例談ATDE模式在生物學實驗教學中的運用

劉滿希++顧明輝

摘 要 簡要介紹ATDE教學模式的要點， 以“酶的作用”一節課為例，探討了ATDE教學模式在中學生物實驗教學中的應用策略，最后針對問、想、做、評各環節尚存的有關問題，提出了建議性的解決策略。

關鍵詞 ATDE模式 實驗教學 創新思維

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

目前中學生物學實驗教學普遍采用“照方抓藥”注入式教學模式，學生按教材中實驗步驟被動操作，技能訓練與思維能力培養分離現象嚴重，片面強調“三基”目標，忽視生物科學素養的培養，為了改變這一現狀，筆者申請了《高中生物實驗教學ATDE模式研究》課題（江蘇省教育科學“十二五”規劃課題），嘗試采用ATDE模式進行生物學實驗教學。下面以“酶的作用”這節課為例，探討ATDE教學模式在中學生物實驗教學中的應用策略。之所以選“酶的作用”這節課，是因為江蘇省高中生物評優課選了這節課，而筆者作為評委認真觀摩了13位選手的公開課。

1 ATDE教學模式

ATDE教學模式是由問（Asking）、想（Thinking）、 做（Doing）、評（Evaluation）四要素構成，即教師通過有機整合具有系統性與關聯性的課程內容，采用啟發式、探究式教學方式，循序漸進地推進教學活動，強調在學生原有的知識和經驗基礎上，通過“問”、“想”、“做”、“評”四步訓練，以最大限度激發學生的想象力、敏銳力、流暢力、變通力、獨創力，培養學生的創造性思維能力。ATDE教學模式如圖1所示。

該模式可以解釋為：① 問：創設情境、啟發引導、精心設問。學生只有對學習活動持探究和質疑的態度，才會使自己的思維活動處于積極、活躍的狀態，思維也才能具有創造性。② 想：通過聯想訓練，培養創造性思維能力，以尋求創意。聯想雖然并不能直接產生有創新價值的新形象，但它卻為能夠產生新形象的想象思維活動提供一定的基礎，通過自由想象可設計各種解決問題的方案。③ 做：通過實際操作訓練，讓學生在學中做，做中學，做中議，議中醒，從實驗活動尋求解決問題的方法，培養創造性思維能力。④ 評：通過師生共同制定評價標準，選取最適當的答案，共同評價，完善思維與實踐活動。

為什么要設計這樣四個環節呢，那是因為在課堂教學中教師講得太多，而在實驗課上則相反，教師引導太少，讓學生按實驗指導上的實驗操作步驟一步步做，然后布置作業就下課。在實驗課上，教師不能放任學生按實驗指導步驟操作，而自己無所事事。教師備課，最需要考慮學生學習這個實驗最大的難點是什么，學生做這個實驗最容易患的錯誤是什么，然后按照這個邏輯去設置教學情景、實驗中提什么問題、什么時候提、什么時候做、做了要解決什么問題，如何評價，從而就有了用ATDE教學模式來指導實驗教學。這時教師并不是學科知識的化身，也不是學科知識的傳聲筒；而是學生知識學習困惑的疏導者，學生知識應用難題的幫助者。

2 “酶的作用”一節教材分析

“酶的作用和本質”是高中生物必修一第五章第一節“降低化學反應活化能的酶”第一部分內容。在必修一第二章第二節“生命活動的主要承擔著——蛋白質”這一節關于蛋白質的功能中提到：“細胞內的化學反應離不開酶的催化作用，絕大多數酶是蛋白質”，這為過渡到本節內容的學習做了很好的鋪墊。細胞中每時每刻都進行著許多化學反應，統稱為細胞代謝，它離不開酶的催化。“酶的作用”是第一課時的內容，將是理解呼吸作用、光合作用等知識的基礎。本節從細胞代謝的概念入手，通過分析“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的實驗，讓學生進行控制變量的科學方法的學習，學習控制變量法，不僅有方法論意義，而且在科學研究中有著廣泛的應用價值，最后分析酶在細胞代謝中發揮催化作用的機理。

