3）在自主合作探究的過程中，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施及結果的交流討論、得出結論，發(fā)展科學探究能力，以及團隊合作和創(chuàng)新能力。

4）通過對社會實際現(xiàn)象的分析，作出理性解釋和判斷，引導學生參與個人與社會事務的討論，滲透社會責任。

4 教學重、難點

1）重點：認識有氧呼吸和無氧呼吸2 種呼吸類型的區(qū)別。 提高觀察、提問、實驗設計、方案實施，以及結果的交流與討論的能力。

2）難點：通過分析實驗裝置和實驗現(xiàn)象得出相關結論。

5 教學過程

5.1 情境導入，激趣設疑 從著名作家夏衍的《種子的力量》作為導入，提出問題：世界上什么東西的氣力最大？ 為什么萌發(fā)的種子力量如此之大？

提供資料，學生閱讀：種子萌發(fā)是一系列有序的生理過程和形態(tài)發(fā)生過程，大致經(jīng)過以下過程：①種子萌發(fā)吸脹，體積迅速增大，種皮變軟，對氣體通透性增加，此時細胞主要進行無氧呼吸。②各種酶的活化，例如大麥種子吸脹后，胚首先釋放赤霉素轉移至胚乳，誘導水解酶的合成，進而將貯存的淀粉、蛋白質(zhì)水解成可溶性物質(zhì)（麥芽糖、葡萄糖、氨基酸等），供胚生長的需要，此時主要進行有氧呼吸。 ③種子細胞分裂和增大，吸水量又迅速增加。④種子的胚突破種皮。⑤種子萌發(fā)長成幼苗。

引導學生從提供的資料和生活已有經(jīng)驗，在已知“種子萌發(fā)的條件之一為充足的空氣”基礎上，進一步獲知種子萌發(fā)過程中存在有氧呼吸和無氧呼吸，從而產(chǎn)生探究問題：有氧和無氧條件下種子的萌發(fā)有何不同？ 通過認識種子強大和旺盛的生命力，引導學生形成尊重生命的觀點，并明確探究的問題。

5.2 課前探究，選擇實驗裝置和材料 課前在由學生提出一些假設，例如在有氧和無氧條件下種子的萌發(fā)率不同、代謝的產(chǎn)物不同、產(chǎn)生的能量不同等基礎上，進行分組實驗探究。

5.2.1 實驗裝置的選擇 本探究實驗的自變量為有、無氧氣，因此對于實驗裝置的選擇既要考慮密封效果，又要考慮便于檢測內(nèi)部的各種指標。學生進行了多種嘗試，例如用塑料瓶、氣液相密封實驗器等，最終確定用最簡單的密封袋作為實驗裝置。因為塑料瓶對自變量的控制效果，以及氣液相密封實驗器的氣密性都不如密封袋。 密封袋簡單易獲取，可通過簡易氣泵進行打氣和抽氣，實現(xiàn)對自變量的嚴格控制，也可通過其他方法進行其他物質(zhì)的定量檢測（圖1）。

5.2.2 實驗材料的選擇 學生通過對綠豆、黃豆、小麥等種子進行萌發(fā)條件的比較，發(fā)現(xiàn)綠豆種子最容易萌發(fā)，且最易獲取。通過實驗發(fā)現(xiàn)綠豆與水的比例為1∶1 時，種子的萌發(fā)率最高。

5.3 分組實驗探究，體會科學方法 將全班分成不同的探究小組，按照學生提出的假設，依據(jù)科學探究的實驗設計原則進行實驗設計，并加以實施。 學生以自主合作探究的方式，研究提出的問題，收集數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析得出結論，使問題得到解決，以此提高科學探究能力，并形成嚴謹務實的科學態(tài)度。

5.3.1 有氧和無氧條件下種子萌發(fā)率的比較探究1 組對有氧和無氧條件下種子的萌發(fā)率進行了探究，課前分別將有氧和無氧條件下的種子，置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 d，分別統(tǒng)計并計算得到萌發(fā)率。 探究結果顯示，在無氧條件下，種子的萌發(fā)率為40.2%，在有氧的條件下，種子的萌發(fā)率為95.5%，可見有氧條件下種子的萌發(fā)率明顯高于無氧條件下的種子萌發(fā)率。

5.3.2 有氧和無氧條件下種子萌發(fā)釋放能量的比較 探究2 組對有氧無氧條件下種子萌發(fā)釋放的能量進行了探究，課前分別將有氧和無氧條件下種子的密封袋中放置溫度計后，置于保溫杯中放置3 d。起始溫度為17℃，3 d 后，有氧條件下為20℃，無氧條件下為18℃。 經(jīng)若干次實驗結果表明，有氧條件下萌發(fā)種子釋放的能量要多于無氧條件下萌發(fā)種子釋放的能量。

通過此探究實驗和結果，啟發(fā)學生質(zhì)疑。學生提出新的問題： 為什么有氧條件種子萌發(fā)釋放的能量要高于無氧條件？ 進而引發(fā)學生對不同條件下種子萌發(fā)代謝產(chǎn)物的探究。

