基于探究与建模的初中生物学教学设计-以“绿色植物的呼吸作用”为例

基于探究与建模的初中生物学教学设计——以“绿色植物的呼吸作用”为例一、教学内容分析  本课隶属初中生物学“生物圈中的绿色植物”主题，是继“光合作用”之后对植物代谢的深度刻画，共同构成了物质循环与能量流动的微观基石。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》强调，要帮助学生形成“物质与能量观”等生命观念，并发展科学探究和科学思维素养。在知识图谱上，学生需理解呼吸作用的实质是分解有机物、释放能量，掌握其实验验证方法，并能够辨析其与光合作用的区别与联系，此为构建“植物的能量代谢”概念网络的关键节点。在过程方法上，本课是训练学生设计对照实验、分析实验现象、运用科学模型（如反应式、概念图）解释生命现象的绝佳载体。在素养渗透层面，通过探究“呼吸作用为生命活动供能”，学生能深刻体悟生命活动的统一性，并联系农业生产、家居生活等实际，培养运用生物学知识解释和解决现实问题的社会责任感。  从学情研判，学生已具备光合作用的基础知识，但容易形成“植物只进行光合作用”或“呼吸作用等同于动物呼吸”等前概念障碍。同时，对“能量”这一抽象概念的转化与利用理解困难。基于此，教学需创设认知冲突，以直观实验破除迷思。在过程评估中，我将通过追问“种子萌发时为何发热？”、“为何要松土？”等生活问题，诊断学生的经验迁移水平；通过分析实验装置图，评估其控制变量的逻辑思维。针对不同层次学生，策略如下：对基础薄弱者，提供结构化的实验观察表与分析引导句；对思维活跃者，则挑战其设计实验证明“植物所有活细胞都进行呼吸作用”，并鼓励他们尝试用概念图自主归纳比较两大生理作用。二、教学目标  学生能够准确描述呼吸作用的全过程（原料、产物、场所、实质），并写出其反应式；能基于教师提供的实验装置，阐明证明植物进行呼吸作用的三个经典实验（消耗氧气、产生二氧化碳、释放能量）的原理与现象；能在具体情境（如储存果蔬、农田管理）中，举例说明呼吸作用原理的应用。学生能通过小组合作，完成“种子呼吸作用释放热量”的演示实验观察与记录；能够依据提示，设计简单的对照实验来验证呼吸作用的某一产物；能从实验现象和图表数据中，归纳、推理得出结论，并尝试用规范的语言进行书面和口头表达。学生在探究活动中，能体验到科学发现需严谨求实，形成合作与分享的意识；通过讨论呼吸作用原理在农业生产中的应用，认识到生物学知识对促进社会可持续发展的价值。重点发展“归纳与概括”和“模型与建模”思维：通过对多个实验现象的梳理，概括出呼吸作用的普遍规律；通过构建并比较光合作用与呼吸作用的概念模型，理解二者对立统一的关系，形成辩证的学科思维。学生将运用教师提供的“实验设计评价量表”对同伴或自己的设计草案进行评价与修订；在课堂小结时，能够反思自己是如何通过实验证据修正原有错误认识的，初步形成基于证据进行自我批判与知识更新的元认知意识。三、教学重点与难点  教学重点为呼吸作用的概念建构及其与光合作用的区别联系。确立依据在于，呼吸作用是贯穿整个生物学课程的核心概念——“生物通过能量驱动生命活动”的典型例证，是理解生态系统能量流动的细胞学基础。同时，在学业水平考试中，呼吸作用的实质、实验探究及其与光合作用的综合辨析是高频、高区分度的核心考点，集中体现了对物质与能量观这一生命观念的考查。教学难点在于呼吸作用过程中物质与能量变化的抽象理解，以及对呼吸作用与光合作用辩证关系的整体把握。其成因在于，微观的化学变化无法直接观察，学生需从宏观实验现象进行反向推理，认知跨度较大；此外，学生易将二者视为独立甚至对立的过程，难以整合到“植物代谢”的动态平衡体系中。