3 運用“ATDE教學模式”進行“酶的作用”一節課教學

（1） 問：在導入新課、新授課、課堂復習等階段，都需要創設情境、啟發引導、精心設問。

教材以斯帕蘭札尼的實驗導入新課，然后提出三個問題。這是一個非常巧妙的實驗設計，如果在使用這套新教材前，能有教師用這個實驗導入新課，這一定是設計上的大亮點。但在省評優課中，13位選手都沒有采用這個實驗導入新課，可能是因為這個實驗對學生來說是新穎的，但對評委來說沒有新鮮感，因此從想要獲獎的角度來備課，教師們想了新的導入方式，但共同點是大都通過實驗提出問題。

導入新課的設問既要與學生的生活或經驗相聯系，又要與后面的新課學習相關聯。如教材中的導入設置的情景是：將肉塊放入小巧的金屬籠內，然后讓鷹把小籠子吞下去；過一段時間后，把小籠子取出來，發現籠內的肉塊消失了。這個實驗現象與學生原有的知識與生活經驗是緊密相聯的，那就是學生知道鷹的胃能消化食物，從而提出第一個問題：這個實驗要解決什么問題？（要解決的問題是，鷹的胃是否只具有物理性消化，沒有化學性消化功能）接下來第2個問題：就與要新學習的內容——酶相關，請學生推測，是什么物質使肉塊消失了？（是胃內的化學物質消化酶將肉塊分解了）第3個問題：怎樣才能證明你的推測？（要求學生有基本的邏輯推理能力與實驗設計能力，如果第2個推測正確，那取一點胃內的物質即胃內的消化液，在體外也應該能將肉塊分解掉。）由此可以看到，導入新課設置的情景要與學生的生活相關聯，以學生的知識經驗為基礎，設置的問題要與新授課內容相關聯，要能促進學生積極思維。

省評優課上選手們是怎樣導入新課的。南通高紅梅老師是這樣導入的：播放用雙氧水清洗傷口的視頻，教師問“用雙氧水清洗傷口的時候看到什么現象？”學生回答“看到傷口上冒泡沫”。教師追問：“是什么原因冒泡沫？”學生回答可能是傷口細胞被破壞后釋放的化學物質或傷口上的微生物使過氧化氫分解產生氣體從而產生泡沫。那究竟是傷口處的細胞，還是微生物引起的呢？傷口與周圍正常皮膚在同樣的環境中，上面的微生物基本相同，在周圍正常的皮膚上滴加同樣的過氧化氫，如果正常皮膚上沒有泡沫出現，只有傷口上出現泡沫，說明是傷口的細胞釋放了促進過氧化氫分解的化學物質，過氧化氫分解產生氣體，從而出現泡沫。教師指出過氧化氫是一種強氧化劑，適用于傷口消毒和食品消毒。也就是說過氧化氫能殺死微生物，對微生物是有害的，實際上過氧化氫對于人體正常的細胞也是有害的，然而，代謝過程中細胞又確實會產生過氧化氫這樣的有害物質，那細胞如何解除它的毒性呢？這要靠細胞內的化學物質——酶，把過氧化氫分解，由于這種酶能分解過氧化氫，就被稱為過氧化氫酶。生物體內不同的化學反應需要不同的酶來催化。只要人們還活著，酶催化的化學反應就不停地進行著，如在核糖體內進行的縮合反應需要酶的催化，細胞呼吸、光合作用也是由一系列酶催化的復雜的化學反應組成的，酶催化的化學反應有許許多多，每時每刻都在進行，把細胞中每時每刻都進行著的許多化學反應，統稱細胞代謝。細胞代謝是細胞生命活動的基礎。這樣就導入了新課。endprint

