例谈生物学重要概念教学中科学思维的运用策略

李学斌

摘要：阐述了在“能量释放与呼吸”教学中，灵活采用科学方法，引导学生运用递进思维、归纳实验、模型建构、比较分析等策略，使学生动手动脑，开展科学思维，让学生在思维碰撞中形成重要概念。

关键词：生物学教学重要概念科学思维策略

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

生物学重要概念处于学科中心位置，对学生学习生物学及相关科学具有重要的支撑作用。“能量的释放与呼吸”是苏科版《生物学》七年级上册内容，涉及“在生物体内，细胞能通过分解糖类等获得能量，同时生成二氧化碳和水”和“呼吸系统包括呼吸道和肺，其功能是从大气中摄取代谢所需要的氧气，排出代谢所产生的二氧化碳”两个重要概念。无论是从生物学知识体系角度，还是从学生学科关键能力培养的角度看，这部分内容都具有举足轻重的地位。由于初一学生没有理化基础，又刚刚接触生物学不久，理解呼吸作用、能量等抽象概念较为困难。

科学是系统的观察、实验与严密的逻辑思维相结合的产物，可见，观察、实验和逻辑思维是组成科学方法的重要内容。教师要引导学生灵活运用观察、实验、逻辑思维、模型建构等科学方法，特别是运用逻辑思维中的比较、分类、归纳、演绎、分析、综合等高级科学方法，引导学生发展科学思维、理解生物学原理，建构重要概念，收到事半功倍的效果。

1递进思维，引入概念

“能量的释放与呼吸”属于教材第三单元“生物从环境中获取物质和能量”中的内容。学生已经学习了“绿色植物是有机物的生产者”“人体的物质和能量来源于食物”“生物之间的食物关系”等内容，对抽象的生物能量概念有了初步的印象。因此，教师提出问题，引入学习：能量对于生物有什么作用？生物体能利用的能量贮藏在哪里？由前面的光合作用及人体消化吸收知识，学生不难理解能量是生物进行生命活动的动力，能够回忆出生物体生命活动所利用的能量贮藏在淀粉、蛋白质、脂肪等有机物中。教师追问：那么，人在什么状态下需要能量？能量释放与什么活动有关？有机物中的能量是如何释放的呢？

在初一学生“生命活动需要能量、剧烈运动需要更多的能量”等前概念基础上，教师组织学生测量平静状态和迅速起蹲1min活动后的呼吸频率，体验能量释放与呼吸的关系。学生分析统计的呼吸频率数据，得出“剧烈运动比平静状态呼吸频率更快”的结论，进而可以推论：能量消耗越多，呼吸频率越快。

教师引导学生：为什么剧烈运动时呼吸会加快？呼吸为人体提供了什么？学生联系生活常识，知道呼吸是指人或动物吸入氧气，呼出二氧化碳的过程。教师追问：吸入氧气和呼出的二氧化碳与能量的释放有什么关系？植物会呼吸吗？植物呼吸时，吸入了什么？排出了什么？教师利用层层递进的问题串，启迪学生深度思维，牵着学生的思绪，慢慢揭开呼吸作用神秘的面纱。

2探究归纳，揭示概念

2.1人体呼吸气体成分鉴定

人体呼吸时，吸入氧气、呼出二氧化碳，虽然是耳熟能详的常识，但教师还是应该让学生依据氧气可以助燃、二氧化碳可以使澄清的石灰水变浑浊等现象加以验证。如图1所示，用口在玻璃管处缓慢地吸气与呼气。吸气时关闭B阀，呼气时关闭A阀。学生数次呼吸后，观察两只锥形瓶石灰水的变化，从而明确呼吸作用能产生二氧化碳。

教师取两只大小一样的广口瓶，向其中一个广口瓶中连续吹气数次，用瓶塞塞住，将装有点燃蜡烛头的燃烧匙分别伸入两只广口瓶中，发现点燃的蜡烛头在未做处理的广口瓶中正常燃烧，而在连续吹气的广口瓶中马上熄灭。学生得出结论：人体吸入空气中氧气较多，而呼出气体中氧气较少。

