《基于核心素养的初中生物七年级“植物的呼吸作用”探究式教案》

《基于核心素养的初中生物七年级“植物的呼吸作用”探究式教案》

一、教学指导思想与理论依据

本教学设计以《义务教育生物学课程标准（2022年版）》为根本遵循，秉承“内容聚焦大概念、教学过程重实践、学业评价促发展”的基本理念。教学设计与实施深度融合建构主义学习理论、探究式学习（Inquiry-BasedLearning）及STEM教育理念，旨在超越对植物呼吸作用知识点的孤立识记，引导学生通过对核心概念“植物的生命活动需要能量，能量来源于细胞的呼吸作用”的深度建构，发展科学思维与探究能力。本课着力于将生物学知识与化学变化、能量转换、环境保护等跨学科视角有机结合，通过设计真实情境下的驱动性任务，引导学生像科学家一样思考、设计和验证，在主动参与科学实践的过程中，形成生命观念、科学思维、探究实践和态度责任等生物学核心素养。

二、教学内容分析与学情研判

1.教学内容分析：

本课内容位于北京版《生物学》七年级下册第三单元“生物圈中的绿色植物”第一章“植物的生活方式”第二节。从教材体系看，学生在上一节已系统学习“植物的光合作用”，明确了绿色植物如何制造有机物、储存能量并释放氧气。本节“植物的呼吸作用”与光合作用构成对立统一、相辅相成的完整代谢图景，是理解植物乃至所有生物能量代谢的核心枢纽。教材内容通常涵盖呼吸作用的概念、反应式、实质、意义及在农业生产中的应用。然而，传统教学易将呼吸作用简化为一个化学反应式的记忆，缺乏对其实验证据链条的探究、能量转化实质的感悟以及与光合作用的动态关系辨析。

本设计将教学内容进行结构化重组与深化：

1.2.知识层面：从“现象→实验证据→概念提炼→原理阐释→意义应用”的逻辑链条展开，构建完整的知识体系。

2.3.核心概念：聚焦“呼吸作用是细胞分解有机物、释放能量供生命活动需要的过程”，并揭示其与光合作用的物质与能量联系。

3.4.学科思想：渗透“物质与能量观”、“结构与功能观”、“对立统一观”等生命观念。

4.5.跨学科联系：明确联系化学（有机物分解、气体性质）、物理（能量形式与转化）、农业科学（贮藏与栽培技术）。

6.学情研判：

教学对象为七年级下学期学生。他们具备以下基础与特点：

1.7.认知基础：已掌握光合作用的基本过程，知道植物能制造有机物；具备显微镜使用、简单实验设计的基础；在化学科目中初步了解氧气、二氧化碳的性质（如支持燃烧、使澄清石灰水变浑浊）。

2.8.思维特点：抽象逻辑思维开始发展但仍需具体经验支持，对探究活动充满热情，具备初步的合作学习与批判性讨论能力。

3.9.潜在迷思概念：易混淆光合作用与呼吸作用的场所、条件、气体变化；可能认为“植物只有晚上才进行呼吸作用”或“呼吸作用就是吸入氧气呼出二氧化碳”；难以理解“呼吸作用在所有活细胞中时刻进行”这一本质。