這種導入方法，教學的起點定得比較準確，學生容易接受。教師要教給學生學科知識，但如果一開始上課就講學科知識，學生會認為你是一個學究，而不是一位老師，因為你的眼里只有學科知識，而豐富多彩的日常生活卻被你拒之眼外。因此，課堂教學的起點一定要與學生的生產生活實踐、學生的感受緊密相連，如果教師對學生的生活感受置之不理，他也會同樣對課堂教學置若罔聞；課堂教學一定是從課外知識到課內知識，而不是從課內知識到課內知識，如果你講的課內知識在課外找不到證據，或者找不到相關的事實，后面的課內知識也會在學生的大腦中成為無根之木。不僅在導入新課時需要設問，在新授課中也需要創設情景，精心設問，并且與“想”、“做”結合在一起。

（2） 想與做：“想”是ATDE教學模式中的第二個環節，教師提出問題后，鼓勵學生自由聯想、發散思維、廣泛進行類比和聯系，并給予學生思維的時間， 以尋求解決問題的方法。如果是針對具體的實驗， 教師則要引導學生根據實驗目的和實驗原理，結合相關知識，進行類比和聯想，選取合適的材料，設計出合理的實驗步驟，并預測實驗結果。“做”是ATDE教學模式中的第三個環節，那就是學生根據第二步想所做出的實驗設計，利用教師提供儀器設備、試劑材料，邊做邊想，在做的過程中學習，最后根據實驗結果，驗證或否定原來的假設。新授課正是在問、想、做的過程中不斷地推進，學生的認識則得到不斷地深化。

仍以“酶的作用”一節課為例，教材上設計了比較過氧化氫在不同條件下的分解速率的一組實驗，具體內容是：取四支試管，都加入2 mL3%的過氧化氫溶液，3號與4號試管置于常溫下，3號加入2滴FeCl3也就是無機催化劑，4號加入2滴肝臟研磨液（即加入生物催化劑酶），1號和2號都加入2滴清水，但1號放置在常溫下，2號放置在高溫90℃條件下。教師通過這一組實驗讓學生學習分析自變量、因變量、無關變量以及如何控制變量。在省評優課中，筆者發現大多數老師就引導學生按照這個表格的思路來引導學生討論并設計實驗，相比之下，不如把一個大實驗分解成3個小實驗那樣思路清晰。

第一個小實驗：設計實驗證明過氧化氫酶對過氧化氫有分解作用。

問：書上說，酶是生物催化劑，能催化生化反應的進行。酶真的能催化生化反應嗎？請你以過氧化氫酶為例，利用實驗桌上的儀器與試劑，設計實驗證明過氧化氫酶對過氧化氫有分解作用。

想：過氧化氫溶液中不加過氧化氫酶就不分解，加了過氧化氫酶就分解了，這樣就能證明過氧化氫酶對過氧化氫有分解作用。

問：你如何知道過氧化氫分解了？

想：有兩種方法，一是看是否冒氣泡，二是通過帶火星的衛生香是否變得更加明亮或是否燃燒來檢測是否有氧氣釋放。

做：學生進行實驗操作，過程很簡單，現象也很明顯。

設計這樣一個簡單的驗證實驗是要引導學生學習控制變量的相關內容：自變量、因變量、無關變量。所謂變量就是實驗中可以變化的因素。教師引導學生分析這個實驗中有哪些變量，接著指出：人為改變的變量叫做自變量。這個實驗中，自變量就是加沒加過氧化氫酶，或滴加的試劑含不含有過氧化氫酶。而隨著自變量的變化而變化的變量叫因變量，這個實驗中因變量就是過氧化氫有沒有分解，觀察的指標是有沒有氣泡，或用帶火星的衛生香能否燃燒。實驗過程中除自變量外，可能還存在的對實驗結果造成影響的變量稱無關變量。這個實驗中過氧化氫的濃度、過氧化氫的量都可能對最終氧氣的釋放量有影響，都是無關變量。

教師問：如何排除無關變量對實驗的影響呢？那就要做對照試驗，除了自變量外，其余因素都保持不變，所進行的一組實驗。如，加過氧化氫酶的2號試管是實驗組，不加過氧化氫酶的1號試管就是對照組，對照組中除了沒有酶，其他所有無關變量都保持不變，如底物的濃度、底物的數量、反應的溫度等，都相同。有了這一個簡單的實驗設計作鋪墊，學生就比較容易理解了自變量、因變量、無關變量以及如何設計對照實驗。

