呼吸作用在中学生物中的应用

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  摘 要:本文从中学生物课程的范畴内,以呼吸作用的应用入手,探讨了呼吸作用在中学生物中的意义与关系。先是在中学生物的范畴内对呼吸作用概念进行介绍,对呼吸作用所涉及的反应方程式进行介绍。为了提高生物科学素养,帮助学生系统全面的了解与呼吸作用有关的知识,本文从呼吸作用的类型、方程式、特点和意义四个方面来阐述什么是呼吸作用。在中学生物实验中运用呼吸作用的相关原理进行实验巩固知识,提高学生的创造性思维能力。最后以中学教材中对呼吸作用知识点的内容与应用作进一步系统的分析。
  关键词:呼吸作用;有氧呼吸;无氧呼吸
  Abstract:This paper starts with the application of respiration and discusses the significance and the relationship of respiration in middle school biology,which is based on the category of the biology course of middle school.First,the concept of respiration and the reaction equation involved are introduced in this paper.In order to help students learn knowledge about respiration more systematically and comprehensively and improve the science of biology,this article describes respiration from four aspects,the type,the equation,the characteristic and the significance.The principle of respiration can help students consolidate knowledge and improve students’creative thinking ability in the biological experiment in middle school is discussed.Finally,a further systematic analysis of the contents and applications of the knowledge points in the middle school textbooks is applied.
  Key words:respiratory action,aerobic respiration,anaerobic respiration
  選题意义:
  在当前的教育形势下,培养学生的生物科学素养尤为重要。就我国而言,《普通高中生物课程标准》于2003年颁布,本《标准》的实施反映了新世纪新形式下我国的社会需求,学生的发展需要及培养学生的生物科学素养,也是为了发展我国生物科学研究,也反映了我国50年来在生物课程改革中积累的成功经验及相关研究成果。在《标准》中,主要的设计思路为:①课程宗旨——提高学生的生物科学素养;②充分考虑社会的需求;③为学生的择业和就业提供必要的帮助;④反映时代的特点和生物科学的进步;⑤初中、高中整体设计。由此可见,我国中学教育对培养学生的生物科学素养越来越重视。
  呼吸作用是我国中学生物的重要知识点之一,呼吸作用是我们学生在中学课程的各个阶段都要学习的生物知识,但是呼吸作用的概念较为抽象难懂,整个反映过程又分为多个步骤和阶段,所以被认为是学生必备的生物科学知识和中学生物教学中的重难点。呼吸作用的理解和运用是中学生物教学要求学生必须掌握的知识点,学好呼吸作用才能进一步理解和学习其他生物知识。本文将以呼吸作用在中学生物中的应用方面进行简要分析。
  概念的界定:
  本文会出现“呼吸作用”、“有氧呼吸”、“无氧呼吸”等术语,为了避免不必要的误解,清楚的叙述本文内容,现对相关概念进行界定。
  呼吸作用:是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解反应,将水和氧气反应生成二氧化碳或其他产物,释放出能量的同时生成ATP的过程。本文采用人教版高中生物必修一《分子与细胞》中对呼吸作用的定义。
  光合作用:是指绿色植物通过细胞内的叶绿体吸收利用光能,通过一系列的生化反应把二氧化碳和水转化成储能的有机物,并且释放出氧气的过程。本文采用人教版高中生物必修一《分子与细胞》中对光合作用的定义。
  有氧呼吸:是指在有氧的条件下,通过细胞内多种酶的催化作用,彻底氧化分解葡萄糖等有机物,产生二氧化碳和水,生成大量ATP并放出能量的过程。本文采用人教版高中生物必修一《分子与细胞》中对有氧呼吸的定义。
  无氧呼吸:一般指在没有氧的条件下,细胞把细胞内某些有机物分解成为不彻底的氧化产物,同时释放能量的过程。本文采用《植物生理学》中对无氧呼吸的定义。
  方法:
  文献法:通过万方数据库系统、中国知网、维普中文科技期刊查阅相关的中文文献,对中学生物教材和所学有关书籍进行研读,了解当前对呼吸作用概念的定义和应用。
  一、什么是呼吸作用?
