基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：在“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”一節(jié)中運(yùn)用ATDE教學(xué)理念，以教師演示實(shí)驗(yàn)為依托，在教學(xué)過程中通過連串式的問題情境在分析探究結(jié)果的過程中，主動(dòng)架構(gòu)核心概念，通過分組實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦，在思維上參與課題，活化課堂，并著力培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：呼吸作用；細(xì)胞呼吸；有氧；無氧；酒精檢測(cè)儀一、教學(xué)理念本節(jié)課運(yùn)用ATDE教學(xué)理念。ATDE教學(xué)理念，是“問（Asking）、想（Thinking）、做（Doing）、評(píng)（Evaluation）”教學(xué)理念的簡(jiǎn)稱，其環(huán)節(jié)設(shè)置遵循問題解決的過程，而且不同環(huán)節(jié)中滲透著培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的思想?！皢枴保處熗ㄟ^問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，提供給學(xué)生發(fā)展創(chuàng)造性思維和提出問題的機(jī)會(huì)；“想”，教師展示一系列問題后，鼓勵(lì)學(xué)生自由聯(lián)想、發(fā)散思維，以發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維；“做”，教師利用不同活動(dòng)形式讓學(xué)生在實(shí)際活動(dòng)中找到解決問題的方案；“評(píng)”，學(xué)生在評(píng)價(jià)交流中對(duì)不同的觀點(diǎn)進(jìn)行批判性思考，經(jīng)歷不同思維的碰撞后，促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展。二、教學(xué)內(nèi)容分析（一）新課標(biāo)要求《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）指出，學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中，能夠針對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流和討論，逐步培養(yǎng)科學(xué)探究能力，能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、批判性思維等方法，闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，從而逐步發(fā)展科學(xué)思維[1]。“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第5章第3節(jié)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”中“探究·實(shí)踐”內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析得出細(xì)胞呼吸的方式，旨在通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握細(xì)胞呼吸的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與科學(xué)思維素養(yǎng)。但在實(shí)際的教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)裝置連接復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，以及實(shí)驗(yàn)操作難度較大等原因，學(xué)生實(shí)施有困難[2]。在教學(xué)過程中，筆者引導(dǎo)學(xué)生做“向石灰水吹氣”的實(shí)驗(yàn)，明確呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳來自細(xì)胞，結(jié)合面包制作及釀酒的生活實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生提出酵母菌在有氧和無氧條件下細(xì)胞呼吸產(chǎn)物的探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并在課堂上進(jìn)行學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)得出結(jié)論。教師通過對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)裝置、檢測(cè)手段等進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行教學(xué)，解決了該實(shí)驗(yàn)的上述問題，并培養(yǎng)了學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。（二）教學(xué)內(nèi)容分析通過上一節(jié)《細(xì)胞的能量貨幣——ATP》的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道細(xì)胞呼吸是ATP的主要來源。那么，細(xì)胞呼吸過程是如何將儲(chǔ)存在有機(jī)物中的能量釋放出來并轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學(xué)能的呢？在引出細(xì)胞呼吸的原理之前，課本利用酵母菌來探究細(xì)胞呼吸的方式，這就是本節(jié)學(xué)習(xí)的內(nèi)容?？梢?