基于核心素养的“探究细胞呼吸”教学案例*

徐 婧 王 薇

（1 北京市第二中学亦庄学校 北京 100176 2 北京教育学院丰台分院 北京 100073）

《高中生物学课程标准（2017年版）》根据教育部提出的中国学生发展核心素养，提出了高中生物学的学科核心素养，包括生命观念、 理性思维、科学探究和社会责任4 个维度。培养核心素养的生物学课程，应积极倡导以小组自主合作探究为主的学习活动，通过逐层深入的问题，激发学生的好奇心和探索欲，引导学生形成理性思维，加深对生物学科本质的理解，形成相关的生命观念，并愿意参与有关社会问题的讨论，能运用科学知识和方法指导实际生活，形成社会责任。

所谓“自主合作探究”的教学方式是在教师指导下，以问题为载体，以培养学生的创新素质为核心，以学生的动手实践、自主探索、合作交流为主的学习方式。通过小组合作学习和组间交流，实现全体学生的主动性、社会性和创造性，并获得和谐发展。

建构主义理论认为，“每个学习者都不应等待知识的传递，而应基于自己与外界相互作用的独特经验去建构自己的知识。 ”为此，教师要利用“自主合作探究”教学模式，激发学生学习的积极性、探究的主动性，利用教学过程的诊断性与反思性，实现概念的自主构建。

1 教学内容分析

“呼吸作用”是生物学科的核心知识。在《高中生物学课程标准（2017年版）》的内容标准中，相关大概念与基本概念的表述为：

大概念：2 细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖。

重要概念：2.2 细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域。

次位概念：2.2.4 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。

为帮助学生达成对上述概念的理解，课程标准要求学生能从物质与能量视角，探索光合作用与呼吸作用，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化，以科学探究的方法树立生命观念。

本节课为人教版教材必修1《分子与细胞》第5 章“细胞的能量供应和利用”第3 节“细胞呼吸”的内容。 细胞呼吸为生物学微观层级的概念，利用宏观的种子萌发过程进行教学，可使现象放大，让学生直观体会细胞呼吸的现象。利用自主合作探究教学，引导学生以问题为出发点，通过对有氧、无氧自变量的设置，控制无关变量，收集证据，对感兴趣的相关因变量进行检测，通过分析得出结论。

本节内容共设计2 课时，本节内容为第1 课时，即以种子萌发的现象为切入点，利用简单的生活用品——绿豆和密封袋为主要的实验材料和装置，引导学生进行分组实验探究，逐步得出有氧和无氧条件下细胞呼吸的相关产物，进行比较后得出有氧呼吸和无氧呼吸的方程式，再运用所学内容解决相关问题。第2 课时在前面探究的基础上，通过大量的科学研究资料，进行微观层面的“细胞呼吸”具体过程学。

2 学情分析

2.1 学生学习的知识、经验、技术基础 学生在初一已初步学习“呼吸作用”的知识，对有氧呼吸的反应物和产物有一定了解，对种子的萌发过程的生命现象较为熟悉，经过高一年级前期对细胞亚显微结构的认识，能将微观的细胞代谢和宏观的生命现象建立初步的联系。 经过初三对化学知识的学习，学生已掌握一些基本的化学实验操作技术，并对二氧化碳等物质的检测方法有一定了解。高一学生思维活跃，好奇心强，具有一定的科学常识和社会活动经验，可通过小组合作进行学习。

2.2 学生在学习过程中会遇到的困难 高一学生对无氧呼吸的生命现象及产物不熟悉； 相关化学基础不够牢固；全程参与探究的经历较少，实施方案和解决问题的经验和能力有待提高。

3 教学目标

1）说出种子在萌发时进行有氧呼吸和无氧呼吸。 说明种子有氧呼吸和无氧呼吸的检测方法。

2）通过对种子萌发过程中直观现象的观察，逐一分析有氧呼吸和无氧呼吸的产物，学习运用科学的思维方法认识事物，逐渐形成严谨的逻辑思维能力和具有批判精神。

3）在自主合作探究的过程中，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施及结果的交流讨论、得出结论，发展科学探究能力，以及团队合作和创新能力。