4.10.发展需求：需要通过清晰的实验证据破除迷思，通过科学探究的过程深化概念理解，通过真实情境的应用激发学习内驱力。

三、教学目标设计

基于核心素养导向，制定以下三维融合的教学目标：

1.生命观念

1.2.通过对呼吸作用系列实验的分析，阐明植物呼吸作用消耗有机物、消耗氧气并产生二氧化碳和能量的过程，初步建立“物质与能量观”。

2.3.通过对比呼吸作用与光合作用的区别与联系，理解二者共同维持植物体内物质和能量的平衡，形成“对立统一观”与“动态平衡观”。

4.科学思维

1.5.能够基于生活现象（如种子堆放发热、果蔬保鲜）提出关于植物呼吸的可探究科学问题。

2.6.能够分析经典实验（如探究种子呼吸释放热量、消耗氧气、产生二氧化碳），依据证据进行逻辑推理，得出结论。

3.7.能够运用比较、归纳、概括等方法，区分呼吸作用与光合作用，并构建两者关系的概念模型。

8.探究实践

1.9.能够以小组为单位，合作设计并完成“探究植物器官呼吸作用释放二氧化碳”的简易实验，规范操作、如实记录。

2.10.能够利用数字化传感器（如氧气、二氧化碳、温度传感器）或传统化学试剂，多角度收集、处理和分析实验数据。

3.11.能够基于证据，撰写简明的实验报告，并与同伴交流探究过程和结果。

12.态度责任

1.13.通过了解呼吸作用原理在农业生产（如粮食贮藏、果蔬保鲜、田间管理）和环境保护（森林碳汇）中的应用，认识到生物学知识对解决实际问题的价值，增强社会责任感。

2.14.在小组探究中，养成严谨求实的科学态度、主动合作的团队精神。

四、教学重点与难点

1.教学重点：

1.2.植物呼吸作用的概念、反应式及其实质。

2.3.通过实验探究，阐明植物呼吸作用消耗氧气、产生二氧化碳并释放能量的证据。

3.4.植物呼吸作用与光合作用的区别与联系。

5.教学难点：

1.6.理解呼吸作用是发生在所有活细胞中、每时每刻进行的生命活动。

2.7.从物质转变和能量转化的角度，深刻理解呼吸作用的实质。

3.8.自主设计实验方案，验证植物呼吸作用的气体变化。

五、教学策略与方法

1.情境创设策略：利用“种子堆内部发热”、“苹果久放产生酒味”、“地窖储存蔬菜前需通风”等生活现象和视频资料，创设真实问题情境，激发认知冲突。

2.探究式教学法：围绕核心问题，开展“引导探究”（经典实验分析）与“自主探究”（小组实验设计）相结合的多层次探究活动。

3.数字化实验辅助：引入氧气、二氧化碳、温度传感器进行定量测量，使不可见的生理过程“可视化”、“数据化”，提升实验的精确度和说服力。

4.模型建构法：引导学生利用图表、概念图或物理模型（如使用不同颜色的积木代表不同原子，模拟有机物分解），构建呼吸作用过程模型以及与光合作用的关系模型。

5.合作学习法：在实验设计、操作、讨论环节采用异质分组，促进思维碰撞与互助。

6.对比归纳法：通过表格系统对比呼吸作用与光合作用，深化理解。

六、教学资源与准备

1.教师准备：

1.2.多媒体课件（含情境视频、动画、实验示意图、对比表格）。

2.3.演示实验器材：保温瓶两个（内装萌发种子和干燥种子各一，瓶口插入温度计）、配套氧气/二氧化碳传感器及数据采集器、连接电脑的投影设备。

3.4.生活实物展示：新鲜和萎蔫的叶片、萌发种子与煮熟的种子、新鲜苹果块与发酵苹果块。

4.5.学生实验套材（按小组准备）：广口瓶（带橡皮塞）4个、弯曲玻璃管、小型漏斗、试管、澄清石灰水、黑色塑料袋、透明塑料袋、新鲜绿叶、萌发种子、煮熟的种子、凡士林、标签纸。

