“有氧呼吸过程”探究式教学设计

尹利军 张 瑜 翁 妍

(河北省迁安市第一中学西校区 迁安 064404)

1 教材分析与设计理念

有氧呼吸过程是人教版高中生物学教材必修1第5章第3节“ATP的主要来源——细胞呼吸”第2课时的核心内容，主要包括线粒体结构与功能、有氧呼吸反应过程、场所和有氧呼吸概念等内容。通过创设探究性学习情境，结合学生已有知识经验，引导学生分析，演绎—推理有氧呼吸过程及场所，并通过设计实验证明自己的推理，最终得出科学结论。教学过程中通过提供有氧呼吸过程科学素材，引导学生分析、解读，完善有氧呼吸三个阶段的过程和发生场所，最终概括出有氧呼吸概念，促进学生对有氧呼吸本质的理解。本教学设计改传统的传授式教学为设计学生活动，让学生通过探究问题获取知识，使课堂教学由知识本位向素养本位转变，落实发展学生生物学核心素养的教学目标。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过对情境实验分析，能设计实验探究有氧呼吸发生的过程及场所，并进行结果预测，推断有氧呼吸发生的具体过程和场所，培养学生的科学思维和科学探究能力。

(2) 通过科学资料阅读与分析，能运用比较与归纳、演绎与推理、总结与概括及批判性思维等科学思维方法，理解有氧呼吸与线粒体关系，归纳概括有氧呼吸的概念，关注生物科技发展，增强科学研究意识，激发学生学习生物科学热情。

(3) 通过小组合作、探究学习，提高学生的合作学习意识和团队精神。

3 教学过程

3.1 创设情境导入，激发探究热情 以“葡萄糖是细胞的生命燃料，它是否真的含有能量呢？它又是通过怎样的过程为细胞生命活动提供能量的？”问题导入，向学生演示葡萄糖燃烧实验(装置如图1所示)，通入空气、点燃酒精灯一段时间后，发现葡萄糖逐渐融化并快速燃烧起来，干燥管中无水硫酸铜变成蓝色，澄清石灰水变浑浊。教师提出思考问题： ①根据实验现象尝试写出葡萄糖有氧分解的反应式；②葡萄糖是细胞呼吸消耗的主要底物，在细胞内葡萄糖有氧分解能与体外燃烧一样吗？细胞中葡萄糖氧化分解的场所是哪里？带着这些问题，让我们走进有氧呼吸过程的学习。

图1 葡萄糖燃烧实验装置

设计意图： 利用葡萄糖燃烧演示实验，让学生直观感受到葡萄糖等有机物氧化分解过程，分析葡萄糖体外放能过程、条件、产物种类及特点[1]，化抽象知识为直观知识，既符合学生认知规律，又能激发学生继续探究的兴趣。

3.2 启迪思维，探究有氧呼吸场所 以教材课后练习2为素材，编制习题继续探究有氧呼吸场所和过程。利用多媒体展示资料： 将酵母菌培养液进行离心处理，把沉淀的酵母菌破碎后，再次离心处理分为只含酵母菌细胞质基质的上清液和只含有酵母菌细胞器的沉淀物两部分，与未离心处理过的酵母菌培养液分别放入甲、乙、丙3支试管中，三支试管的其他条件及结果如表1所示(注： 丙酮酸是一种含3个碳原子的有机物，分子式为C3H4O3)。

表1 有氧呼吸场所探究实验设计

根据实验结果，能得出的推论有：。

学生先独立思考，然后在学习小组内交流结论，最后经过不同小组代表展示结果并互评，最终师生共同分析得出：“丙酮酸是葡萄糖在细胞内有氧分解的某种过程(中间)产物，细胞质基质和某种细胞器是进行有氧呼吸的先后场所”的推论。教师因势利导，让学生根据化学元素平衡原理，尝试写出甲试管中可能的反应式： ①(C6H12O6→2C3H4O3+4[H]+能量)，并根据表1提示问题： 中间产物丙酮酸转化为CO2和H2O发生在哪种细胞器？引导学生继续设计实验，探究有氧呼吸场所。

表2 学生设计思路

经过大约5分钟的设计与交流，总结学生设计的思路如表2所示，以及依据细胞器功能获得的预测结果，即“在有氧条件下,丙酮酸在线粒体中进一步反应生成CO2和H2O”的推论；同时，教师引导学生完成该过程的反应方程式②(C3H4O3+O2→CO2+H2O+能量)。

以上推论是否正确呢？教师让学生带着疑问分析科学家对有氧呼吸过程研究的科学资料(多媒体展示资料1和资料2)。

【资料1】1900年，美国科学家米凯利斯(L. Michaelis)用健那绿染料对活体肝细胞进行染色发现，有氧气时，健那绿可将线粒体染成蓝绿色，而氧气耗尽后，线粒体的颜色逐渐消失。此染料的染色原理是利用线粒体中的氧化还原反应，说明线粒体具有氧化还原反应的功能[2]。1912年—1913年间，科学家瓦勃(O. Warbyurg)从豚鼠肝细胞均浆中粗提取了线粒体，发现它能消耗氧气。