预设突破方向是：利用蜡烛熄灭、石灰水变浑浊、温度计示数上升等直观现象，搭建从宏观到微观的思维桥梁；通过构建并比对两张“输入输出”模型图，引导学生发现两者的“原料”与“产物”恰好互逆，从而理解其相互依存的关系。四、教学准备清单  1.教师准备  1.1媒体与教具：交互式课件（含实验动画、对比表格）；板书记划（预留概念图区域）；呼吸作用三个验证实验的演示器材（保温瓶、温度计、萌发种子与煮熟种子、澄清石灰水、燃烧的蜡烛、透明钟罩等）。  1.2学习支持材料：分层学习任务单（含基础观察记录表与拓展设计挑战题）；实验设计评价量表（自评与互评用）。  2.学生准备  2.1知识准备：复习光合作用反应式及实质；预习课本相关实验。  2.2物品准备：笔记本、彩色笔（用于画概念图）。  3.环境布置  3.1座位安排：四人小组围坐，便于合作探究与讨论。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与认知冲突：同学们，上节课我们学习了植物的“能量合成站”——光合作用。那植物消耗能量吗？它们有没有自己的“能量加油站”？请大家看一个生活小现象：这是两堆种子，一堆是干燥的，一堆是正在萌发的。我请两位同学来分别摸一摸，有什么感觉差异？（学生触摸后回答“萌发的种子堆里更热”）。这就有趣了！种子萌发没晒太阳，热量从何而来？这能量是不是就像我们吃饭后有力气一样，也来自某种“消化”过程？  1.1提出核心问题：看来，绿色植物在暗中也可能发生着复杂的生命活动。这个和光合作用看起来很不一样的、“消耗”有机物并释放能量的过程，就是我们今天要揭秘的——绿色植物的呼吸作用。核心驱动问题就是：如何用实验证明绿色植物确实进行了呼吸作用？它的实质究竟是什么？  1.2明晰学习路径：我们将化身“小小科学家”，通过三个关键实验寻找证据，一步步揭开呼吸作用的神秘面纱，最后还要请你们当“总设计师”，比较一下呼吸作用和光合作用这对看似相反的“兄弟”，看看它们究竟是如何共同维持植物生命的。第二、新授环节任务一：感知现象，提出问题——萌发的种子释放了热量  教师活动：首先，我们来量化一下刚才的触觉。大家看，我将温度计分别插入装有萌发种子和煮熟种子的保温瓶中。请注意，这里为什么要用“煮熟的种子”做对比？对，这就是我们科学探究中至关重要的——设置对照！现在，请各小组记录初始温度。预测一下，一段时间后，哪支温度计的读数会明显上升？你的依据是什么？好，我们等待并观察结果。（稍后）结果出来了，萌发种子瓶内温度显著升高。这说明了什么？能量以热能形式释放出来了。但新的问题来了：这能量从何而来？是不是像食物在我们体内一样，是分解了种子里的有机物产生的？这需要我们寻找更多证据。  学生活动：观察教师演示实验，理解对照设置的意义。小组讨论并做出预测，记录温度变化数据。分析现象，得出结论：萌发的种子释放热量。在此基础上，提出进一步的猜想：能量可能来源于有机物的分解。  即时评价标准：1.能否准确指出实验中的对照组并说明其作用。2.能否将观察到的温度变化现象与“能量释放”这一结论进行逻辑关联。3.在讨论中，能否基于现象提出合理的后续探究问题。  形成知识、思维、方法清单：★呼吸作用释放能量。实验证据：萌发种子使温度升高。▲设置对照实验是科学探究的基本原则，本例中煮熟种子消除了生命活动的影响。★能量来源猜想：可能来自细胞内有机物的分解。这是一个从宏观现象（热）切入微观过程（能量转化）的重要思维起点。任务二：寻找证据一——种子呼吸消耗了氧气  教师活动：如果真是分解有机物，通常会需要氧气参与，就像燃烧一样。如何证明种子呼吸消耗了氧气呢？我给大家一点提示：氧气能支持燃烧。