4）通过对社会实际现象的分析，作出理性解释和判断，引导学生参与个人与社会事务的讨论，渗透社会责任。

4 教学重、难点

1）重点：认识有氧呼吸和无氧呼吸2 种呼吸类型的区别。 提高观察、提问、实验设计、方案实施，以及结果的交流与讨论的能力。

2）难点：通过分析实验装置和实验现象得出相关结论。

5 教学过程

5.1 情境导入，激趣设疑 从著名作家夏衍的《种子的力量》作为导入，提出问题：世界上什么东西的气力最大？ 为什么萌发的种子力量如此之大？

提供资料，学生阅读：种子萌发是一系列有序的生理过程和形态发生过程，大致经过以下过程：①种子萌发吸胀，体积迅速增大，种皮变软，对气体通透性增加，此时细胞主要进行无氧呼吸。②各种酶的活化，例如大麦种子吸胀后，胚首先释放赤霉素转移至胚乳，诱导水解酶的合成，进而将贮存的淀粉、蛋白质水解成可溶性物质（麦芽糖、葡萄糖、氨基酸等），供胚生长的需要，此时主要进行有氧呼吸。 ③种子细胞分裂和增大，吸水量又迅速增加。④种子的胚突破种皮。⑤种子萌发长成幼苗。

引导学生从提供的资料和生活已有经验，在已知“种子萌发的条件之一为充足的空气”基础上，进一步获知种子萌发过程中存在有氧呼吸和无氧呼吸，从而产生探究问题：有氧和无氧条件下种子的萌发有何不同？ 通过认识种子强大和旺盛的生命力，引导学生形成尊重生命的观点，并明确探究的问题。

5.2 课前探究，选择实验装置和材料 课前在由学生提出一些假设，例如在有氧和无氧条件下种子的萌发率不同、代谢的产物不同、产生的能量不同等基础上，进行分组实验探究。

5.2.1 实验装置的选择 本探究实验的自变量为有、无氧气，因此对于实验装置的选择既要考虑密封效果，又要考虑便于检测内部的各种指标。学生进行了多种尝试，例如用塑料瓶、气液相密封实验器等，最终确定用最简单的密封袋作为实验装置。因为塑料瓶对自变量的控制效果，以及气液相密封实验器的气密性都不如密封袋。 密封袋简单易获取，可通过简易气泵进行打气和抽气，实现对自变量的严格控制，也可通过其他方法进行其他物质的定量检测（图1）。

5.2.2 实验材料的选择 学生通过对绿豆、黄豆、小麦等种子进行萌发条件的比较，发现绿豆种子最容易萌发，且最易获取。通过实验发现绿豆与水的比例为1∶1 时，种子的萌发率最高。

5.3 分组实验探究，体会科学方法 将全班分成不同的探究小组，按照学生提出的假设，依据科学探究的实验设计原则进行实验设计，并加以实施。 学生以自主合作探究的方式，研究提出的问题，收集数据，经过分析得出结论，使问题得到解决，以此提高科学探究能力，并形成严谨务实的科学态度。

5.3.1 有氧和无氧条件下种子萌发率的比较探究1 组对有氧和无氧条件下种子的萌发率进行了探究，课前分别将有氧和无氧条件下的种子，置于25℃的恒温培养箱中培养4 d，分别统计并计算得到萌发率。 探究结果显示，在无氧条件下，种子的萌发率为40.2%，在有氧的条件下，种子的萌发率为95.5%，可见有氧条件下种子的萌发率明显高于无氧条件下的种子萌发率。

5.3.2 有氧和无氧条件下种子萌发释放能量的比较 探究2 组对有氧无氧条件下种子萌发释放的能量进行了探究，课前分别将有氧和无氧条件下种子的密封袋中放置温度计后，置于保温杯中放置3 d。起始温度为17℃，3 d 后，有氧条件下为20℃，无氧条件下为18℃。 经若干次实验结果表明，有氧条件下萌发种子释放的能量要多于无氧条件下萌发种子释放的能量。