5.6.实验报告单（包含问题、假设、设计、记录、结论等部分）。

7.学生准备：

1.8.复习光合作用相关知识。

2.9.预习本节内容，收集关于“植物是否呼吸”的生活现象或疑问。

3.10.分组（4-6人一组），明确小组内部分工。

七、教学过程实施（两课时，共90分钟）

第一课时：现象质疑，实验寻证——揭示呼吸作用的物质变化

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图与素养指向

一、情境驱动，问题生成

（约8分钟）

1.播放短视频：粮仓中机械通风降温；薯片包装袋鼓胀；剧烈运动后人体呼吸急促。

2.展示图片：堆放已久的萌发种子堆内部蒸汽腾腾（发热）；地窖入口的警示标志（缺氧）。

3.提问链：

-粮仓为何要通风？种子堆为何会发热？这能量从何而来？

-薯片袋为何鼓胀？袋内气体可能是什么？

-植物是否也像人一样，需要“呼吸”？如果有，它“吸入”和“呼出”的分别是什么？

1.观看视频与图片，联系生活经验。

2.思考教师提出的问题，并与小组成员进行简短交流。

3.提出自己的猜想和疑问，如：“植物呼吸是不是用叶子？”“植物晚上才呼吸吗？”“呼吸和光合作用是不是反着的？”

创设真实、冲突的情境，激发探究欲望。引导学生从现象中提炼科学问题，培养“科学思维”中的问题意识。暴露学生的前概念和迷思。

二、引导探究，建立证据链

（约25分钟）

探究一：呼吸作用释放能量（热量）

1.展示课前准备好的两个保温瓶（A瓶：萌发种子；B瓶：干燥种子），请学生观察瓶口温度计示数。

2.提问：为何A瓶温度显著高于B瓶和室温？热量来源是什么？

3.引导学生推理：热量是能量的一种形式，萌发的种子生命活动旺盛，说明生命活动伴随能量释放，能量来源于种子内储存的有机物。

探究二：呼吸作用消耗氧气

1.演示数字化实验：将氧气传感器分别插入密封装有萌发种子和煮熟种子的锥形瓶中，实时监测并投影瓶内氧气浓度变化曲线。

2.提问：观察曲线，哪个瓶内氧气浓度下降了？为什么？煮熟种子为何变化不大？

3.传统实验对比展示：利用燃烧的蜡烛验证氧气消耗（萌发种子瓶内蜡烛熄灭更快）。

探究三：呼吸作用产生二氧化碳

1.演示数字化实验：切换为二氧化碳传感器，监测上述两瓶中二氧化碳浓度变化。

2.提问：哪个瓶内二氧化碳浓度升高了？

3.传统实验对比展示：将气体通入澄清石灰水，萌发种子瓶导出的气体使石灰水变浑浊。

1.观察温度计读数，记录差异。

2.分析热量来源，推理得出“有机物分解释放能量”的初步结论。

3.观察传感器数据曲线的动态变化，记录现象。

4.对比分析两组实验（萌发vs煮熟）的结果差异，推理得出“活细胞进行呼吸消耗氧气、产生二氧化碳”的结论。

5.观察石灰水变浑浊的现象，巩固对二氧化碳产生的认识。

采用“传统+数字化”实验双线验证，增强证据的直观性和说服力。引导学生依据实验现象进行逻辑推理，构建“证据-结论”的思维链条，发展“科学思维”和“探究实践”能力。明确实验对照原则。

三、归纳建模，形成概念

（约10分钟）

1.引导学生将三个探究实验的结论串联起来：萌发的种子（代表生命活动旺盛的植物器官）消耗了有机物（间接证据：释放的能量来自有机物分解）、消耗了氧气、产生了二氧化碳。

2.提问：这整个过程像我们学过的哪个生理过程？（人体呼吸）类比引出“呼吸作用”概念。

3.板书核心表述：植物呼吸作用：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。

4.写出文字表达式：有机物（储存着能量）+氧气→二氧化碳+水+能量。

5.强调关键点：场所是“活细胞”；条件是“有光无光均可”；实质是“分解有机物，释放能量”。

1.跟随教师引导，整合三个实验结论。

2.进行类比思考，理解“呼吸作用”命名的缘由。

3.在笔记本上规范记录呼吸作用的概念和反应式。

4.思考并辨析：植物所有部位都进行呼吸吗？死的细胞呢？植物在阳光下是否进行呼吸？

将零散的实验证据整合，提炼并形成核心生物学概念。通过书写反应式，初步建立“物质与能量观”。设置辨析问题，为突破难点“时刻、所有活细胞”作铺垫。

四、布置任务，引导深究

（约2分钟）

1.提出下一课时的探究挑战：“我们用了萌发的种子证明了呼吸作用。那么，植物的其他器官（如根、茎、叶、花、果实）是否也进行呼吸作用呢？请各小组选择一种器官，设计实验证明其呼吸作用产生了二氧化碳。”