看，这个密闭钟罩下有两瓶种子（萌发与煮熟），旁边各有一支燃烧的蜡烛。大家注意看，同时放入后，哪边的蜡烛会先熄灭？（演示）果然，萌发种子一侧的蜡烛先熄灭！这个现象能说明什么？对了，说明萌发的种子消耗了钟罩内的氧气，导致蜡烛缺氧熄灭。请一位同学尝试用“因为…所以…”的句式完整表述一下推理过程。很棒！这找到了第一个“消耗”的证据——消耗氧气。  学生活动：观察蜡烛熄灭先后顺序的对比实验。理解实验设计的巧妙之处（利用燃烧需氧）。进行逻辑推理，并尝试用规范的科学语言描述现象与结论：因为萌发的种子消耗了氧气，所以其所在钟罩内氧气减少，蜡烛先熄灭。  即时评价标准：1.能否清晰描述实验现象（哪支蜡烛先熄灭）。2.能否正确建立“蜡烛先熄灭”与“氧气被消耗”之间的因果关系。3.语言表达是否逻辑清晰、科学严谨。  形成知识、思维、方法清单：★呼吸作用消耗氧气。经典验证实验：在密闭环境中，萌发种子能使燃烧的蜡烛熄灭。★科学推理：依据明确的现象（蜡烛熄灭顺序），运用已有知识（燃烧需氧），推断出看不见的过程（氧气被消耗）。这是科学探究的核心思维。任务三：寻找证据二——种子呼吸产生了二氧化碳  教师活动：有机物分解，消耗氧气，那会产生什么呢？我们初中阶段学过，能让澄清石灰水变浑浊的气体是？对，二氧化碳。现在，请各小组化身侦探，根据桌上的器材（装有萌发种子/煮熟种子的广口瓶、导管、澄清石灰水），设计一个简单的实验，让石灰水来“告诉”我们，种子呼吸是否产生了二氧化碳。给大家3分钟讨论设计思路，关键想清楚：气体从哪个瓶子里通出来？为什么？（巡视指导，点拨“气体流向”和“对照设置”）好，请小组代表分享你们的“破案方案”。大家的设计都很棒，抓住了要害：将气体分别从两个瓶子里导出，通入石灰水。我们一起来看看实验结果（演示或播放视频）。看，从萌发种子瓶中导出的气体，使澄清石灰水变浑浊了！这铁证如山，说明呼吸作用确实产生了二氧化碳。  学生活动：小组合作，利用给定器材讨论并构思实验装置图。重点思考如何设置对照（煮熟种子瓶）以及如何确保气体有效导出。分享设计思路，并观察演示实验，记录关键现象：只有萌发种子产生的气体使石灰水变浑浊。  即时评价标准：1.小组设计草图中是否体现了对照思想（两套装置）。2.能否解释气体应从种子瓶中导出，而非导入。3.能否准确将“石灰水变浑浊”的现象与“产生二氧化碳”的结论相对应。  形成知识、思维、方法清单：★呼吸作用产生二氧化碳。验证方法：使澄清石灰水变浑浊。▲实验设计思维：将不可见的气体产物，通过特定的试剂反应转化为可见的颜色或沉淀变化，是生物学研究的常用方法。★再次强化对照：必须排除种子自身可能释放其他物质的干扰。任务四：归纳建模，形成概念  教师活动：线索都齐了！我们来当一次“学术总结官”。根据以上三个实验证据，谁能尝试概括一下：呼吸作用是一个怎样的过程？它在哪里发生？（引导学生说出：在细胞内，有机物在氧的参与下被分解，产生二氧化碳和水，同时释放能量）。总结得太精准了！这就是呼吸作用的实质。我们可以用一个简洁的反应式来为它建立一个“化学模型”（板书：有机物+氧气→二氧化碳+水+能量）。请大家特别注意，这里的“能量”，一部分以热能散失（就像我们测到的温度升高），更关键的是另一部分，用于驱动各种生命活动，比如细胞分裂、吸收无机盐等等。所以，呼吸作用就是植物的“生命动力引擎”。  学生活动：在教师引导下，将三个实验证据进行整合，尝试用自己的语言归纳呼吸作用的完整过程。理解反应式中各物质的角色（原料、产物）。重点理解“能量”的两重去向：释放（热）和利用（生命活动动力）。  即时评价标准：1.归纳是否全面，涵盖了原料、产物、场所、能量变化等关键要素。