，本節(jié)課是酶與ATP內(nèi)容的延續(xù)與深化，是細(xì)胞物質(zhì)與能量代謝的主要內(nèi)容，能夠幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)細(xì)胞生命活動(dòng)過程中貫穿著的物質(zhì)與能量變化。同時(shí)，細(xì)胞呼吸與光合作用一起實(shí)現(xiàn)了能量的輸入、轉(zhuǎn)化、散失，是細(xì)胞內(nèi)的基本代謝過程，是細(xì)胞基礎(chǔ)功能之一，是個(gè)體層次、生態(tài)系統(tǒng)層次上物質(zhì)與能量變化的基礎(chǔ)和保障。因此，本節(jié)課是學(xué)生形成物質(zhì)與能量觀的重要內(nèi)容。（三）學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過細(xì)胞中的有機(jī)物、線粒體的作用、酶、ATP，知道糖類是主要的供能物質(zhì)，線粒體是有氧呼吸的主要場(chǎng)所，細(xì)胞呼吸是ATP的重要來源，細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)需要酶的催化，酶具有高效性和專一性、作用條件溫和等，這些都是本節(jié)內(nèi)容的知識(shí)基礎(chǔ)。從核心素養(yǎng)角度看，學(xué)生已經(jīng)參與過“比較過氧化氫在不同條件下的分解”等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，具備設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)、控制單一變量等探究能力；在前面幾章的學(xué)習(xí)中，也多次從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度進(jìn)行探討，認(rèn)同分子、細(xì)胞層面存在結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)性。三、教學(xué)目標(biāo)（一）科學(xué)探究：探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式，設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步學(xué)會(huì)控制自變量、觀察和檢測(cè)因變量。（二）科學(xué)思維：在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果過程中，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。（三）生命觀念：通過課堂小游戲“向盛有澄清石灰水的燒杯中吹氣”，讓學(xué)生體會(huì)氣體交換的生命現(xiàn)象。（四）社會(huì)責(zé)任：通過分析酵母菌發(fā)酵在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，養(yǎng)成關(guān)注社會(huì)的責(zé)任意識(shí)。四、教學(xué)重難點(diǎn)（一）教學(xué)重點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)并完善實(shí)驗(yàn)方案；（2）分析酵母菌兩種細(xì)胞呼吸類型的條件和產(chǎn)物。（二）教學(xué)難點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中控制自變量，觀察并檢測(cè)因變量的變化。（三）教法、學(xué)法：教法：講授法、演示法、實(shí)驗(yàn)法、討論法等。學(xué)法：觀察法、合作探究法等。（四）教學(xué)準(zhǔn)備：教師：課件、學(xué)生導(dǎo)學(xué)案、酵母菌細(xì)胞呼吸裝置、安琪酵母4包、5%葡萄糖溶液、10%氫氧化鈉溶液，澄清石灰水、溴麝香草酚藍(lán)水溶液、酸性重鉻酸鉀等探究實(shí)驗(yàn)用品。學(xué)生：酵母菌細(xì)胞呼吸改進(jìn)裝置（100ml錐形瓶、氣球）、澄清石灰水、酒精檢測(cè)儀。五、教學(xué)過程設(shè)計(jì)通過設(shè)置課前小游戲——向盛有澄清石灰水的燒杯中吹氣，澄清石灰水變渾濁，引導(dǎo)學(xué)生思考使澄清石灰水變渾濁的CO2是怎么產(chǎn)生的，激發(fā)學(xué)生從現(xiàn)象尋找本質(zhì)的動(dòng)力。接下來教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)呼吸作用的實(shí)質(zhì)，知道呼吸作用就是細(xì)胞呼吸，指細(xì)胞中有機(jī)物的氧化分解，并釋放能量，從而得出本節(jié)課研究的對(duì)象是細(xì)胞。該用什么細(xì)胞作為研究對(duì)象呢，人的細(xì)胞顯然不行，離體后很快死亡，有沒有一種生物是由一個(gè)細(xì)胞組成，在有氧的條件下可以生存，在無氧的條件下也可以生存，如果有的話用來做研究材料最好不過了，就可用來探究細(xì)胞在有氧和無氧的條件下有機(jī)物氧化分解分別生成了什么。學(xué)生立刻想到酵母菌，教師引導(dǎo)學(xué)生思考發(fā)面和釀酒時(shí)酵母菌細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物，從而引出本節(jié)主題——探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式。教師通過演示實(shí)驗(yàn)酵母菌在有氧和無氧條件下的細(xì)胞呼吸，得出在有氧的條件下，澄清石灰水很快變渾濁，在無氧的條件下澄清石灰水變渾濁的速度慢。橙色的重鉻酸鉀在酸性條件下與酒精反應(yīng)變成灰綠色，在檢測(cè)兩個(gè)裝置是否都生成酒精時(shí)，有氧和無氧條件下溶液都變成灰綠色，由于葡萄糖也能與酸性重鉻酸鉀發(fā)生顏色反應(yīng)，所以在短時(shí)間內(nèi)（葡萄糖沒有被消耗完的情況下）此方式是行不通的，從而引出學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，用酒精檢測(cè)儀測(cè)酒精。通過學(xué)生自己動(dòng)手操作，最后得出酵母菌在有氧的條件下產(chǎn)生了大量的CO2，在無氧條件下產(chǎn)生了CO2和酒精的結(jié)論。