综合两个探究实验，学生归纳得出结论：人体呼吸时，吸入气体中含较多氧气，呼出气体中含较多二氧化碳。

2.2植物呼吸气体探究

教师联系种子堆在一起会发热的现象，说明生物在呼吸同时可能伴有能量的变化，并引导学生设计实验来进行探究。教材中使用的实验材料是菠菜叶，容易给学生造成错觉：只有植物的叶能进行呼吸作用。

笔者在教学实践中，对探究实验做了系列改进：①采集生活中常见的植物根、茎、叶、花、果实、种子等器官实验材料供学生选用;②组装一套实验装置进行3个探究实验（探究植物呼吸时吸入气体、探究植物呼吸时排出气体、探究植物呼吸时能量释放情况）。各学生小组自主选择教师提供的实验材料，每组选择一种，分成等量的两份。一份放在空矿泉水瓶（350mL）中作为实验组，挂上标签“A”;一份用开水处理并冷却后，放在另一同样的空矿泉水瓶中作为对照组，挂上标签“B”。每只矿泉水瓶外裹上一层保温棉（隔热），用透明胶带固定，在两只矿泉水瓶的瓶盖上钻大小两个孔，大孔安上温度计（温度计插入瓶内植物器官中间），小孔供注射器针头插入使用，两孔均用凡士林涂严（不漏气）。实验小组读取、记录初始温度，并将实验装置放在黑暗處一昼夜。

教师组织学生讨论：为什么要用开水处理实验材料？每组探究实验的变量是什么？为什么要裹上保温棉？为什么实验装置要放在暗处？

探究时，各小组取回本组实验装置，首先读取并记录两支试管温度计数据。然后，用医用注射器分别抽取两只矿泉水瓶中的气体（抽取后密封小孔），分别注入两支小试管的澄清石灰水中，观察现象。接着，打开瓶盖，将点着的卫生香分别伸入两只矿泉水瓶中，观察现象。

2.3解读数据现象，尝试归纳概念

各组组长交流汇报完实验现象、数据后，教师引领学生分析现象、解读数据，尝试归纳概念。教师提出问题：A瓶中二氧化碳是怎么来的？氧气又去了哪里呢？学生讨论分析后，得出：新鲜的植物器官消耗了氧气、产生了二氧化碳;死亡的植物器官没有消耗氧气也没有产生二氧化碳。也就是说，活的植物器官发生了呼吸，死的植物器官没有呼吸。

各组实验统计的温度数据中，A瓶都有不同程度的升高，而B瓶都没有变化，说明新鲜的植物器官在呼吸时都释放了热量。各组尽管选用实验材料不同，但实验现象都一样，说明植物体根、茎、叶、花、果实、种子等任何生活部位，呼吸时都需要消耗氧气，都会产生二氧化碳，同时都会释放能量。

至此，教师可以引导学生尝试归纳呼吸作用的概念，并用概念图表示。

3模型建构，理解概念

模型是人们按照特定的科学研究目的，在某种假设条件下，再现原型客体本质特征的物质形式或思维形式的类似物。对于难以理解的生物学原理、知识采用模型建构，引导学生类比，形成科学概念。人体呼吸系统结构复杂、过程繁杂、原理难懂，如果教师平铺直叙、照本宣科，学生往往学得云里雾里。笔者在教学中借助物理模型、概念模型等，帮助学生搭建支架，理解概念。

3.1呼吸与呼吸作用概念模型

呼吸与呼吸作用是教学中学生最易混淆的一组概念。教师引导学生建构人体呼吸过程模型（图2），呼吸与呼吸作用概念的区别与联系就一目了然了。

由呼吸过程模式图可以看出，人体呼吸，即人体细胞从外界获得氧气，将细胞内产生的二氧化碳排出体外的过程，要经过四个阶段：肺泡与外界气体交换、肺泡内气体交换、气体在血液中运输、组织内气体交换。呼吸作用发生在细胞内，即氧气进入细胞后，分解有机物产生二氧化碳和水，同时释放能量供生命活动需要。