2.能否理解反应式中“能量”符号的生物学含义，而非简单的化学符号。3.能否用“动力引擎”等比喻来形象化理解呼吸作用的意义。  形成知识、思维、方法清单：★★呼吸作用的概念与反应式。核心实质：细胞内有机物氧化分解，释放能量。★模型建构：用文字概括和反应式模型，将零散的实验证据整合成一个完整的、抽象的科学概念。★能量去向：区分“释放”与“利用”，理解呼吸作用的根本目的是为生命活动提供可利用的能量（ATP）。任务五：深化理解——呼吸作用的场所与普遍性  教师活动：这个“引擎”安装在植物的哪个“车间”呢？回忆一下细胞的结构，哪种细胞器是“动力车间”？对，线粒体。所以，呼吸作用的主要场所是线粒体。那么，是不是只有种子萌发时才进行呼吸作用呢？只有绿色部分才进行吗？大家结合“所有活细胞都需要能量”这一事实，思考一下。（学生思考后）没错！呼吸作用是所有活细胞每时每刻都在进行的基本生命活动。无论是根、茎、叶、花、果实，无论是白天还是黑夜，只要细胞是活的，就在进行呼吸作用，为它的工作提供动力。  学生活动：联系旧知（线粒体的功能），明确呼吸作用的主要场所。通过逻辑推理（所有活细胞都需要能量），得出呼吸作用具有普遍性的结论，纠正“只有萌发种子或只有夜晚进行”等错误前概念。  即时评价标准：1.能否准确将呼吸作用与细胞器“线粒体”的功能关联。2.能否运用普遍性原则（生命需要能量）推断出呼吸作用发生的普遍性。  形成知识、思维、方法清单：★主要场所：线粒体。★普遍性：植物所有活细胞、每时每刻都在进行。这是对呼吸作用概念外延的重要界定。▲前概念修正：通过逻辑推理，主动修正“植物只在暗处呼吸”或“非绿色部分不呼吸”等片面认识。任务六：比较辨析，构建网络——呼吸作用与光合作用  教师活动：现在，请拿出你们的“光合作用”知识储备，我们来玩一个“找不同”和“找联系”的思维游戏。以小组为单位，从“场所、条件、原料、产物、能量转变、实质”这几个维度，对比呼吸作用和光合作用，完成学习单上的对比表格。（巡视指导，关注学生归纳的准确性）完成了吗？我们请一个小组来展示。大家看，它们几乎处处相反，像一对“冤家”。但，它们真的完全对立吗？我给大家一个提示：光合作用制造的有机物和氧气，对呼吸作用来说是什么？反过来，呼吸作用释放的二氧化碳和能量，对光合作用又意味着什么？对了！它们的“原料”和“产物”恰好是彼此需要的，这就构成了一个美妙的物质循环和能量流动的闭环！可以说，没有光合作用，呼吸作用就成了“无米之炊”；没有呼吸作用，光合作用也缺乏动力和部分原料。它们是相互依存、对立统一的。  学生活动：小组合作，利用对比表格，系统梳理呼吸作用与光合作用的区别。在此基础上，在教师引导下，深入分析两者在物质和能量上的内在联系，理解它们对立统一、共同维持植物生命活动的辩证关系。  即时评价标准：1.对比表格填写是否准确、完整。2.能否超越表格，从物质循环（有机物、氧气、二氧化碳）和能量流动（光能→化学能→生命活动）的角度，阐述两大作用的相互依存关系。3.能否初步形成辩证的、联系的学科观点。  形成知识、思维、方法清单：★★★光合作用与呼吸作用的区别与联系（表格对比）。★对立统一观：二者在条件、物质转化、能量转换上看似对立，但在生态系统物质循环和能量流动层面高度统一、相互依存。这是本单元乃至整个生物学学习的核心观念之一。★知识结构化：通过对比与联系，将两个核心概念整合进更大的“植物代谢”或“生物圈碳氧平衡”知识网络中。第三、当堂巩固训练  设计核心：现在我们进入“实战演练场”。我准备了三个层级的挑战，请大家量力而行，也欢迎勇攀高峰。  1.基础层（全体必做）：判断并改错。(1)植物只在夜晚进行呼吸作用。