第二個小實驗：設計實驗比較無機催化劑與酶的催化效率。

問：初中化學學過，H2O2能被FeCl3這樣的無機催化劑催化分解，根據下列材料用具設計實驗，比較過氧化氫酶與無機催化劑（FeCl3）催化效率的高低。材料用具：新鮮的質量分數為20%的肝臟研磨液、新配制的體積分數為3%的過氧化氫溶液、3.5%FeCl3溶液、刻度試管、吸管、衛生香等。

想：在相同體積相同濃度都是2 mL的3%的過氧化氫溶液中，一個滴加2滴FeCl3，一個滴加2滴肝臟研磨液，看哪個釋放的氧氣多。

教師引導學生進一步理解自變量、因變量、無關變量和對照實驗，并讓學生對這樣的實驗設計進行評價：“實驗方案是否已經非常完善”。這涉及到ATDE第四個環節——“評”，下面再分析。

第三個小實驗：設計實驗，探究高溫對過氧化氫分解有什么影響。

有一位教師是這樣過渡到第三個實驗設計上的。他說：同學們請看，這是裝過氧化氫的瓶子，看一下標簽上的說明，保存過氧化氫的環境溫度有什么要求？教師出示過氧化氫的瓶子，請學生看標簽上的保存注意事項：保存溫度不要超過20℃。教師提出：根據保存注意事項，推測提高溫度對過氧化氫的分解有影響，下面請同學們設計實驗，探究高溫對過氧化氫分解有什么影響？材料用具有：3%過氧化氫、熱水、大燒杯、試管等。取兩支試管，各加入2 mL3%的過氧化氫溶液，1號試管放在常溫下，2號試管放在90℃的水浴中加熱。實驗的自變量是反應的溫度不同，因變量是過氧化氫的分解情況，觀察指標是產生的氣泡量。然后學生做實驗。實驗結果是：常溫下產生氣泡不明顯或者說基本上不產生氣泡；90℃高溫下，有少量氣泡。實驗說明加熱能促進過氧化氫的分解。

為什么加熱能促進化學反應呢？這就過渡到了對機理的理解上。一個化學反應體系中，反應物分子的平均能量水平較低，為常態，反應物中有一部分分子具有了比常態更高的能量，到了能發生化學反應的狀態，稱為活躍狀態。活躍狀態與常態之間的能量差值稱為活化能，處于活躍狀態的反應物能發生反應。加熱的作用是使一部分反應物分子能量提高，達到了活躍狀態，從而發生了反應。這是加熱促進化學反應的機理。接下來教師播放動畫：常態時，反應體系中達到活躍狀態的分子數極少；加熱時，提高了反應物的能量，一部分分子達到活躍狀態，但總體上數量不多（所以過氧化氫有少量分解，有少量氣泡產生）。而加催化劑，不管是無機催化劑還是酶，都沒有提高反應物分子的能量，為什么能催化反應的進行呢？那是因為催化劑能夠降低反應的活化能。endprint

教師播放動畫：在使用無機催化劑時，降低活化能后，反應體系中原來能量較高的分子，如果達到活躍狀態，就能反應；而酶催化生化反應時，能顯著降低反應的活動能。反應體系中能達到活躍狀態的分子就更多了，所以它的催化效率更高。

教師強調，催化劑的一個作用特點是：催化劑能加快化學反應的速率，縮短達到平衡的時間，但不改變平衡點。同時提出一個問題：在下面的坐標系中繪出加入無機催化劑和酶后，反應速率的變化曲線（注：已畫出未加酶的曲線，要求學生繪出加入無機催化劑和加入酶后的變化曲線，見圖2）。學生思考，小組討論、交流，然后畫出圖（也是“做”的過程），師生共評，可見問、想、做、評四個環節在整節課不斷地進行。

