通过概念教学促进科学思维的培养

朱斌良

科学思维是生物学科核心素养之一，在2017年版的《普通高中·生物学课程标准》学科核心素养水平划分中的“科学思维”明确指出：“能够以特定的生物学事实为基础形成简单的生物学概念，并用文字或图示的方式正确表达，进而用其解释相应的生命现象。”

课本第91页以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验，引出细胞的有氧呼吸与无氧呼吸两种类型，而学生对“有氧呼吸”“ 无氧呼吸”“ 细胞呼吸”的概念理解比较抽象，而通过有氧呼吸与无氧呼吸的过程去理解概念，让学生学会自我总结，进而对生物学事实进行归纳与概括，培养学生具备科学思维。

一、从不同角度理解“有氧呼吸”概念

1.通过物质变化分析“有氧呼吸”概念

有氧呼吸总反应式：

有氧呼吸总程式中底物（反应物）包括C6H12O6（葡萄糖）、H2O、O2，从以上三种反应物分析，每种反应物再具体到每个反应阶段去分析，分别是第一阶段、第二阶段、第三阶段。

方程式的产物包括：CO2（第二阶段），H2O（第三阶段）。通过方程式中所包含的文字，让学生学会归纳，并掌握有氧呼吸三个阶段之间的联系。

第一阶段：C6H12O6               2C3H4O3（丙酮酸）+4[H]+少量能量

第二阶段：2C3H4O3               +20[H]+6CO2少量能量

第三阶段：24[H]+6O2               12H2O+大量能量

方程式的产物包括：CO2（第二阶段），H2O（第三阶段）。通过方程式中所包含的文字，让学生学会归纳，并掌握有氧呼吸三个阶段之间的联系。

2.通过能量转换分析“有氧呼吸”概念

有氧呼吸的三个阶段都用能量转化，而能量包括释放的能量与生成大量ATP。而课本第94页小楷字做出了回答：

在细胞内，1 mol的葡萄糖彻底氧化分解以后，可使1161 kJ左右的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失掉了。请你计算一下，有氧呼吸的能量转换效率大约是多少，这些能量大约能使多少个ADP转化为ATP？

在细胞内，l mol葡萄糖彻底氧化分解后，释放出2870 kJ的能量，而1161 kJ左右的能量储存在ATP中，转化的效率为 。则以热能形式释放的能量为1–40.45%=59.55%。

而A—P～P～P中的1个（～）高能磷酸键中的能量多达30.54 kJ/mol，故有≈38mol ATP生成（大量能量）。依据ADP与ATP的转化的方程式可知，因为1 mol物质含有6.02×1023个分子，所以有38×6.02×1023≈2.3×1025个ADP转化为ATP。

依据以上的分析，结合有氧呼吸的三个阶段都需要酶的参与，学生就对课本第94页“有氧呼吸”的概念就比较好理解了。

有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。

二、用归纳法学习“无氧呼吸”概念

核心素养科学思维“水平三”明确提出：能够从不同的生命现象中，基于事实和证据，运用归纳的方法概括出生物学规律。课本第95页要求学生“参照有氧呼吸的概念，用准确而简练的语言概括无氧呼吸的定义”。而无氧呼吸的概念，关键在于突破关键词“少量能量”与“不彻底的氧化分解”， 这需要通过无氧呼吸反应式中物质变化去分析。

第一阶段：C6H12O62C3H4O3（丙酮酸）+4[H]+少量能量

第二阶段：2C3H4O3 +4[H]2C2H5OH（酒精）+2CO2

2C3H4O3 +4[H]              2C3H6O3（乳酸）

无氧呼吸中“少量能量”包括热能与少量的ATP，如何理解“少量能量”？

在課本第94页左下角相关信息：“1 mol葡萄糖在分解成乳酸以后只释放出196.65 kJ的能量，其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中，近69%的能量都以热能的形式散失了。”

同理可知，有=2 mol ATP（少量ATP），葡萄糖分子中的大部分能量则存留在酒精或乳酸中。因此理解无氧呼吸的“不彻底”氧化分解就容易了。

结合课本“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的设计与分析，以及“有氧呼吸”的概念后，对“无氧呼吸”概念进行归纳与总结——

无氧呼吸：细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底氧化分解为二氧化碳与酒精或乳酸，同时释放少量能量和生成少量ATP的过程。

三、用“共性”的思维理解“细胞呼吸”概念

有了“有氧呼吸”与“无氧呼吸”的概念理解后，学生自己去发现并总结“有氧呼吸”与“无氧呼吸”概念中所隐含共性的问题，就比较容易掌握“细胞呼吸”的概念。二者共性的问题有“细胞”“葡萄糖”（有氧呼吸与无氧呼吸最常利用的物质是葡萄糖）;“氧化分解”“二氧化碳”“能量”“ATP”等。

因此，细胞呼吸的概念如下——

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，释放出能量并生成ATP的过程。

本文是基金项目：广东省教育科学规划课题“提高高中生生物实验技能策略研究”（ NO： 2017YQJK195）部分成果。