（）(2)呼吸作用的产物是水和有机物。（）(3)呼吸作用的主要场所是叶绿体。（）这组题帮我们巩固最核心的概念，请大家快速完成，同桌交换批改。  2.综合层（大多数学生完成）：分析应用。为什么农田被水淹后要及时排涝？为什么冰箱冷藏能延长蔬菜保鲜期？请用呼吸作用原理分别解释。这两道题需要你把知识放到真实情境中去“跑一圈”，想想水分、温度是如何影响呼吸作用强弱的。  3.挑战层（学有余力选做）：实验迁移与设计。已知“呼吸作用强度受温度影响”。现有萌发的小麦种子若干、保温瓶、温度计等器材，请你设计一个实验方案来探究“温度对小麦种子呼吸作用强度的影响”（提示：如何直观比较呼吸作用的强弱？）。这道题是“高玩”专属，考察你是否真正掌握了探究实验设计的精髓——变量控制和指标观测。  反馈机制：基础题通过同桌互评即时反馈；综合题请学生分享答案，教师点评并提炼“影响呼吸作用强度的外部因素（水、温度、氧气浓度）”这一规律；挑战题展示优秀设计草案，由师生共同依据“评价量表”进行点评，明确设计亮点（如设置多个温度梯度、以单位时间内温度变化值作为强度指标等）。第四、课堂小结  知识整合：旅程接近尾声，请大家合上课本，在笔记本上尝试画一个简单的概念图，中心是“绿色植物的呼吸作用”，看看你能引出多少条枝干（定义、公式、场所、证据、意义、与光合作用的关系等）。画完后，和同组同学交流补充。这能帮你把今天散落的“珍珠”串成美丽的“项链”。  方法提炼：回顾一下，今天我们是如何认识呼吸作用的？对，我们从生活现象出发，提出假设，然后通过一系列精心设计的对照实验寻找证据，最后归纳概括形成概念模型，并与已有知识建立联系。这就是科学探究的一般路径，也是我们今后认识未知世界可以模仿的思维方式。  作业布置与延伸：今天的作业是“自助餐”式的：必做部分：整理课堂笔记，完善呼吸作用与光合作用的对比表。选做A（拓展）：查阅资料，解释“新疆瓜果特别甜”与呼吸作用的关系。选做B（探究）：设计一个家庭小实验，证明水果（如苹果）也在进行呼吸作用（注意安全，不使用明火）。下节课，我们将走进更广阔的生态系统，看看植物的这两大作用如何支撑起我们赖以生存的生物圈。六、作业设计  基础性作业（必做）：1.熟记呼吸作用反应式，并能用文字准确描述其过程与实质。2.完成课本本节相关的基础练习题，重点巩固三个验证实验的现象与结论。3.在笔记本上绘制呼吸作用与光合作用的对比思维导图。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：情境分析报告。假设你是一位农业技术员，请运用呼吸作用原理，为本地一家草莓种植大棚提出至少两条关于“如何通过调控环境条件来降低草莓储存和运输过程中的损耗、保持新鲜度”的具体建议，并说明其科学依据。要求：建议合理，解释清晰，字数在200字左右。  探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：微型项目设计——“探究不同水果的呼吸强度”。学生自选23种常见水果（如香蕉、橙子、猕猴桃），设计一个简易可行的家庭探究方案，比较它们在相同条件下呼吸作用释放二氧化碳的快慢（可用食品袋密封后观察鼓胀程度、或用酸碱指示剂进行半定量比较等）。要求提交一份简单的探究计划书，包括提出问题、作出假设、设计步骤（图文结合）、预测可能结果。七、本节知识清单及拓展  ★★1.呼吸作用概念：细胞利用氧，将有机物分解成二氧化碳和水，并将储存在有机物中的能量释放出来，供生命活动需要的过程。教学提示：强调“所有活细胞”、“每时每刻”进行，是生命的标志之一。  ★★2.呼吸作用反应式：有机物（储存着能量）+氧气→二氧化碳+水+能量。