吳惠萍

摘要：本文以“探索需氧呼吸過程”的教學為例，就需氧呼吸的場所、條件、物質變化和能量變化展開探究式教學，通過提出問題、引導分析解釋、得出結論卜發(fā)展學生的科學思維。

關鍵詞：科學思維、需氧呼吸實驗探究

“細胞呼吸”是浙科版高中生物學必修1《分子與細胞少第3章第3節(jié)內容，是細胞代謝的核心，也是學習其他生命活動及生命規(guī)律的基礎，是必修一的教學重點和難點。教材對需氧呼吸的反應式，O2何時何地參與反應，CO2何時何地產生介紹不詳細，學生容易產生困惑。在平時的教學中往往借助多媒體課件和指導閱讀教材，讓學生整理教材圖解、寫出分階段反應式乃至總反應式，然后總結細胞呼吸概念。但由于學生缺乏對細胞呼吸復雜過程的主動探究與理性思考，只是被動接受細胞呼吸的本質變化，無法真正理解細胞呼吸內在的復雜性，記不住又自然無法靈活應用于解決實際問題，不利于學生科學思維的發(fā)展。

本課堂的教學根據(jù)學生的生活經驗和實驗現(xiàn)象嘗試寫出初步的反應式。不時引導學生設計實驗、完善反應式。學生在參與有氧呼吸的場所、物質變化和能量變化的探索過程，激發(fā)了深層的思考，深刻領悟有氧呼吸的復雜機制，提高解決或解釋日常生活或生產實踐上的問題的能力，旨在發(fā)展學生的科學思維。

一、教學探究過程

1.分析細胞呼吸實驗結果，嘗試寫出有氧呼吸的反應式

請學生觀察描述實驗現(xiàn)象，可觀察到瓶中有氣泡產生，瓶壁上出現(xiàn)水珠說明有“水”生成，從保溫瓶裝置測得溫度升高（有能量釋放）。

初步結論：有氧呼吸反應式可寫成：

C₆H₁₂O₆+O₂→CO₂+H₂O+能量。

那么葡萄糖如何脫氫生成CO₂，O₂如何加氫生成H₂O呢？需氧呼吸發(fā)生的場所和所需的具體條件又是什么呢？

2.問題1：需氧呼吸的場所是細胞溶膠或是線粒體？

引導分析：將細胞離心處理成不同組分，各加入葡萄糖和氧氣，分別觀察以探明需氧呼吸場所。

酵母菌破碎后，離心得到只含有酵母菌細胞器的沉淀物（線粒體）和酵母菌細胞溶膠兩部分，并與未離心處理過的酵母菌勻漿分別放入甲、乙、丙3支試管中，并向這3支試管內同時滴人等量等濃度的葡萄糖溶液。

結果：甲和丙產生氣泡，乙沒有氣泡

結論：葡萄糖能在細胞溶膠中分解。

材料：1900年，德裔美國科學家米凱利斯用染料健那綠B對活體肝細胞進行染色時發(fā)現(xiàn)，健那綠B可將線粒體染成藍綠色。而氧氣耗盡后，線粒體的顏色逐漸消失。染料的顏色變化是由于其氧化還原電位發(fā)生改變，說明氧氣通過線粒體使染料保持氧化狀態(tài)而呈藍綠色，也說明了有氧呼吸先后在細胞溶膠和線粒體進行。1940年，由德國生物化學家G.Embden、O.Meyerhof和J.K.Parnas等人闡明了糖酵解的整個途徑：葡萄糖在己糖激酶的作用下形成6一磷酸葡萄糖，經過糖酵解準備階段和放能階段后變化分解為丙酮酸。

推斷：丙酮酸是有氧呼吸的中間產物，細胞溶膠和線粒體是有氧呼吸進行先后場所。

3.問題2：中間產物丙酮酸轉化為CO₂和H₂O是否發(fā)生在線粒體？

取肝細胞進行充分的饑餓處理，耗盡細胞中原有的葡萄糖;將細胞器勻漿通過差速離心處理成不同組分，取細胞溶膠、線粒體，分別放入不同試管，再分別加入等量且適量的丙酮酸培養(yǎng)。。