【资料2】1936年前后，英籍犹太生物学家汉斯·克雷布斯(Hans Adolf Krebs)利用鸽子的飞行肌(胸大肌： 呼吸速率异常高)为实验材料，通过实验证明在多种酶的催化下，丙酮酸在线粒体被激活、氧化成二氧化碳和水。

学生通过分析科学资料，归纳出葡萄糖在细胞内有氧分解产生CO2和H2O并释放能量的过程分别发生在细胞质基质和线粒体，其中氧气是在线粒体中起作用的。此时，教师对学生的探究结果予以肯定并提出表扬和鼓励。

设计意图： 利用所给情境素材，学生分析得出有氧呼吸场所顺序，并根据素材提供的实验设计思路和方法，设计实验探究有氧呼吸进一步发生场所，这种设计既提升了学生课堂实践学习的参与度，落实生物学核心素养下的教学目标，又培养学生的分析、推理能力，提升探究性实验设计能力。引导学生分析科学家研究资料，肯定学生探究的推论，能进一步提升学生探究兴趣。

事实到底是怎样的呢？学生此时陷入知识瓶颈，教师及时利用多媒体展示科学资料3和资料4，让学生分析、归纳。

【资料3】克雷布斯利用鸽子飞行肌研究物质代谢，并整理前人关于物质代谢研究的零散数据，结果发现有机物在体内是按特定的物质顺序发生化学反应的，丙酮酸在相关脱羧酶作用下脱[H]，该过程没有O2参与[3]。

【资料4】肯尼迪(E. Kenedy)和勒宁杰(A. Lehninger)证明线粒体是有氧呼吸的主要场所，利维(M. Levy)和施利曼(C. Schnaitma)等利用低速离心等方法分离出线粒体的外膜和内膜，科学家们在线粒体基质发现有脱羧酶的存在，而在线粒体内膜上有氧化酶的存在，脱氢与氧化之间通过电子传递链进行连接，并且脱氢的过程需要H2O的参与[4]。

设计意图： 由于高中生物学知识所限，学生不能从掌握的资料中得到线粒体中进行的有氧呼吸过程，教师提供素材，让学生在理解丙酮酸在线粒体中分解的基础上，通过对科学资料分析，归纳得出线粒体中不同部位具有不同的酶，催化丙酮酸逐步分解的结论，建构生命观念中的结构和功能相适应观，实现了由知识本位学习到素养本位培养的转变。

3.4 归纳、总结有氧呼吸总反应式和有氧呼吸概念 教师引导学生根据以上探究结论，总结有氧呼吸过程的三个阶段的反应式，对反应物、生成物和发生场所及条件进行归纳，得到①、③、④三个阶段的反应式：

在此学习基础上，教师要求学生尝试将三个式子进行合并，汇总出一个有氧呼吸总反应式。学生在教师的提示下(反应前、后的水是否需要消掉)，总结完成有氧呼吸总反应式(略)。接着教师引导学生根据这些反应式归纳出有氧呼吸的概念。然后，教师让学生阅读教材93～94页内容，对有氧呼吸三个阶段中能量释放的情况进行了解，形成有氧呼吸的完整知识，并理解有氧呼吸过程中第三阶段产生能量最多，1 mol葡萄糖彻底氧化分解释放的能量少部分(1161 kJ，约占40%)以活跃化学能形式存储在ATP中，供细胞生命活动直接利用，大部分能量(约占60%)以热量形式散失或它用等知识。

设计意图： 概念是在头脑里所形成的反映对象的本质属性的思维形式，把所感知事物的共同本质特点抽象出来，加以概括，就成为概念。教学过程中，教师不是把教材中的有氧呼吸概念直接传授给学生，而是通过搜集真实情境的科研素材，让学生对所学知识具有感性认知后，进行总结、概括出来，在总结、概括中培养学生科学思维能力，达成教学目标，落实对学生核心素养的培养和发展。

4 教学反思

以探究学习为特点的教学不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实，也会间接影响生命观念和社会责任两个核心素养的达成。本节课通过实验现象引领，让学生通过设计实验逐步探究有氧呼吸场所和过程，既对学生动手参与活动能力进行了强化，又让学生积极地动脑思考，体验到科学探究学习的过程和乐趣。通过运用分析、归纳、演绎—推理等科学思维方式对搜集的科学素材进行解读，总结出有氧呼吸的三个阶段反应过程及涉及场所，归纳出有氧呼吸这一重要概念，有助于发展学生的生命观念。通过分组探究，师生互动质疑、生生互助互学行为，改变传统的学生被动接受知识过程为学生主动探究获取知识过程，在有效达成教学目标的同时，发展了学生的生物学核心素养，极大调动了学生的学习积极性，提升课堂教学效率。