王岸青

摘 要 以探究實驗ATP的功能為課堂鍥入點，通過多維度的學習活動引導學生進行ATP建模，感悟生命科學中“結構和功能相適應”的觀點，進行理性思維，關注學生生物核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關鍵詞 ATP 實驗探究 建模 理性思維 核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

ATP是生命的直接供能物質(zhì)，下面以探究實驗ATP的功能為引領，有策略地設計多維度的學習活動。學生在掌握ATP的功能、結構、ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化及此過程中能量的來源和去路等知識時，完成核心概念“能量的通貨——ATP”建模之后，同時實現(xiàn)了以ATP為中心的“細胞的能量供應和利用”這一上位核心概念的頂層建構。通過真實的科學探究和建模，促使學生以ATP為例，從分子水平深刻理解“結構和功能相適應”這一生命生物的重要觀點，滲透理性思維的發(fā)展，借此來具體踐行科學核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

1 “細胞的直接供能物”——實驗引領科學探究

實驗探究的最大優(yōu)點在于，學生能在真實的情境中對一個真實的問題，饒有興趣地展開一次真實的探究之旅，避免了因缺乏感性體驗造成的對抽象知識的認知困難（如本文“ATP能為生命直接供能”）。所以，筆者在教學活動中針對性地設置了課前實驗探究環(huán)節(jié)——“細胞的直接供能物”，在每班選一個學生小組（4、5名志愿者）執(zhí)行。實驗探究遵循“基于原有認知和邏輯、巧妙推理、大膽假設、精巧實證”的整體思路。

1.1 實驗課題準備

1.1.1 課題引出

教師設置問題串，引導學生探討：

① 生命活動（如肌肉收縮、大腦思考、螢火蟲發(fā)光等）所需的前提條件是什么？

② 生命活動所需能量哪里來？

③ 細胞中各種化合物中哪一種可能是細胞的直接供能物質(zhì)？

學生由淺入深進行思考、討論：生命活動需要能量，聯(lián)想到提供能量的結構（如線粒體）和物質(zhì)（如糖類、脂肪等），進而排除了直接供能物質(zhì)是淀粉、糖原、纖維素（都不具普遍性）、脂肪（儲能物質(zhì)）的可能性，推測可能是葡萄糖（主要能源物質(zhì)）、蛋白質(zhì)（生命活動的主要承擔者）、三磷酸腺苷（百度得知），并決定用科學實驗進行探究。

1.1.2 實驗方案的探討

學生逐一對問題開展探討：

① 如何驗證某種物質(zhì)是直接供能者？討論后的思路：獲取活細胞，滴加“直接供能物”，觀察細胞狀態(tài)是否即刻改變。

② 活細胞中本來有直接供能物嗎？如果有，需要去掉這個影響因素嗎？討論后的觀點：有，要去掉，同時又排除了蛋白質(zhì)（大分子物質(zhì)無法滴加進入細胞）。

③ 選用什么材料？借助網(wǎng)絡查詢相關文獻，在“螢火蟲尾”和“牛蛙坐骨神經(jīng)——腓腸肌”兩樣本中，根據(jù)討論選定后者（更易獲得）。教師解析：選用“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”樣本，電刺激后出現(xiàn)肌肉收縮現(xiàn)象，重復刺激，會消耗掉原來的直接供能物，收縮減弱甚至消失（步驟中稱“樣本去能”）；外界補充直接供能物后，一定程度會恢復收縮功能。

1.2 實驗：探究“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”的直接供能物質(zhì)

1.2.1 材料

牛蛙“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”樣本、無糖任氏液、葡萄糖溶液、三磷酸腺苷二鈉溶液、電刺激器等。

1.2.2 實驗步驟和結果（表1）

1.2.3 結論

“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”可以以三磷酸腺苷為直接供能物質(zhì)。教師闡述三磷酸腺苷可以為各項生命活動直接提供能量。

2 形式多樣的多維度學習活動——建構ATP模型

構建生物概念離不開觀察、實驗、調(diào)查、比較、分類、歸納、演繹、分析綜合等多種方法。在概念模型建構時，教師要針對其不同維度的構建要素，選取合適的方法展開學習活動，以更有效地實現(xiàn)從感性認識到理性認知的轉(zhuǎn)化。

2.1 ATP功能的實驗課題匯報

2.1.1 互動討論

課題準備部分包括課題引出和實驗方案的思路確定。小組代表用提問方式和全班同學互動探討。

2.1.2 報告

實驗部分學習小組自制PPT進行解說，其中實驗具體的操作、現(xiàn)象用微視頻展示（圖1）。

2.1.3 質(zhì)詢、答辯

此環(huán)節(jié)中，除針對常規(guī)性技術問題的問答，如如何知道選用腓腸肌——坐骨神經(jīng)樣本？無糖任氏液成分作用是什么？如何控制無關變量等更有少數(shù)需進一步探究的精彩問答。

如教師提問：“視頻中，去能后滴加ATP溶液，為何第一次刺激樣本不恢復收縮，第二次刺激才恢復？”

學生回答：“推測ATP進入細胞需要時間，具體留待研究”……

2.2 ATP結構和特點的自主學習

2.2.1 觀察力訓練——ATP的結構

補充ATP結構圖，完成學案關于ATP結構、化學性質(zhì)（如基團組成、腺苷、化學鍵、結構簡式等）的填空。教師用幻燈片展示ATP結構特點（圖2），并敘述：遠離腺苷的高能磷酸鍵易水解（生成ADP）和合成，釋放或吸收能量。