結論：僅含線粒體的試管有CO₂生成。說明在有氧條件下，丙酮酸在線粒體進一步反應生成CO₂和H₂和H₂O。

材料：1936年前后，克雷布斯，利用鴿子飛行肌作實驗材料，通過實驗證明在多種有機酸和相應脫氫酶作用下，丙酮酸被激活、氧化生成二氧化碳和水。Warburg發(fā)現(xiàn)，“丙酮酸脫氫”與“O2加氫”分開進行。大膽推斷：“C₃H₄O₃（丙酮酸）→CO₂+H₂O”應該分兩步進行，首先丙酮酸在線粒體脫氫生成CO₂，其次O2在線粒體加氫生成H2O。匈牙利的科學工作者A.Szent-Gyorgyi提出，生物氧化過程中氫的激活和氧的激活都是需要的，在“呼吸酶”和脫氫酶之間起傳遞電子作用的是黃素蛋白類物質。科學家深入研究發(fā)現(xiàn)，呼吸作用并非通過一種酶完成，而是一系列酶共同作用的結果，最終提出了電子傳遞鏈（或呼吸鏈）概念。1948年之后，肯尼迪和勒寧杰證明了線粒體在三羧酸循環(huán)、電子傳遞、氧化磷酸化中發(fā)揮重要作用，線粒體是真核生物進行能量轉換的細胞器。

4.問題3：通過實驗設計比較三個階段釋放能量的多少

材料：試管3支、酵母菌研磨離心后得到的沉淀（含線粒體）和上清液（含細胞溶膠）、提供葡萄糖、丙酮酸、熒光素、石蠟油（可隔絕空氣）

學生評價：在甲乙丙試管中分別加入哪些物質，可模擬需氧呼吸的不同階段？

結論：第三階段釋放的能量最多

5.問題4：攜帶高能量的[H]如何通過電子傳遞體促進OZ氧化并合成大量ATP？

英國生物化學家米切爾提出了當時未引起人們注意的“化學滲透說”。該學說認為，呼吸鏈的各組成成分在線粒體內膜中呈不對稱分布。當電子在膜中遷回傳遞時，所釋放的能量將質子由膜內（基質）泵至膜外（內外膜間隙），從而使內膜外的質子濃度高于內膜內即內膜外較膜內pH值更低一些。在這個梯度的驅動下，質子穿過膜上的ATP酶復合體回流入膜內，其能量促使ADP和Pi合成ATP。人為地改變酸堿環(huán)境.造成內膜兩邊的離子濃度差，也可促使ATP的形成。

6.需氧呼吸的概念和過程

細胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解產生二氧化碳和水，同時釋放出大量能量的過程。

列出三個階段的化學反應式及總反應式。

第一階段：C₆H₁₂O₆^酶→2C₃H₄O₃（丙酮酸）+4[H]+少量能量（2ATP）（4[H]為4NADH）。

第二階段：2C₃H₄O₃（丙酮酸）+6H₂O^酶→20[H]+6CO₂+少量能量（2ATP）（20[H]為16NADH和4FADH2）

第三階段：24[H]+6O₂^酶→12H₂O+大量能量（26ATP）（24[H]為10*2NADH和2*FADH2）

有氧呼吸總反應式可表示為：

C₆H₁₂O₆+6H₂O+6O₂^酶→6CO₂+12H₂O+大量能量

師生合作，畫出需氧呼吸三個階段的模式圖：

7.課后習題

將酵母菌勻漿離心分離后，得到上清液（含細胞溶膠）和沉淀物（含線粒體），把等量的上清液、沉淀物和未離心處理的勻漿分別放入甲、乙、丙3個試管中，如圖所示，分別進行以下實驗：實驗一：向三支試管分別滴加等量的葡萄糖溶液，甲、乙、丙中的最終產物分別是什么？

實驗二：向三支試管中滴加等量的丙酮酸，甲、乙、丙中的最終產物分別是什么？

實驗三：在隔絕空氣的條件下，重復實驗一，甲、乙、丙中的最終產物分別是什么？

二、探究式教學的教育價值

生物學事實性知識較多，概念性知識抽象，有些知識間的邏輯聯(lián)系不十分緊密。因此，在生物學教學中，有必要創(chuàng)設科學研究情境，開展論證式教學，將核心概念整理成問題，以問題引導思維，激發(fā)學生聯(lián)系已有知識經驗，提出可能的、合理的猜想，并在同伴和教師的幫助下，從教材、網絡、動手實驗等方面尋找證據(jù)以支持解釋猜想或思路、得出結論，形成正確的生命觀念。幫助學生在學會生物學知識的同時體驗科學研究方法，逐步養(yǎng)成科學的思維方式。

參考文獻

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