3.2呼吸运动物理模型

呼吸运动是指由脊柱、肋骨、胸骨组成的胸廓有节律地扩大、缩小。胸廓肋骨间由肋间肌，底部有膈肌，构成封闭结构，包在肺的外面。教材这样描述呼吸过程：吸气时，肋间外肌收缩，肋骨上升，膈肌收缩，隔顶部下降，胸廓容积增大，肺也随着扩张，外界空气进入肺;呼气时膈肌舒张，隔顶部上升，肋间外肌舒张，肋骨下降，胸廓容积缩小，肺随着回缩，肺内气体排出体外。

胸廓如何扩大、缩小呢？初一学生没有相应物理知识及立体几何基础，对这一部分知识，教师道不明，学生也理不清。如果实施活动体验和模型教学，学生理解起来就容易多了。体验呼吸过程活动如下：学生一手轻轻放在胸部下侧，另一只手放在鼻腔前，缓慢吸气和呼气。吸气时，胸廓扩大，呼气时，胸廓缩小。教师利用自制的教具（图3和图4）模拟胸廓模型来演示肋骨运动和膈肌运動。

通过概念模型、物理模型，学生清楚理解呼吸与呼吸作用的区别与联系，明确呼吸运动时肺内气体与外界气体进行交换的过程。

4比较分析，内化概念

比较是人们根据一定的认识和实践目的，把一事物与其他事物的属性和特征加以比较，以确定事物之间的共同点和差异点的思维方法。一般来说，在相异的对象间探求相同点，在相同的对象间探求相异点，能够更好地认识和把握事物，同时更好地训练学生的求同、求异思维。

“能量的释放与呼吸”一章内容，出现了许多相似易混概念，教师要引导学生对相应的概念进行比较辨析，有助于学生纠正错误的前概念，厘清概念的内涵、外延，准确理解、消化吸收重要概念。

4.1纠正概念

通过课前调查得知，学生认为人体呼吸时呼出气体不含氧气，全为二氧化碳气体。因此，在学生验证人体呼吸气体成分实验时，教师应及时出示人体吸入气体与呼出气体成分含量表（表1），启发学生比较分析，从而促进学生真正理解气体的扩散作用：肺泡内气体与肺泡壁外毛细血管血液中气体交换时，肺泡内氧气并没有全部进入血液，血液中二氧化碳也没有全部从血液进入肺泡内。

另外，学习前，学生原来以为呼吸是陆生动物和人从空气中获取氧气、排出二氧化碳的过程。通过比较分析，学生知道植物也要呼吸，也能从空气中获取氧气、排出二氧化碳;水生动物也要呼吸，也能从水中获取氧气、排出二氧化碳。

4.2明晰过程

教学中，借助于模型、模式图、概念图，通过比较分析呼吸、呼吸运动、呼吸作用等概念，学生理解了呼吸是生物体细胞与外界交换气体的过程，呼吸作用和呼吸运动的关系与区别。人体肺部与外界气体交换过程是学习的难点，教师在借助图3、图4所示，模型模拟教学的同时，出示人体平静状态下呼吸过程表（表2），引领学生边观察操作模型，边填写表格，逐次讲解、层层深入，突破难点。

4.3厘清内涵

教师提醒：在探究植物各器官呼吸作用时，各组装置都要置于黑暗环境中，是为了避免植物光合作用产生气体对实验的干扰。至此，可以组织学生讨论植物六大器官，哪些器官在光下会发生光合作用产生干扰？然后，引导学生列表比较呼吸作用与光合作用（表3）。通过比较，进一步厘清光合作用、呼吸作用概念内涵，进一步明了光合作用、呼吸作用原理在粮食蔬菜生产、贮存中的灵活运用。

总之，在生物学教学中，教师要因时、因地制宜，巧用科学方法，开动思维机器，通过实验探究、模型建构、比较分析，让学生动手动脑，在思维碰撞中，理解、内化生物学重要概念。