為什么把原來一個大的復雜實驗分成3個？為什么把加熱對過氧化氫分解影響的實驗放在最后講呢？因為通過設計實驗證明過氧化氫酶對過氧化氫有分解作用，讓學生理解自變量、因變量、無關變量的概念，了解如何設計對照實驗；通過設計實驗比較無機催化劑與酶的催化效率，進一步強化對于自變量、因變量、無關變量以及對控制變量的認識。而把加熱對反應的影響放在最后講，是想通過常溫與高溫這一組對照實驗，過渡到酶作用機理這一難點內容的學習上。

（3） 評：評是ATDE教學模式中的第四個環節，師生共同分析實驗結果，評鑒、修正、完善實驗方案， 并分析出最合理的實驗設計方案，如果可能按這個方案再做一次實驗。如，在上面的比較酶與無機催化劑的催化效率實驗中，實驗方案還可以再優化，起碼可以想到增加空白對照實驗。此外“評”也應包括教師對學生課堂表現的綜合評價，在此過程中，教師應避免將自己的目光局限在“學生能否獲得與預期一致的結果”這一硬性指標上，而應該以“學生能否運用已有知識圓滿地解釋實驗中的意外現象、能否提出科學的、創造性的方案去驗證自身設想的正確性”作為評判的重要標準，力爭從多個視角、不同的層面去審視每一位學生，敏銳地發現學生思維的閃光點、努力地挖掘學生的創新潛力，充分體現學生的個性。

4 四點反思

（1） “問”要圍繞教學目標形式多樣。導入時“問”的起點不必過高，如這節課中雙氧水處理傷口時為什么出現泡沫。新授課時，“問”要圍繞目標層層推進，最好有內在邏輯關系，如這節課中的三個實驗設計以及畫出無機催化劑與酶的作用機理曲線圖。另外，教師還要注意問的時候要變換角度，形式多樣，本課中針對三個實驗設計的設問就顯得有些單一，雖然有利于找到解決問題的途徑，但也可能造成思維模式僵化，不利于創新思維。

（2） “想”要體現問題的實質。如有的教師用圖3所示的動畫來解釋催化劑作用機理，目的是促進學生去“想”，幫助學生去理解，設計思想很好，但有兩點需要修改：① 達到活化狀態的分子要體現出發生了反應，即在左面是一個球，到了右面建議變成兩個小球，以示發生了反應；② 要體現分子數量，如圖中（1）常溫下，一個球示意反應底物，能量低，不能發生反應，這種表達方式容易讓學生誤解為所有分子都不能發生反應，而實際上是絕大多數反應底物能量低，不能發生反應，但也有極少數的底物的能量相對比較高，能發生反應，所以不能只畫一個球；同樣（2）中能到達右側球的數量增加，（3）中到達右側的球更多，（4）中到達右側的球比（3）還要多，比例上顯著增加（但也不是100%），動畫中都只畫了一個球需要修改。

（3） “做”要盡可能做出新意。如因變量的檢測，即氧氣的釋放，教材上要求定性檢測，能否定量檢測？無錫楊旭老師帶領學生設計了如圖4所示的收集氧氣的裝置，可以定量測量出氧氣的體積；還引導學生利用氧傳感器，與計算機相連，現場定量測定，如圖5所示，這些都有一些新意。

（4） “評”要體現教師的專業素養。如，比較酶與無機催化劑的催化效率，實驗設計方案是，1、2兩支試管各加入2 mL3%的過氧化氫溶液，1號試管加入2滴FeCl3這樣的無機催化劑，2號加入2滴肝臟研磨液，也就是加入生物催化劑——酶。教師在點評的時候說體現了等量原則。這里要注意的是，真正要等量是指Fe3+的數量與酶的分子數量相等，現在雖然催化劑都是兩滴，表面上數量是相等了，但Fe3+的數量是酶分子數量的近25萬倍，實際上并不等，在不等的前提下，而且是在無機催化劑要多得多的前提下，它催化釋放的氧氣量仍然比酶催化釋放的氧氣量要少得多。教師在評的時候，不能誤導學生。

參考文獻：

[1] 陳龍安.創造性思維與教學[M].北京：中國輕工業出版社，2000.79.

[2] 梁嘉聲.淺議ATDE創造性思維教學模式在高中生物學教學中的應用[J].生物學通報，2013，48（2）：42-44.endprint