创设问题情境引领合作探究

高中生物新课标提出，在教学中要“逐步培养学生搜集和处理科学信息的能力，获取新知识的能力、批判性思维的能力、分析和解决问题的能力，以及交流与合作的能力”，也就是说，教师要将“教学生学会‘做科学比‘记科学更重要”这一理念贯彻到教学中。“小组合作学习”和“探究性学习”是实现“做科学”的有效办法。本文以人教版必修一第五章第3节《ATP的主要来源——细胞呼吸》第一课时“有氧呼吸”为例，介绍如何开发以教师为主导、学生为主体的合作与探究的高中生物课堂。

一、深入解析教材，形成新课改背景下的教学设计思路

生命活动必需依赖细胞呼吸提供能量，细胞呼吸是生物每时每刻都在进行的生命活动。《ATP的主要来源——细胞呼吸》这一节内容与前面所学的线粒体的结构和功能、主动运输、ATP、光合作用、植物对矿质离子的吸收以及必修三中的人体血糖调节、神经调节等内容有着密切的联系；同时，细胞呼吸的相关内容也为学生今后学习其他生命活动及规律、分析综合性问题奠定基础，因此它是本章的重点。

《ATP的主要来源——细胞呼吸》共分为2个理论课时和1个实验课时，其中第一课时“有氧呼吸”的教学重点是让学生理解有氧呼吸的三大生化反应阶段和原理。教材对三个阶段进行了什么反应做了说明，但没有提供相应的实验，也没有联系学生已经掌握的相关知识，如对第三阶段反应的表述是：“前两个阶段产生的[H]，经过一系列的化学反应，与氧结合形成水，同时释放出大量的能量。这一阶段需要氧的参与，是在线粒体内膜上进行的。”若教师仅以讲授的方式直接给出“三大阶段产生了什么、是在哪里进行的”这样的结论，让学生被动接受知识的话，由于没有科学研究过程做背景，学生会产生许多新的疑问：为什么氢与氧要在内膜上反应生成水？内膜提供了什么样的结构来完成这一功能？

为避免这样的课堂状态，达成新课标下教学模式与学习方式的变革，笔者在教学设计上作了如下调整：

1.概念教学方面，对“呼吸”“呼吸作用”“细胞呼吸”三个概念进行对比和剖析，让学生理解细胞为呼吸作用提供场所和条件，并保障多步、有序、温和的放能过程，使细胞能够获得相对稳定的能量“通货”ATP。

2.以研究资料来激发学生主动求知的兴趣，让学生通过小组合作，分析和推断出有氧呼吸在细胞的相应部位分步进行的结论。

3.整合化学的氧化还原知识、物理学的能量转化知识和水力发电原理。

4.引入大学阶段线粒体的电子传递链和ATP合成酶的内容，虽提升了知识的难度，但通过联系前面已学过的生物膜系统、物质跨膜运输的方式、酶等知识，合理地搭建知识体系，化难为易，让学生清晰、透彻地掌握细胞的能量代谢机理，使学生通过积极的思考来建构新知，形成知识网络。

二、精选教学资料，激发学生自主探究的兴趣

科学探究始于问题。在课堂上教师要努力创设问题情境，引导学生由认知世界、提出问题、检验接受或抛弃假设而得出结论，由此又引出新的问题，循序渐近、步步深入地生成概念、建构知识。在备课的过程中，为了引导学生主动参与课堂上的探究过程，教师要根据教材内容向学生展示问题，并给学生提供适合探究性学习的资料。这就要求教师根据教学所需，对搜集到的相关科研资料进行仔细加工，让学生理解资料中涉及的研究方法、原理和操作环节。

在备课时，笔者找到了如下有关细胞呼吸的实验资料：

在一定条件下，采用差速离心法可以将细胞匀浆中的各种细胞成分分离出来，并且能保持细胞器的结构和酶的活性。

在适宜的条件下，把萌发3—4天的黄瓜子叶置于研钵中研磨，将研磨后的细胞匀浆差速离心后得到各种成分。现把细胞匀浆及分离得到的各种成分注入以下试管中，并使各试管悬液体积相等，各试管之间同一种成分的浓度相同，然后在一定条件下分别进行实验，研究细胞呼吸的过程是怎样发生的。

实验：分别向6支试管中通入等量的氧气和用3H（氚）标记的等量的葡萄糖，一段时间后，检测各试管内变化情况。（见表1）

为了突出本节课的教学重点，笔者在印发给学生的课前阅读资料中舍去了5号及6号两组实验，实验仅围绕有氧呼吸展开，重点分析细胞质基质与线粒体在呼吸中的作用，将问题聚焦到研讨“线粒体与有氧呼吸的关系”，避免因为讨论“叶绿体、核糖体与呼吸作用不直接相关”而使课堂教学内容过于分散。

为了让学生对课前阅读资料中的差速离心法有切身的体会，笔者选取了差速离心法运用的相关视频，通过恰当剪裁并改变播放速度，突出了该技术原理的呈现。为了让学生更好地理解视频中的内容，笔者在印发的资料中还提供了多媒体动画中的线粒体亚显微结构图。

三、整合知识，以跨学科思维引导探究

（一）构建概念教学和探究的问题链

学生在初中阶段已学习过细胞呼吸的简单知识，对个体水平的“呼吸”概念有一定的了解，如人的气体交换和种子在萌发时会通过呼吸产热。怎样使学生由已经习得的“呼吸”（气体交换和产热）建构“细胞呼吸”（有机物在细胞中多步、有序、温和分解和放能）的新知？这就需要教师搭建合理的台阶，通过一系列层层递进的问题链（见表2），引发学生思考，通过“师生双主体”的合作探究，构建新知。