教学提示：与光合作用反应式对比记忆，注意箭头方向、条件和能量表述的差异。  ★3.呼吸作用实质：分解有机物，释放能量。教学提示：这是最精炼的概括，所有实验证据都指向这两个核心变化。  ★★4.主要场所：线粒体。教学提示：联系细胞结构知识，明确线粒体是细胞内的“动力车间”。  ★★5.验证实验一（消耗氧气）：萌发种子使密闭环境中燃烧的蜡烛熄灭。关键点：该实验巧妙利用了燃烧需氧的原理，将看不见的氧气消耗转化为可见的火焰熄灭现象。  ★★6.验证实验二（产生二氧化碳）：萌发种子产生的气体能使澄清石灰水变浑浊。关键点：这是检验二氧化碳的特定方法，实验中必须设置对照（如用煮熟种子），以排除其他因素干扰。  ★★7.验证实验三（释放能量）：萌发种子在保温瓶中使温度升高。关键点：能量一部分以热能形式释放，该实验直观但需注意保温以减少热量散失。  ★8.能量去向：一部分以热能散失；另一部分用于驱动各种生命活动（如细胞分裂、物质运输、生物发光等）。教学提示：破除“能量就是热量”的片面认识，理解其生物学意义在于“被利用”。  ★9.呼吸作用的普遍性：所有活细胞（植物、动物、微生物等）都要进行呼吸作用。认知说明：这是生命的基本特征，将植物呼吸与动物呼吸统一起来。  ★★★10.光合作用与呼吸作用的区别（核心对比）：从场所（叶绿体/线粒体）、条件（光/有光无光均可）、原料（CO2、H2O/有机物、O2）、产物（有机物、O2/CO2、H2O）、能量转变（储存能量/释放能量）、实质（制造有机物，储存能量/分解有机物，释放能量）六个方面系统比较。记忆技巧：用对比表格梳理，绝大多数项目恰好相反。  ★★★11.光合作用与呼吸作用的联系：二者相互依存、对立统一。光合作用为呼吸作用提供有机物和氧气；呼吸作用为光合作用提供原料二氧化碳和部分能量（如用于物质运输等）。素养指向：建立物质与能量观，理解生物体内及生物与环境间的物质循环和能量流动。  ▲12.影响呼吸作用强度的外部因素：温度、水分、氧气浓度、二氧化碳浓度等。应用链接：解释农业生产中的松土、排涝、低温储藏、地窖储存等现象。  ▲13.呼吸作用原理的应用（生产生活）：(1)农田松土——促进根系呼吸，利于生长。(2)粮食果蔬储藏——低温、低氧（如充氮包装）、干燥以抑制呼吸，减少消耗。(3)果蔬长途运输——控制温度、湿度，有时需适当通风散热。  ▲14.易错点辨析：“呼吸”与“呼吸作用”不同。呼吸通常指生物体与外界气体交换的过程（如动物的肺呼吸）；呼吸作用是指细胞内的一系列化学反应。植物没有专门的呼吸器官，气体通过气孔等结构交换。  ▲15.科学方法：对照实验：本课三个验证实验均设置了对照（如煮熟种子），这是科学探究中控制单一变量、增强结论说服力的核心方法。思维提升：在设计任何探究方案时，首要思考“我的对照是什么？”八、教学反思  （一）目标达成度分析：从当堂巩固训练和课堂问答反馈来看，绝大多数学生能够准确描述呼吸作用过程并写出反应式（知识目标达成）；在小组合作设计实验证明产生二氧化碳时，约七成小组能形成合理方案，体现了初步的实验设计能力（能力目标部分达成）。通过对比表格的构建与讨论，学生能初步说出光合作用与呼吸作用的联系，表明“物质与能量观”的构建有了良好开端（思维目标初见成效）。情感目标渗透在探究过程和应用讨论中，学生参与积极，但将其内化为稳定的科学态度和社会责任，仍需后续教学的持续浸润。  （二）教学环节有效性评估：导入环节的“触摸种子”迅速制造认知冲突，成功激发探究欲。新授环节的六个任务逻辑链条清晰，遵循了“现象证据概念联系”的认知规律。其中，任务三让学生尝试设计实验是亮点也是风险点，部分