通过此探究实验和结果，启发学生质疑。学生提出新的问题： 为什么有氧条件种子萌发释放的能量要高于无氧条件？ 进而引发学生对不同条件下种子萌发代谢产物的探究。

5.3.3 有氧和无氧条件下种子萌发产物的比较根据初中学过的内容，学生已知种子呼吸作用的产物有CO2，在无氧条件下有CO2产生吗？ 其CO2的量与有氧条件相比又如何？ 探究3 组对有氧和无氧条件下种子萌发是否产生CO2进行了比较。

由于密封袋内的气体不易取出，教师引导学生经过多种尝试后确定，分别用2 个带针管的注射器扎进有氧和无氧密封袋，深入萌发种子内部，缓慢抽取20 mL 气体； 再将2 个注射器内的气体，同时缓慢注入2 个小试管内的溴麝香草酚蓝（BTB）溶液中，观察现象，发现在2 种条件下溴麝香草酚蓝溶液都由蓝变绿变黄，即BTB（蓝色）+CO2→BTB（绿色）+CO2→BTB（黄色），可见2 种条件下都产生了CO2。

学生提出质疑，萌发种子在2 种不同条件下产生二氧化碳的量是否相同？

5.4 深入实验探究，逐步构建概念

5.4.1 有氧和无氧条件下种子萌发产生CO2量的比较 为了弄清楚有氧和无氧条件下萌发种子产生的CO2量是否相同，在课堂上教师引导学生利用教材中探究酵母菌的呼吸方式的装置进行CO2的检测。 根据前面的实验和学生的实际情况，教师对教材实验进行了改进。

1）实验材料的选择：实验材料仍然延用萌发的绿豆种子，既是前面实验的延续，又突出了实验材料肉眼可见的直观性。

2）改进实验装置：在原来有氧呼吸的装置中，由于萌发种子CO2释放的速度较快，通入溴麝香草酚蓝溶液中之后尚未反应就跑逸了，所以变色反应不充分，无法与无氧呼吸进行比较。因此调节放慢了气泵的泵气速度，并间歇性地通入空气；此外，在2 套装置的出气管处增加止水夹，管口加上注射器针头以减缓出气速度，使有氧和无氧条件下产生CO2气体能充分与溴麝香草酚蓝溶液进行反应，现象区分更加明显（图2）。 结果显示，有氧条件下溴麝香草酚蓝溶液变黄，而无氧条件下溴麝香草酚蓝溶液变绿，进而得出有氧条件下产生的CO2气体多于无氧条件。

此探究实验设置为课堂上全体学生进行的活动。学生在弄清楚实验原理后，利用密封袋简易装置进行实验。教师引导学生对实验结果提出疑问，有氧和无氧条件产生的CO2气体一样多吗？ 为什么颜色变化是相同的？ 学生通过对实验现象的观察，引发深入思考，提出质疑。 由于实验过程较长，在课堂上安排探究小组成员介绍实验装置的改进过程，并播放视频展示实验结果，对学生提出的疑问给予解答。 学生自己做的实验结果则安排在课后观察。

5.4.2 有氧和无氧条件下种子萌发代谢产物pH值的比较 在萌发种子的代谢产物中，pH 值是否不同？课堂上全体学生操作相关实验。将玻璃棒分别伸入有氧和无氧条件下萌发种子的密封袋中，蘸取一滴液体，点在精密pH 试纸（5.5～9.0）上，与比色卡进行比色。结果显示，有氧条件下萌发种子代谢产物的pH 约为5.5，而无氧条件下萌发种子代谢产物的pH 约为6.5。引导学生思考，为什么2种条件下产物都为弱酸性？ 为什么有氧条件下产物的酸性要比无氧条件下产物的酸性略强？ 进而与前面有氧和无氧条件下种子萌发产生CO2比较实验进行呼应，即CO2的产生使产物呈现弱酸性，且有氧条件比无氧条件产生的CO2多，进而呈现了酸性的差别。

5.4.3 有氧和无氧条件下种子萌发代谢产物酒精的比较 让学生打开装有萌发种子的密封袋，闻一闻，能闻到酒精的气味，引导学生提出问题：萌发种子的代谢产物中是否有酒精？