2.分发实验报告单，要求小组课后讨论，初步形成实验设计方案（可画装置简图）。

1.领取探究任务和报告单。

2.明确课后小组合作内容，开始构思实验方案。

将学习从课堂引向课外，为第二课时的自主探究做准备。培养迁移应用能力和初步的实验设计能力。

第二课时：迁移设计，辩证认知——理解呼吸作用的实质与应用

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图与素养指向

一、方案论证，优化设计

（约15分钟）

1.组织小组轮流汇报课前设计的实验方案（以证明“XX器官呼吸产生二氧化碳”为目标）。

2.引导全班围绕以下要点进行论证与质疑：

-实验材料选择是否合理？（如叶用黑袋遮光处理以排除光合作用干扰）

-实验装置如何设置对照？（如活体器官vs煮熟或死亡的同种器官）

-检测二氧化碳的方法是什么？（澄清石灰水）

-如何保证气体只来自植物器官？（密封性）

3.教师点评，整合各方案优点，提供一套优化后的参考装置图（如：用两个密封广口瓶，A瓶放实验材料，B瓶放等量灭菌材料作为对照，均连接盛有澄清石灰水的试管）。

1.小组代表展示设计方案，阐述思路。

2.其他小组认真倾听，并提出质疑或改进建议（如：“你们的叶子如果不遮光，光合作用会产生氧气，会不会影响结果？”“对照组的材料怎么处理才科学？”）。

3.吸收各方意见，修订本组实验方案。

将实验设计作为教学内容，通过“汇报-质疑-论证-优化”的过程，深化对对照实验、变量控制等科学方法的理解，极大提升“科学思维”与“探究实践”素养。

二、合作探究，实践验证

（约20分钟）

1.发放优化后的统一实验器材（或允许按优化方案选取器材）。

2.明确实验安全规范和操作要求。

3.巡视指导，重点关注：装置的密封性、对照的设置、试剂的规范使用、现象的观察与记录。

4.鼓励使用手机或平板拍摄记录实验过程与现象。

1.小组成员分工协作，按照优化方案组装实验装置。

2.严谨操作，设置对照组和实验组。

3.观察并记录实验现象（如澄清石灰水变浑浊的速度和程度）。

4.拍摄关键步骤和现象。

将设计付诸实践，在动手操作中巩固技能，培养团队协作精神。获得植物不同器官都能进行呼吸作用的直接证据，突破教学难点。

三、分析归纳，深化实质

（约15分钟）

1.组织各小组汇报实验现象和结论。

2.引导全班总结：无论是种子、根、叶还是果实，只要是活的植物器官，都能进行呼吸作用，产生二氧化碳。

3.提问深化：

-呼吸作用分解的有机物从何而来？（光合作用制造）

-释放的能量有哪些用途？（展示动画：用于细胞分裂、根吸收无机盐、有机物运输、开花结果、维持体温等）

-呼吸作用与光合作用，在物质变化和能量转化上有何根本区别？

4.组织学生完成对比表格的填写（提供支架）。

1.汇报实验结果，支持“植物所有活细胞时刻进行呼吸”的结论。

2.思考能量来源与去向，理解呼吸作用是生命活动的“动力车间”。

3.小组讨论，从原料、产物、场所、条件、能量转换等方面系统比较呼吸作用与光合作用，完成对比表。

从现象上升到本质，深刻理解呼吸作用的普遍性、时刻性和功能意义。通过系统比较，构建知识网络，形成“对立统一”的生命观念。

四、联系应用，拓展责任

（约15分钟）