  1.呼吸作用的类型
  在中学生物范畴中,呼吸作用也称作细胞呼吸,因为呼吸作用是在细胞内进行的。通过科学家进行的大量实验我们现在可以得出结论,细胞呼吸分为两种类型,分别为有氧呼吸类型和无氧呼吸类型。
  有氧呼吸可分为三个递进的阶段,在不同阶段的细胞场所、反应生成的产物和释放的能量不同,有氧呼吸的第一个反应阶段是在细胞质基质中进行的,其主要的呼吸参与物质为葡萄糖,分解产生丙酮酸,这一阶段的呼吸释放能量较少。第二反应阶段的反应场所是在线粒体基质中,其参与反应的物质主要是丙酮酸和水,释放出大量的二氧化碳,并伴随着少量的能量。有氧呼吸的第三反应阶段是在细胞的线粒体内膜上进行的,[H]和氧气作为反应物发生反应,最终产物为水,这一反应阶段会释放大量的能量。   无氧呼吸和有氧呼吸的反应阶段不同,无氧呼吸的第一个阶段和有氧呼吸的第一阶段完全相同,反应过程中1摩尔的葡萄糖在细胞内酶的作用下分解为2摩尔的丙酮酸,这一过程释放[H]和能量。两种呼吸方式反应阶段的不同之处在于无氧呼吸的第二阶段,丙酮酸可以直接转化为酒精和二氧化碳或者直接转化为乳酸。
  2.呼吸作用的方程式
  3.呼吸作用的特点
  (1)呼吸作用是细胞内的化学反应过程,反应过程中生成多种中间产物,反应复杂,通过多个途径、多个步骤进行反应。
  (2)呼吸作用的正常进行离不开各种酶的作用,在常温常压的条件下进行的氧化还原反应。
  (3)呼吸作用中有机物能量利用率高,因为呼吸作用分为几个阶段逐步进行,能量的释放也是逐步的。
  (4)呼吸作用中有机物不是被氧直接氧化,而是脱氢氧化,脱下的氢再传给氧形成水。
  经过科学家的界定,呼吸作用的特点也可以等同于生物氧化的特点。
  4.呼吸作用的意义
  在中学生物的学习中,呼吸作用的意义主要有:为生物的生命活动提供所需要的能量,帮助机体进行生长代谢;而呼吸作用的中间产物作为合成其他物质的原料;为生物体内新陈代谢的还原过程提供还原力;显著提高植物体的抗性。
  二、呼吸作用应用于中学生物实验
  在高中生物教材中,我们会在探究活动中设置有氧条件和无氧条件,运用对比实验,探究微生物在不同氧气条件下细胞呼吸的方式。我们利用下列装置探究微生物的呼吸作用方式。
  利用以上两套密闭装置,我们分别标号甲、乙,设计实验,并要求学生自主实验并将下表补充完整:
  在28℃恒温的条件下安置甲、乙装置,然后将甲、乙两个装置放在不同的氧气浓度下进行实验(注意:实验过程中要保证微生物的活性,前三组实验所用的微生物种类相同,第四组实验的微生物是乳酸)步骤完成后一个小时后读数。补充下表:
  在进行实验时,我们应该注意:为了使得测定结果更准确,应该设置对照实验应将所测生物灭活,其他处理与实验组相同。
  学生在学习呼吸作用实验时很容易能生成呼吸作用的概念,实验课的目的主要是通过让学生参与实验的设计探究,实际操作实验,才能对所学的内容有直观和正确的理解。自己动手也锻炼了学生的操作能力和思维能力,有利于提高学生的学习兴趣,熟练掌握学习知识的方法,培养全面发展的学生。
  三、呼吸作用在中学教材中的主要内容及应用
  一切生活细胞所共有的生命活动和能量来源都离不开呼吸作用,植物体新陈代谢也少不了呼吸,细胞呼吸对植物的全部生理活动过程都起到至关重要的作用。根据中学课程所学的呼吸作用的内容,我们可以把呼吸作用分成4部分讲解:①呼吸基质降解途径;②呼吸作用方程式;③影响呼吸作用的因素;④呼吸作用和农业生产。下面将对呼吸作用的4个部分进行分析和阐述。