5.3.3 有氧和無氧條件下種子萌發(fā)產(chǎn)物的比較根據(jù)初中學過的內(nèi)容，學生已知種子呼吸作用的產(chǎn)物有CO2，在無氧條件下有CO2產(chǎn)生嗎？ 其CO2的量與有氧條件相比又如何？ 探究3 組對有氧和無氧條件下種子萌發(fā)是否產(chǎn)生CO2進行了比較。

由于密封袋內(nèi)的氣體不易取出，教師引導學生經(jīng)過多種嘗試后確定，分別用2 個帶針管的注射器扎進有氧和無氧密封袋，深入萌發(fā)種子內(nèi)部，緩慢抽取20 mL 氣體； 再將2 個注射器內(nèi)的氣體，同時緩慢注入2 個小試管內(nèi)的溴麝香草酚藍（BTB）溶液中，觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在2 種條件下溴麝香草酚藍溶液都由藍變綠變黃，即BTB（藍色）+CO2→BTB（綠色）+CO2→BTB（黃色），可見2 種條件下都產(chǎn)生了CO2。

學生提出質(zhì)疑，萌發(fā)種子在2 種不同條件下產(chǎn)生二氧化碳的量是否相同？

5.4 深入實驗探究，逐步構建概念

5.4.1 有氧和無氧條件下種子萌發(fā)產(chǎn)生CO2量的比較 為了弄清楚有氧和無氧條件下萌發(fā)種子產(chǎn)生的CO2量是否相同，在課堂上教師引導學生利用教材中探究酵母菌的呼吸方式的裝置進行CO2的檢測。 根據(jù)前面的實驗和學生的實際情況，教師對教材實驗進行了改進。

1）實驗材料的選擇：實驗材料仍然延用萌發(fā)的綠豆種子，既是前面實驗的延續(xù)，又突出了實驗材料肉眼可見的直觀性。

2）改進實驗裝置：在原來有氧呼吸的裝置中，由于萌發(fā)種子CO2釋放的速度較快，通入溴麝香草酚藍溶液中之后尚未反應就跑逸了，所以變色反應不充分，無法與無氧呼吸進行比較。因此調(diào)節(jié)放慢了氣泵的泵氣速度，并間歇性地通入空氣；此外，在2 套裝置的出氣管處增加止水夾，管口加上注射器針頭以減緩出氣速度，使有氧和無氧條件下產(chǎn)生CO2氣體能充分與溴麝香草酚藍溶液進行反應，現(xiàn)象區(qū)分更加明顯（圖2）。 結果顯示，有氧條件下溴麝香草酚藍溶液變黃，而無氧條件下溴麝香草酚藍溶液變綠，進而得出有氧條件下產(chǎn)生的CO2氣體多于無氧條件。

此探究實驗設置為課堂上全體學生進行的活動。學生在弄清楚實驗原理后，利用密封袋簡易裝置進行實驗。教師引導學生對實驗結果提出疑問，有氧和無氧條件產(chǎn)生的CO2氣體一樣多嗎？ 為什么顏色變化是相同的？ 學生通過對實驗現(xiàn)象的觀察，引發(fā)深入思考，提出質(zhì)疑。 由于實驗過程較長，在課堂上安排探究小組成員介紹實驗裝置的改進過程，并播放視頻展示實驗結果，對學生提出的疑問給予解答。 學生自己做的實驗結果則安排在課后觀察。

5.4.2 有氧和無氧條件下種子萌發(fā)代謝產(chǎn)物pH值的比較 在萌發(fā)種子的代謝產(chǎn)物中，pH 值是否不同？課堂上全體學生操作相關實驗。將玻璃棒分別伸入有氧和無氧條件下萌發(fā)種子的密封袋中，蘸取一滴液體，點在精密pH 試紙（5.5～9.0）上，與比色卡進行比色。結果顯示，有氧條件下萌發(fā)種子代謝產(chǎn)物的pH 約為5.5，而無氧條件下萌發(fā)種子代謝產(chǎn)物的pH 約為6.5。引導學生思考，為什么2種條件下產(chǎn)物都為弱酸性？ 為什么有氧條件下產(chǎn)物的酸性要比無氧條件下產(chǎn)物的酸性略強？ 進而與前面有氧和無氧條件下種子萌發(fā)產(chǎn)生CO2比較實驗進行呼應，即CO2的產(chǎn)生使產(chǎn)物呈現(xiàn)弱酸性，且有氧條件比無氧條件產(chǎn)生的CO2多，進而呈現(xiàn)了酸性的差別。

5.4.3 有氧和無氧條件下種子萌發(fā)代謝產(chǎn)物酒精的比較 讓學生打開裝有萌發(fā)種子的密封袋，聞一聞，能聞到酒精的氣味，引導學生提出問題：萌發(fā)種子的代謝產(chǎn)物中是否有酒精？