1.农业生产应用：

-提问：如何利用呼吸作用原理保存粮食和果蔬？（低温、干燥、降低氧气浓度如充氮、增加二氧化碳浓度）

-分析：农田为什么要适时松土？涝害为何会导致植物死亡？（保证根部的呼吸）

2.生态环境视角：

-提问：森林被称为“地球之肺”，主要是因其光合作用。那么，森林的呼吸作用（包括植物和土壤微生物）在碳循环中扮演什么角色？

-引导理解“碳汇”与“碳源”的动态平衡关系。

3.健康生活启示：

-讨论：夜间卧室内不宜放置过多植物的说法有科学依据吗？如何科学看待？（从呼吸作用速率和量级进行理性分析）

1.运用原理分析农业生产措施，体会学以致用。

2.从生态系统尺度思考呼吸作用的意义，理解生物与环境的相互关系。

3.辩证分析生活传闻，培养理性思维和社会责任感。

将生物学概念置于真实、复杂的应用情境中，体现知识的价值。培养学生的知识迁移能力、解决实际问题的能力以及关注社会、环境的责任感。

五、总结评价，布置作业

（约5分钟）

1.引导学生用概念图或思维导图总结本节核心内容（呼吸作用的概念、证据、实质、意义、与光合作用的关系）。

2.进行课堂小结性评价：通过一系列探究，我们证明了呼吸作用是植物所有活细胞时刻进行的、分解有机物释放能量的过程，它与光合作用共同构成了植物代谢的核心。

3.布置分层作业：

-基础性作业：完成课后练习，绘制呼吸作用与光合作用对比图。

-实践性作业：设计一个家庭小实验，验证水果（如香蕉）在成熟过程中呼吸作用的变化（可通过观察催熟其他水果的能力或触摸发热感）。

-拓展性作业：撰写一篇小短文，论述“从呼吸作用角度看，为何要保护森林、倡导低碳生活”。

1.尝试构建个人知识体系图。

2.回顾两课时的学习历程，巩固核心概念。

3.根据自身情况选择完成作业。

梳理知识体系，实现结构化认知。通过分层作业满足不同学生的发展需求，将探究延伸至课外，持续培养核心素养。

八、板书设计

（主板书区域）

植物的呼吸作用

一、证据（实验探究）

1.释放能量：萌发种子→温度升高

2.消耗氧气：萌发种子→O₂浓度下降

3.产生二氧化碳：萌发种子→CO₂浓度↑，石灰水变浑浊

→结论：活细胞进行。

二、概念与反应式

概念：细胞利用氧，分解有机物，产生CO₂和水，并释放能量的过程。

反应式：有机物（储能）+氧气→二氧化碳+水+能量

实质：分解有机物，释放能量。

关键：所有活细胞，时刻进行。

三、与光合作用的比较

过程

光合作用

呼吸作用

场所

叶绿体

线粒体（主要）

条件

光

有光、无光均可

原料

CO₂、H₂O

有机物、O₂

产物

有机物（淀粉）、O₂

CO₂、H₂O、能量

能量转变

光能→化学能（储存）

化学能→多种形式（释放）

实质

合成有机物，储存能量

分解有机物，释放能量

关系

相互依存，对立统一

（副板书区域）

1.小组探究问题：______器官是否进行呼吸？

2.设计要点：对照、变量、检测方法。

3.应用实例：贮藏（低温、干燥、低氧）、松土、碳循环。

九、学业评价设计

本课采用“嵌入教学过程的发展性评价”与“终结性表现评价”相结合的方式。

1.过程性评价：

1.2.课堂观察：记录学生在提出问题、参与讨论、实验操作、合作交流