（二）注重学科内和跨学科知识整合

1.学科内知识整合。笔者在教学中合理联系前面所学的主干知识，适当拓展线粒体内膜结构的知识，如细胞的生物膜系统使细胞中的反应局限化、膜上的酶及蛋白质有序排列使反应有序进行、物质跨膜运输方式等，加深学生对细胞呼吸过程的理解。

2.跨学科知识整合。为解决有氧呼吸中的能量转化问题，训练学生的思维能力，笔者引导学生以整合的观点理解“能量代谢”的机制问题。

（1）联系化学知识。通过对比葡萄糖在体外与体内（细胞内）氧化分解放能总量相同但能的形式有区别（见表3），引发学生探究有氧呼吸发生过程的好奇心。endprint

表3 葡萄糖在体外燃烧与体内分解对比

（2）联系物理学知识。将线粒体中有氧呼吸的第三阶段能量转化与物理学中的水力发电工作原理进行对比，使学生触类旁通，让其思维能够在不同的学科间迁移运用。线粒体的内膜如同拦河坝，当膜间腔中的高浓度的氢质子顺着浓度梯度通过ATP合成酶时，氢质子的势能推动ATP合成酶运转，将能量转化成ATP中的化学能，这就如同高处的水流推动了水轮发电机产生了电能（见表4）。

（三）引发认知冲突和解决生成性问题

1.引发认知冲突。认知冲突是指在认知过程中出现的“困难”“障碍”和“不协调”因素，它是学生学习新知和试图解决问题的动机和诱因。在教学过程中设置认知冲突，能调节课堂节奏，活跃课堂气氛，引起学生的注意和思考。

在教学“有氧呼吸的第二阶段中有水的参与”这一问题时，笔者采取了创设认知冲突的方法。通过板书，师生共同完成反应过程的条件、场所、产物的概念关系图，并用下面的案例引导学生思考、探究：1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸，在线粒体内部进行丙酮酸脱氢时产生了6分子二氧化碳。通过前面的学习我们知道，1分子葡萄糖中只有6个氧原子，而产生的6分子二氧化碳中却有12个氧原子，氧原子的数量增加了！此时，如果有学生率先注意到这一点，便会自发提出这个问题——“单靠葡萄糖提供的氧并不足以生成二氧化碳”。如果没有学生提出这个问题，教师可将此问题直接抛给学生。然后给学生足够的时间思考，不要急于给出答案。学生会很自然地想到有氧气参与，这时教师再予以否定并强调氧气只在第三阶段中参与，然后才提出第二阶段中有水参与，是水中的氧参与了二氧化碳的合成。认知冲突可强化学生的互动探究，利于学生对各阶段的反应物和生成物有更深入的理解。

2.解决生成性问题。教师在课堂上不仅要通过预设的问题来引导学生参与讨论、积极互动，而且要善于引导学生解决生成性问题。在这节课上，某学生不仅将水力发电原理与有氧呼吸进行类比，还联想到了光合作用中的能量转化问题。对待这样思维活跃的学生，教师的执教策略如下：一是表扬，引起其他学生的关注，二是把问题的方向引回本课的教学主题，通过反问、追问来引发全体学生的关注和深入思考，使学生真正做到将知识融会贯通。

本课教学在设计上紧紧围绕课标中“面向全体学生、倡导探究学习”的理念，在教学中采取了小组合作学习的方式。为适应本节课的探究需要，笔者在教学中遵循“组内异质，组间同质”的原则，事先按照学生思维活跃的程度、表达能力的强弱等特点进行了互补式分组，并对教室的整体布局进行了调整（见图1），建立了小组内成员交流、小组间交流、教师与全体学生交流、教师与个别学生交流的多元通路，让学生在积极合作的氛围中真正成为学习的主人。

教师的引领，为学生提供了生动的问题情境，不仅使教材内容的教学丰满充实，而且引入大学阶段的线粒体的电子传递链和ATP合成酶的内容，虽然提升了难度，但学生在合作学习的氛围下“跳一跳，够得到”，可以清晰、透彻地掌握细胞的能量代谢机理，也使课堂容量得到了适当的延伸和拓展。当然，在教学实施中也有遗憾之处，比如最后的与水力发电原理类比环节，由于时间有限，学生的讨论并不充分，解决的办法是下次课回顾：笔者在第二节课让学生回顾反思，起到了同样的效果。

教师正确地发挥引领作用可以让学生在学习方式上实现转变：“探究学习”不仅让学生学会“看科学、听科学、记科学”，还学会“做科学”；“合作学习”则实现了从“你不愿学习，我强迫你学习”到“你不愿学习，我吸引你学习”的转变。

[作者简介]张慧，中学高级教师，北京市西城区骨干教师、兼职教研员，人民教育出版社特聘新课程培训专家。教学以“培养科学研究素养，传递健康生活理念”为宗旨，渗透“科学—技术—人文”思想，实践探索项目式学习实验班、研究性学习、自主研修课程、竞赛课、校本课程等多元特色课程。多次赴内蒙古、新疆、山西、河北、广西、云南等地参与新课程教师辅导工作；多次荣获国家、北京市、北京西城区教育教学奖。

（责编 周翠如）endprint