教师介绍检测酒精的方法，即橙色的重铬酸钾的浓硫酸溶液与酒精发生化学反应，变为灰绿色。学生分组操作：取有氧和无氧条件的2 个密封袋内液体各1 mL，分别加入2 支试管；分别向2个试管中加入1 mL 酸性重铬酸钾溶液； 振荡混合均匀后，比较2 个试管内的颜色变化。 结果显示，有氧和无氧条件下代谢产物都使橙色的重铬酸钾变为灰绿色，但是无氧条件下灰绿色更深。学生质疑，有氧和无氧条件都产生酒精吗？引导学生从学案中有关种子的萌发相关资料中获取信息进行解释，即种子萌发初期都先进行无氧呼吸，待种子吸水到一定程度，有氧呼吸相关酶活化，才开始进行有氧呼吸。

5.5 有氧和无氧呼吸的比较 通过对有氧和无氧条件产物的检测，得出种子萌发有氧和无氧呼吸的方程式（图3）。

在此基础上引导学生分析前面提出的问题，“为什么有氧呼吸比无氧呼吸释放的能量多？ ”经过讨论明确： 有氧呼吸将葡萄糖等有机物彻底分解为CO2和H2O 这样的无机物，而无氧呼吸产物中存在酒精等有机物，里面仍然贮存少部分能量。

5.6 小结与提升，进行理性分析与深入探究 学生已了解有氧呼吸和无氧呼吸的区别，通过图4引导学生根据2 个装置中有色液滴的移动情况（表1），分析种子的呼吸类型，对本节内容进行小结和提升，同时引导探究小组继续进行课后的探究活动。

表1 种子萌发过程中呼吸作用类型的分析

课后探究小组的学生继续对绿豆萌发过程中呼吸作用进行探究，结果显示装有NaOH 的装置（装置1）有色液滴在4 h 向左移进入三角瓶中，装有蒸馏水的装置（装置2）在相同时间内向右移出玻璃管。 学生通过实验明确绿豆种子萌发过程中既有有氧呼吸，又有无氧呼吸。

5.7 点题升华、回归生活（提升生命观念，形成社会责任） 利用夏衍《种子的力量》后半文对种子的精神的赞扬，激发学生坚韧的生命精神。通过课前学案中有关“毒豆芽事件”相关资料的分析，学会分辨毒豆芽，对社会事件进行分析，认识到社会上的不良现象，作出理性判断形成社会责任，并提出通过控制温度、使装置中氧气充足、利用可食用植物激素进行处理提高产量的方法。

6 课堂的评价（落实核心素养）

本节课采用课堂点评与探究报告2 种评价方式。 ①课堂点评：课堂设置对探究小组汇报进行学生点评和教师点评2 个部分，通过点评和质疑，促进学生的反思和发展。 ②探究报告：每组完成一份探究报告。探究报告中设置探究的各个环节，包含探究的一般过程，以及小组评价部分。通过探究的一般过程确认学生对探究过程的了解情况及实验的操作情况，进而确定学生的进步和达到的学业水平程度，用以诊断学生学习中存在的问题。 通过小组评价反映学生的学习态度、自主学习的能力、合作学习的精神等。 同时鼓励真实的实验记录和优良的改进方法，例如有的小组将课上录制的有氧和无氧条件下CO2使溴麝香草酚蓝溶液变黄的视频，转换为变黄的速率，很好地解决了课上实验有氧和无氧都使溴麝香草酚蓝溶液变黄的问题（图5）。

“基于核心素养探究细胞呼吸”教学案例，教学内容横向融合生物学、化学、语文等多学科，纵向打破初中、高中学段围栏，进行整体分层规划设计，以培养学生的生物学科核心素养。 案例通过一个个探究实验，学生逐步认识了细胞的有氧呼吸和无氧呼吸，体现概念构建的过程；通过自主合作探究活动，提高科学探究能力及团队合作和创新能力； 通过对种子萌发过程中直观的现象观察，分析内部发生的微观变化，运用科学的思维方法认识事物，形成严谨的逻辑思维能力和批判精神；通过毒豆芽事件的分析，作出理性解释和判断，引导学生参与个人与社会事务的讨论，明确社会责任。