教師介紹檢測酒精的方法，即橙色的重鉻酸鉀的濃硫酸溶液與酒精發(fā)生化學反應，變?yōu)榛揖G色。學生分組操作：取有氧和無氧條件的2 個密封袋內(nèi)液體各1 mL，分別加入2 支試管；分別向2個試管中加入1 mL 酸性重鉻酸鉀溶液； 振蕩混合均勻后，比較2 個試管內(nèi)的顏色變化。 結果顯示，有氧和無氧條件下代謝產(chǎn)物都使橙色的重鉻酸鉀變?yōu)榛揖G色，但是無氧條件下灰綠色更深。學生質(zhì)疑，有氧和無氧條件都產(chǎn)生酒精嗎？引導學生從學案中有關種子的萌發(fā)相關資料中獲取信息進行解釋，即種子萌發(fā)初期都先進行無氧呼吸，待種子吸水到一定程度，有氧呼吸相關酶活化，才開始進行有氧呼吸。

5.5 有氧和無氧呼吸的比較 通過對有氧和無氧條件產(chǎn)物的檢測，得出種子萌發(fā)有氧和無氧呼吸的方程式（圖3）。

在此基礎上引導學生分析前面提出的問題，“為什么有氧呼吸比無氧呼吸釋放的能量多？ ”經(jīng)過討論明確： 有氧呼吸將葡萄糖等有機物徹底分解為CO2和H2O 這樣的無機物，而無氧呼吸產(chǎn)物中存在酒精等有機物，里面仍然貯存少部分能量。

5.6 小結與提升，進行理性分析與深入探究 學生已了解有氧呼吸和無氧呼吸的區(qū)別，通過圖4引導學生根據(jù)2 個裝置中有色液滴的移動情況（表1），分析種子的呼吸類型，對本節(jié)內(nèi)容進行小結和提升，同時引導探究小組繼續(xù)進行課后的探究活動。

表1 種子萌發(fā)過程中呼吸作用類型的分析

課后探究小組的學生繼續(xù)對綠豆萌發(fā)過程中呼吸作用進行探究，結果顯示裝有NaOH 的裝置（裝置1）有色液滴在4 h 向左移進入三角瓶中，裝有蒸餾水的裝置（裝置2）在相同時間內(nèi)向右移出玻璃管。 學生通過實驗明確綠豆種子萌發(fā)過程中既有有氧呼吸，又有無氧呼吸。

5.7 點題升華、回歸生活（提升生命觀念，形成社會責任） 利用夏衍《種子的力量》后半文對種子的精神的贊揚，激發(fā)學生堅韌的生命精神。通過課前學案中有關“毒豆芽事件”相關資料的分析，學會分辨毒豆芽，對社會事件進行分析，認識到社會上的不良現(xiàn)象，作出理性判斷形成社會責任，并提出通過控制溫度、使裝置中氧氣充足、利用可食用植物激素進行處理提高產(chǎn)量的方法。

6 課堂的評價（落實核心素養(yǎng)）

本節(jié)課采用課堂點評與探究報告2 種評價方式。 ①課堂點評：課堂設置對探究小組匯報進行學生點評和教師點評2 個部分，通過點評和質(zhì)疑，促進學生的反思和發(fā)展。 ②探究報告：每組完成一份探究報告。探究報告中設置探究的各個環(huán)節(jié)，包含探究的一般過程，以及小組評價部分。通過探究的一般過程確認學生對探究過程的了解情況及實驗的操作情況，進而確定學生的進步和達到的學業(yè)水平程度，用以診斷學生學習中存在的問題。 通過小組評價反映學生的學習態(tài)度、自主學習的能力、合作學習的精神等。 同時鼓勵真實的實驗記錄和優(yōu)良的改進方法，例如有的小組將課上錄制的有氧和無氧條件下CO2使溴麝香草酚藍溶液變黃的視頻，轉換為變黃的速率，很好地解決了課上實驗有氧和無氧都使溴麝香草酚藍溶液變黃的問題（圖5）。

“基于核心素養(yǎng)探究細胞呼吸”教學案例，教學內(nèi)容橫向融合生物學、化學、語文等多學科，縱向打破初中、高中學段圍欄，進行整體分層規(guī)劃設計，以培養(yǎng)學生的生物學科核心素養(yǎng)。 案例通過一個個探究實驗，學生逐步認識了細胞的有氧呼吸和無氧呼吸，體現(xiàn)概念構建的過程；通過自主合作探究活動，提高科學探究能力及團隊合作和創(chuàng)新能力； 通過對種子萌發(fā)過程中直觀的現(xiàn)象觀察，分析內(nèi)部發(fā)生的微觀變化，運用科學的思維方法認識事物，形成嚴謹?shù)倪壿嬎季S能力和批判精神；通過毒豆芽事件的分析，作出理性解釋和判斷，引導學生參與個人與社會事務的討論，明確社會責任。