  (1)呼吸基质降解途径。中学生物只是简单的把呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸以及结论。我们都知道在通常情况下,沒有了氧气我们就无法呼吸,所以呼吸作用都是有氧气的参加,但是植物在缺氧的情况下,可以进行无氧呼吸暂时生存在我们教学时可以将其细分为:糖酵解过程、乙醛酸循环过程、戊糖磷酸途径、三羧酸循环过程、光呼吸过程。只有从根本了解了呼吸基质的降解途径,才能讲好呼吸作用的相关知识。在大学课程里,糖酵解过程和三羧酸循环过程在生化课中老师会详细的讲解,戊糖磷酸途径也进行了一般介绍,对于乙醛酸循环和光呼吸过程,一般是不介绍或简要介绍。熟悉了解了这些途径后,我们就可以系统的讲解有氧呼吸的三阶段与无氧呼吸的两阶段。
  (2)呼吸作用方程式。通过科学家进行的大量实验我们可以得出,细胞呼吸可以简单的分为两种类型,即有氧呼吸类型和无氧呼吸两种类型。有氧呼吸和无氧呼吸的化学反应方程式是本知识点的重点,其化学反应方程式为:
  (3)影响呼吸作用的因素。影响植物呼吸作用的的几种重要因素分别为呼吸作用的强度、温度、氧、细胞原生质的充水程度和二氧化碳。环境在多个方面持续影响着呼吸作用的强度,而植物本身的性质和特点也影响着呼吸作用。地球上的植物种类繁多,其中种类不同的植物有着不同的呼吸强度;甚至同一植物或者是同一器官的不同阶段时期,其呼吸强度也随着阶段的改变而变化。温度对呼吸作用的影响十分强烈,过高的温度和过低的温度都会影响植物的呼吸,植物呼吸有3个温度点需要注意:最高点、最低点和最适点,这三点被称为植物呼吸作用的温度三基点,一般教材中会有图表的形式形象的展示。温度可以通过影响呼吸酶的活性来间接的影响呼吸作用。在合适的条件下,在一定的温度范围内,呼吸作用强度会不会随着温度的变化而变化呢?答案是肯定的,温度越高呼吸作用强度越高。氧是呼吸作用过程中参与反应有机物氧化分解的必要条件,没有氧气就没有呼吸作用。在氧气充足的情况下,细胞的无氧呼吸往往会受到抑制。所以在一定的范围内,细胞有氧呼吸的强度会随着氧气浓度升高而升高,有氧呼吸增强就会抑制无氧呼吸。影响呼吸作用的敏感因素还有氧气的浓度变化,当氧的浓度逐渐升高时,细胞的有氧呼吸增高,而无氧呼吸释放的二氧化碳迅速下降;当氧的浓度上升到某个点时,无氧呼吸终止。原生质胶体水分的饱和程度也强烈影响着呼吸作用的强度,对于绝大多数的植物种子,它们的水分饱和程度越高,它们的呼吸强度就越高。还有就是二氧化碳浓度对呼吸作用的影响,增加二氧化碳的浓度可以明显的抑制细胞呼吸。在教学过程中,要以生活中各种鲜活的例子帮助学生理解这个重要知识,让学生熟练掌握影响因素的作用机理。不是灌输式的教学。
  (4)呼吸作用与生活生产。我们在教学中传授生物科学知识,让学生掌握相关的技能认识,主要目的还是要将知识运用到生活生产中。我们医院里消毒过的透气纱布或者是松软透气“创可贴”等医用品可以帮助我们的伤口痊愈,就是因为伤口愈合细胞需要呼吸;在家养的花草长时间不打理,花盆里的土壤板结后,不透气就会导致土壤里缺氧影响植物的根系细胞的呼吸,从而影响植物的生长,需要及时的松土透气;在生产中,我们可以利用各种粮食和微生物等,在控制通气的条件下,让原料发酵生产各种各样的酒;也可以利用淀粉、醋酸杆菌或谷氨酸棒状杆菌等,在控制通气的条件下生产食醋和味精。在我们平时的粮食储藏中,也要降低呼吸速率,确保储粮安全;对于果蔬储藏,我们根据氧对呼吸作用影响的原理,降低氧的浓度,一般是降到无氧呼吸的消失点。在水果和蔬菜的保鲜中,我们也常常通过控制呼吸作用来降低它们的代谢强度。
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  作者简介:
  张骏(1994.07—),四川西昌人,大学本科毕业生,研究方向:中学生物教学。
  《中小企业管理与科技》征稿审查表(编号:17____)
  拟刊期号: 2017 第____期总第____期 送审人及送稿日期:2017.5.26
  审查单位:河北省中小企业服务服务中心、蓝石咨询
  审查人(日期):
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