2.2.2 微課學習——ATP中能量的來源、用途

學生通過微課學習，自主理解ATP水解釋放能量，直接用于各項需能生命活動；來自呼吸、光合作用的能量用于ATP合成。

2.2.3 推理訓練——ATP和ADP的轉(zhuǎn)化

依據(jù)資料“細胞中ATP含量少、消耗量大”的矛盾，學生推理假設：酶催化下兩者能相互迅速轉(zhuǎn)化。教師提供資料實證。

2.3 ATP“能量的通貨”的類比理解

通過資料“1 mol葡萄糖氧化分解和1 mol ATP水解分別釋放的能量比較；銀行賬戶有100萬總額，取現(xiàn)金幾千元實際使用”的類比，理解能量通貨的意義。

2.4 ATP模型的“做中學”

以小組為單位，依據(jù)ATP的結構、功能和ADP相互轉(zhuǎn)化及其中能量的來源去路等重要知識點，構建ATP概念模型圖，選出優(yōu)秀作品展示（圖3），其他組與其進行比對，完善忽略的認知盲點。教師引導學生感悟ATP模型中所反映的“結構和功能相適應”的生命觀點。

2.5 ATP模型的鞏固、反饋

教師將模型構成要件轉(zhuǎn)化成填表、判斷等形式加以鞏固，并提出問題：“ATP的合成和水解是化學中的可逆反應嗎？”以此問題反饋學生是否真正理解模型。

3 對科學實驗探究引領下建模的思考

現(xiàn)代建構主義理論認為：真正理解的認知，只能由學習者在特定情境下，基于已有的經(jīng)驗背景，并通過主動積極的學習活動過程而建構起來。而實驗探索引領的科學探究以及模型建構等多種學習方法，在運用的過程中會充分訓練學生的探究能力，提升學生理性思維。

3.1 關于科學實驗的思考

3.1.1 創(chuàng)設情境的真實性

情境的創(chuàng)設多種多樣，重要的一條標準是：設置出學生極易親身替入的真實場景，以激發(fā)其濃厚的學習興趣。前述中涉及的問題探討深入淺出、科學實驗新奇易懂、手機視頻直觀真實，引導課堂中所有學生都投身其中。因此，當實驗小組通過良好互動，在平和輕松、樂觀積極的狀態(tài)下，完成整個課題的匯報時，全班學生都不由自主鼓起掌來。

3.1.2 實驗探究的完整性

經(jīng)過探究，學生對課題研究的全流程有了全面、較深刻的了解：爭論和探討使其明白了課題的問題如何提出、實驗方案如何討論確定，“笑談一只蛙兩條腿”過程使其明白了“對比試驗的巧妙和重要”，在觀察樣本電刺激所產(chǎn)生的收縮現(xiàn)象中使其體會到生命調(diào)節(jié)的精妙，觀察的細致，懂得實驗細節(jié)的重要性。

3.2 關于核心概念ATP的建模的意義

3.2.1 “系統(tǒng)論”的思考體驗

學生小組通過共同學習，逐步建構出ATP模型，對細胞的能量供應和利用有了整體認識，避免了生物知識的瑣碎化。更重要的是，學生體會了運用系統(tǒng)論的思考方法，從多個維度去探究、認識一個事物，更好地認清其本質(zhì)和特征。ATP概念模型由不同維度的內(nèi)含邏輯聯(lián)系的多個子內(nèi)容有機建構。如，既然有了這樣的功能，當然應該從結構上去探究。教師引導學生以生物學為例，體驗到系統(tǒng)論的一些最樸素的基本思想。

3.2.2 新的認知遷移

建構核心概念模型除了幫助學生避免生物學知識理解的瑣碎化、非科學化，更重要的意義在于可以通過遷移更好的去同化新知識。完成以ATP為中心的“細胞能量的供應和利用”核心概念模型的頂層建構后，學生較易自主聯(lián)想，并提出問題去研究，如光合作用中，能量根本來源是光，但光不能直接供能，在什么過程中光能轉(zhuǎn)化成了ATP中的能量？新合成的ATP用途是什么，其中的能量又到了那里？呼吸作用中，有機物中的化學能又是如何轉(zhuǎn)化到ATP中，再為細胞的生命活動直接供能？呼吸作用消耗的有機物和能量根本上來源于光合作用嗎？等。

3.3 反復運用教學策略，強化理性思維培養(yǎng)

教師可將該教學思路和策略運用于多個類似專題，如“細胞膜”“細胞器”“捕獲光能的色素和結構”等。

總之，科學探究作為一種學習方法，應該包含問題的提出、實驗探究方案的確定、方案執(zhí)行、學習資料查找和自主學習等完整環(huán)節(jié)的學習活動。在平時的課堂，雖常用探究、建模等學習方法，但教師常對自認為的某些重要環(huán)節(jié)強化訓練，忽略甚至嚴重缺失次要環(huán)節(jié)（如過于強調(diào)實驗操作細節(jié)，忽略針對實驗方案的探討和深度思考；又如用現(xiàn)成視頻來替代真實的實驗探究），導致學生對探究學習、建模等學習方法的完整流程缺少真實體驗和深刻感悟。生物學教學中，教師應該策略性地設計教學活動，精研高效美妙的課堂結構，通過實驗探究、建模等學習活動發(fā)展學生理性思維，使學生感悟生物學的重要觀點，以實現(xiàn)生物核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 林崇德.21世紀學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016.

[2] 陳彤，沈紹新.不同濃度ATP對牛蛙離體腓腸肌收縮性的影響[J].龍巖學院學報，2008（6）：33-37.

[3] 吳成軍.“構建生物學概念”的重要內(nèi)涵[J].中學生物教學，2015（3）：4-7.