設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生做“向石灰水吹氣”的實(shí)驗(yàn)，明確呼吸作用是指細(xì)胞呼吸，同時(shí)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生思考。（一）創(chuàng)設(shè)情境，提問并做出假設(shè)教師課件展示用酵母菌發(fā)面和本校學(xué)生果酒制作的照片，并提問：發(fā)面、釀酒分別在密閉還是“有癢”的條件下進(jìn)行？在這樣的條件下酵母菌細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物有哪些呢？引導(dǎo)學(xué)生從教材實(shí)驗(yàn)大標(biāo)題“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”確定為“探究有氧和無氧條件下酵母菌細(xì)胞呼吸產(chǎn)物”的探究?jī)?nèi)容上來。結(jié)合上面的三個(gè)實(shí)例，學(xué)生知道酵母菌細(xì)胞呼吸產(chǎn)生二氧化碳、酒精。教師設(shè)疑：二氧化碳、酒精是在有氧還是無氧條件下產(chǎn)生的？還是有氧條件產(chǎn)生二氧化碳，無氧產(chǎn)生酒精？還有哪些可能？鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想，并展示學(xué)生提出的所有可能。設(shè)計(jì)意圖：針對(duì)教師提出的問題，教師鼓勵(lì)學(xué)生，并給予學(xué)生充足的時(shí)間，發(fā)散思維、充分聯(lián)想，以教材中的背景材料為出發(fā)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生的想象。學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象提出需要探究的問題，讓學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)中，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生分類與比較能力。（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)施實(shí)驗(yàn)教師引導(dǎo)學(xué)生通過思考，按照探究性實(shí)驗(yàn)的一般設(shè)計(jì)流程，參照教材中的問題探討如何設(shè)置自變量、檢測(cè)因變量，控制無關(guān)變量，之后經(jīng)過總結(jié)把實(shí)驗(yàn)思路（總體方案）確定為：分別給酵母菌提供有氧和無氧的條件，一段時(shí)間后檢測(cè)是否含酒精、CO2。為了節(jié)省課堂時(shí)間，教師按照教材“參考資料”提供的裝置和資料進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有氧條件和無氧條件下的兩支試管都變成灰綠色（一支深一支淺）。教師設(shè)疑：為何兩支試管都變色？引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材資料分析現(xiàn)象：葡萄糖也能與酸性重鉻酸鉀發(fā)生反應(yīng)發(fā)生顏色變化，在課堂有限的時(shí)間內(nèi)兩支試管中的葡萄糖可能沒有消耗完所致。然后引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活，找到快速檢測(cè)酒精含量的裝置（儀器）——酒駕酒精檢測(cè)儀。同時(shí)教師說明教材中的裝置連接較多，氣密性檢查較煩瑣，進(jìn)而展示優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置：將氣球套在培養(yǎng)液錐形瓶的瓶口，作為無氧組，燒杯一組不套氣球作為有氧組。先測(cè)燒杯組（有氧組），再測(cè)錐形瓶組（無氧組），如果先測(cè)無氧組，無氧組的酒精會(huì)殘留在檢測(cè)儀上，測(cè)有氧組時(shí)也會(huì)得出讀數(shù)。然后教師引導(dǎo)每個(gè)學(xué)習(xí)小組分別設(shè)置無氧組和有氧組：分別將2克酵母菌倒入50ml的錐形瓶和50ml的燒杯中，再分別倒入30毫升42℃的溫水配置5%葡萄糖溶液（經(jīng)過筆者多次的摸索實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)購買的酵母菌發(fā)酵適宜溫度是42℃），將氣球套在錐形瓶的瓶口，作為無氧組，燒杯一組不套氣球作為有氧組；將兩個(gè)瓶子靜置在桌面，幾分鐘后觀察氣球的變化。（觀察的過程中如果氣泡過多，適當(dāng)震蕩一下，以防燒杯組中氣泡過多阻斷空氣，進(jìn)行無氧呼吸）待氣球膨脹后分別測(cè)兩個(gè)裝置的酒精含量，取下氣球的同時(shí)用酒精檢測(cè)儀快速對(duì)準(zhǔn)錐形瓶口，先測(cè)燒杯組（有氧組），再測(cè)錐形瓶組（無氧組），測(cè)完有氧組后一名同學(xué)把無氧組的氣球取下來套在一支事先準(zhǔn)備好的盛有5ml澄清石灰水的試管口上，將試管倒立讓石灰水進(jìn)到氣球里，再倒回來，觀察石灰水的變化情況。另一名同學(xué)快速用酒精檢測(cè)儀對(duì)準(zhǔn)錐形瓶口，測(cè)無氧組的酒精含量。設(shè)計(jì)意圖：確定實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容后，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并細(xì)化實(shí)驗(yàn)步驟，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法解決問題的科學(xué)探究能力；通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置及產(chǎn)物檢測(cè)手段，提升學(xué)生批判性思維能力；通過小組實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力，掌握科學(xué)探究的思路和方法，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作意識(shí)。