基于科学史实的“呼吸作用的过程”概念教学设计

施剑杰

（江苏省宿迁中学 江苏宿迁 223800）

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》在教学建议中建议教师在生物学教学中应“注重生物科学史和科学本质的学习，学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神，这对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的”。基于此，下文以2019年版人教版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》中第五章“细胞的能量供应和利用”第三节“细胞呼吸的原理和应用”的“有氧呼吸和无氧呼吸”内容为例，以生物科学史为载体贯穿整个教学过程，引导学生主动构建出细胞呼吸这个概念，落实生物学科核心素养的培养。

1 教材分析

人教版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第五章第三节“细胞呼吸的原理和应用”第二部分是“有氧呼吸和无氧呼吸”。该部分内容从物质和能量变化的角度进一步介绍了有氧呼吸和无氧呼吸的过程，其中有氧呼吸的发生与前面的线粒体相联系，呼吸作用释放能量（ATP）与后面的细胞分裂、细胞分化、蛋白质合成、DNA复制等知识相联系，与生态系统的物质循环、能量流动等知识也相联系。因此，本节内容在整个高中生物学教学中具有重要的作用和地位。学习本节内容不仅能帮助学生掌握呼吸作用的具体过程，也有助于学生把呼吸作用的原理应用到生产生活实践中，解决现实生活中与呼吸作用相关的问题。

2 教学目标

①通过模型展示复习线粒体的结构，说出有氧呼吸发生的场所与过程，形成结构与功能观；通过小组合作讨论、归纳和构建呼吸作用过程的概念图解，形成物质与能量观等生命观念。

②通过阅读、分析生物科学史实资料，依托问题驱动，逐步认同无氧呼吸和有氧呼吸过程中的物质变化和能量变化，训练科学思维。

③通过了解生物科学史，认同科学研究是艰辛的，崇尚科学家们对待科学的态度。

3 教学过程

3.1 创设真实情境，导入新课

教师播放“宿迁洋河酒厂酿酒”视频，学生通过观看洋河酒厂酿酒时加入酵母菌和糖类，密闭酿造出酒的视频，引发解决真实情境问题的欲望，成为课堂问题解决的主体。之后，学生利用实验室的线粒体模型讲解线粒体的结构和成分，复习巩固线粒体相关知识的同时，试着从结构与功能观的视角去看待一些生命现象。

3.2 依托科学史资料群，初步形成无氧呼吸概念

教师展示资料，为学生学习“无氧呼吸”提供科学史背景。

资料1：人们从很早开始就已经会用酵母菌将葡萄糖发酵成乙醇和CO2，但是对发酵的研究却是在19世纪后半叶才开始的。1905年，英国化学家哈登和扬发现乙醇发酵需要一些酶的作用，没有这些酶发酵无法进行，且这些酶都存在于细胞质基质中。此后经过20年的努力，科学家终于搞清了发酵的全过程。中间产物有丙酮酸，且这个中间过程中有ATP和[H]的生成。

资料2：1933年德国的生物化学家爱姆勃登、德国的迈耶霍夫（Qtto Meyehof）、波兰的帕娜斯发现，动物肌肉浸出液也可利用葡萄糖发酵，除了产物是乳酸，中间产物也和乙醇发酵一样。

教师展示细胞质基质中的物质和能量转化图，结合资料，设置以下任务：①分析资料1，说明葡萄糖发酵发生的场所，小组合作写出化学反应式。②阅读资料2，说出糖酵解的另外一种形式，小组合作写出化学反应式。③小组讨论无氧呼吸中能量变化和去路的途径。学生分析以上2个无氧呼吸科学史资料，得出“无氧呼吸是葡萄糖经过一系列反应产生乙醇和CO2或乳酸”“无氧呼吸的中间产物是丙酮酸”“无氧呼吸产生丙酮酸的过程中有ATP和[H]生成”“无氧呼吸反应场所在细胞质基质”这四个小概念。接着，教师引导学生整合这些小概念，从反应物、生成物、反应条件、场所4个方面对无氧呼吸的概念进行归纳，再通过让学生观察细胞质基质中物质和能量变化图，引导学生构建出完整的无氧呼吸的概念，为后面构建呼吸作用的次位概念做铺垫。

3.3 依据科学史实资料群，构建有氧呼吸概念

教师呈现资料，为“有氧呼吸”提供学习背景。

资料3：1937年，德国化学家汉斯·克雷布斯在前人研究的基础上，总结出糖类在细胞内是按特定的顺序发生化学反应，在有氧条件下丙酮酸在脱羧酶的作用下脱[H]，生成CO2，并产生能量，但是这个过程检测到氧气没有参与。

资料4：利维和施利曼等发现催化上述反应的脱羧酶存在于线粒体基质中。

资料5：葡萄糖生成丙酮酸产生的[H]以及丙酮酸继续氧化生成的[H]在氧气的作用下氧化磷酸化生成大量的水和能量。

资料6：1960年，科学家用超声波将线粒体嵴打成碎片。这些碎片会自动重新封闭起来形成泡状体，这些泡状体表面含有F1颗粒，仍保有氧化磷酸化作用，若将F1颗粒除去则无法合成ATP。

教师展示细胞质基质和线粒体中的物质和能量转化图，提出问题：①结合资料3，小组讨论总结有氧呼吸第二阶段的反应式；②结合资料4，说明丙酮酸在有氧条件下生成CO2和水的场所；③通过资料5，小组讨论总结氧化磷酸化即有氧呼吸第三阶段的反应式；④根据资料6，说出有氧呼吸第三阶段的场所；⑤小组讨论有氧呼吸能量变化和去路，结合资料3、4、5、6总结有氧呼吸的特点。

学生通过对以上4个有氧呼吸科学史资料的分析，先得出了3个有氧呼吸分阶段的小概念：有氧呼吸第一阶段与无氧呼吸第一阶段完全相同；有氧呼吸第二阶段是丙酮酸在线粒体基质中生成CO2；有氧呼吸第三阶段（氧化磷酸化阶段）是指在线粒体嵴上[H]和氧气生产大量水和能量。然后，教师引导学生对这三个小概念从有氧呼吸反应物、生成物、反应条件、场所等方面进行归纳整合，再让学生观察细胞质基质和线粒体中的物质和能量变化图。据此，学生能够逐步得出有氧呼吸作用总反应式，构建出完整的有氧呼吸概念，为后面构建呼吸作用的次位概念做充分的铺垫。

3.5 构建呼吸作用的概念

教师首先引导学生从反应场所、反应条件、分解产物、能量释放、ATP产生阶段这些方面尝试设计简明的表格来比较无氧呼吸和有氧呼吸（表1）。

表1 无氧呼吸与有氧呼吸的异同点比较

之后，教师引导学生使用课前发放的小黑板和物质卡片，构建出呼吸作用过程概念图（图1），并请一个小组展示成果。

图1 学生构建的呼吸作用概念图

在此基础上，学生归纳出无氧呼吸和有氧呼吸的共性，构建出细胞呼吸的概念：细胞呼吸指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放能量并生成ATP的过程。

4 教学反思

学生通过本节课的学习能够说明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。在学习这一次位概念时，教师提供详细的有关细胞呼吸的生物学科学史，引导学生像科学家一样真正去探索呼吸作用的过程。学生在分析科学史的活动中，锻炼归纳与概括能力，发展思维。