設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)有氧和無氧條件兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括的方法，闡釋酵母菌細(xì)胞呼吸的現(xiàn)象及規(guī)律，從而發(fā)展其科學(xué)思維。六、教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)本節(jié)課教師運(yùn)用“ATDE”教學(xué)理念，讓學(xué)生經(jīng)過認(rèn)真思考、反復(fù)討論后提出問題，然后對(duì)問題進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，之后對(duì)問題做出合理的假設(shè)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來驗(yàn)證假設(shè)的正確。從而使學(xué)生感悟?qū)嶒?yàn)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，來提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)中分析與比較分類、分析與綜合、批判性思維的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。七、教學(xué)反思課前設(shè)計(jì)小游戲不僅能激發(fā)學(xué)生興趣和求知欲，實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和改良，自主探究、自主演示，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究熱情，課中的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生完成從對(duì)知識(shí)的初步認(rèn)識(shí)和理解升華到對(duì)知識(shí)的綜合理解與應(yīng)用，從而真正地轉(zhuǎn)化為能力和素養(yǎng)。探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式是細(xì)胞呼吸一節(jié)中非常重要的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)方案存在實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)、藥品和器材準(zhǔn)備困難、可操作性低等問題，筆者在處理教材中的實(shí)驗(yàn)時(shí)只能以演示的方式進(jìn)行。但為了達(dá)到新課改理念的要求，使課堂更活躍更具吸引力，筆者增設(shè)了兩個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。一個(gè)是課前小游戲——向盛有澄清石灰水的燒杯中吹氣，澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象從而達(dá)到引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，感知生命現(xiàn)象的目的。另一個(gè)是學(xué)生自己動(dòng)手用酒精檢測(cè)儀測(cè)有氧組和無氧組中的酒精含量，體驗(yàn)交警叔叔的工作，并從中學(xué)會(huì)控制變量，通過觀察現(xiàn)象得出結(jié)論，增強(qiáng)課堂趣味的目的。結(jié)束語演示實(shí)驗(yàn)幾乎沒有教師在課堂上做過，操作難度太大，這只是教材中比較理想的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，為了上好這節(jié)課筆者前前后后共發(fā)酵了20多次，就為了找準(zhǔn)酵母菌發(fā)酵的最適溫度，以便達(dá)到最好的課堂效果。這節(jié)課比較成功的地方首先是演示時(shí)有氧裝置那邊接通澄清石灰水后很快變渾濁，無氧這邊明顯要慢得多。課堂演示實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期，這就要求嚴(yán)格把握好酵母菌發(fā)酵的時(shí)間和溫度。檢測(cè)酒精也很順利，無氧裝置出現(xiàn)了明顯的灰綠色，有氧裝置也出現(xiàn)了較淺的灰綠色，本來有氧呼吸就沒有產(chǎn)生酒精，怎么會(huì)變色，這時(shí)就要帶著學(xué)生分析原因，原因很多種：1.本來酵母菌培養(yǎng)液就是乳白色，加入橙色重鉻酸鉀后二者的混合色；2.課前加入的葡萄糖培養(yǎng)液沒有消耗完，葡萄糖溶液與重鉻酸鉀反應(yīng)也會(huì)變成灰綠色；3.有氧裝置這邊在培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的氣泡太多堵住瓶口，導(dǎo)致缺氧進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生酒精。既然此方法行不通，同學(xué)們能想到什么方法檢測(cè)酒精嗎？引導(dǎo)學(xué)生思考警察叔叔是怎樣測(cè)酒駕的，從而引出分組實(shí)驗(yàn)。筆者的思路是：實(shí)驗(yàn)中不用教材里的錐形瓶，使用50ml的燒杯和50ml的小錐形瓶分別作為有氧組和無氧組，1個(gè)氣球、分裝好的各2克的酵母菌、一瓶42℃5%的葡萄糖溶液、一支試管、一瓶澄清的石灰水即可。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)前發(fā)的學(xué)案操作步驟，在2分鐘內(nèi)就可以完成。接著，學(xué)生觀察套在錐形瓶上氣球的變化，一開始癟癟的氣球耷拉在瓶口，4分鐘的時(shí)間里，氣球在慢慢膨脹，最后會(huì)昂首挺胸地立在試管口上。在這個(gè)過程中，學(xué)生非常興奮，迫不及待想測(cè)量錐形瓶和燒杯里的酒精產(chǎn)生情況。學(xué)生測(cè)完有氧組后，接下來的操作：往另外1支潔凈試管中注入5毫升的澄清石灰