在深度學習過程中培養(yǎng)學生的生物學核心素養(yǎng)例析

孟凡龍 （揚州大學附屬中學東部分校 江蘇揚州 225003）

深度學習（deep learning）概念最早是由美國學者Ference Marton 和Roger Saljo 在1976年相對于孤立記憶和非批判性接受知識的淺層學習（surfa－ce learning）概念而提出的。之后，深度學習在人工智能領域研究較多。隨著社會的發(fā)展，深度學習概念逐漸引用到教育領域，2005年上海師范大學黎加厚教授對深度學習進行了界定： 在理解學習的基礎上，學習者能批判性地學習新的思想和事實，并將它們融入原有的認知結構中，能在眾多思想間進行聯(lián)系，并能將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學習。

深度學習是在教師引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。在此過程中，學生掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質及思想方法，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀，成為既具獨立性、批判性、創(chuàng)造性，又有合作精神、基礎扎實的優(yōu)秀的學習者，成為未來社會歷史實踐的主人［1］。在促進學生深度學習的過程中有一些重要特征，本文以“生命活動的能量‘通貨’——ATP”為例，闡述在深度學習ATP 的過程中如何培養(yǎng)學生的生物學核心素養(yǎng)。

1 在聯(lián)想與結構中體會科學探究

“聯(lián)想與結構”是促進深度學習的基本特征，需要通過調動學生以往的經驗參與當下的學習，并將當下學習內容與已有經驗建立結構性的關聯(lián)，從而使知識轉化為與學生個體有關聯(lián)的、能操作和思考的內容。“聯(lián)想與結構”需要并發(fā)展學生的記憶、理解、關聯(lián)能力，以及系統(tǒng)化的思維與結構能力。

在學習ATP 內容之前，學生已具備了有關能量的基本概念：葡萄糖是生物體維持生命活動的主要能源，能通過氧化分解為生命活動提供能量；脂肪是生物細胞中的主要儲能物質，儲存著細胞中大部分能量；光能可以通過植物細胞中的葉綠體進行光合作用進入生物體內而加以利用。由此引導學生聯(lián)想ATP 是一種什么樣的能源？ 它是如何為細胞提供能量的？教師按小組分別發(fā)放“三磷酸腺苷二鈉注射液”和“三磷酸腺苷二鈉片”實物，請學生思考如何設計實驗研究ATP 的功能。

教師呈現(xiàn)實驗材料： 螢火蟲20 只、小刀、研缽、試管、水、三磷酸腺苷二鈉注射液、葡萄糖、脂肪。請學生根據(jù)實驗材料設計實驗。教師引導學生在對照原則、單一變量原則的基礎上設計實驗組和對照組，并預測實驗結果。可是實驗結果中卻出現(xiàn)了都發(fā)光現(xiàn)象，與預測不符，學生分析其原因可能是發(fā)光器中還有能源物質，需要對發(fā)光器進行實驗前處理。如何處理才能消耗發(fā)光器原有的能源物質？ 教師引導學生將發(fā)光器取出干燥后研磨成粉末，分裝后再加少量水混合，大約15 min 后淡黃色熒光消失，這樣才能繼續(xù)實驗。實驗結果發(fā)現(xiàn)，只有加入ATP 的試管中又發(fā)出了熒光，進而推論得出只有ATP 是直接驅動細胞生命活動的能源物質。

既然ATP 具有驅動細胞生命活動的直接能源物質這一功能，從結構與功能相統(tǒng)一的觀點分析：生命系統(tǒng)都是結構有序的系統(tǒng)，必然有相應的ATP 結構與功能相適應，ATP 具有怎樣的結構能直接為細胞生命活動供能？

2 在活動與體驗中培養(yǎng)科學思維

“活動與體驗”是深度學習的核心特征，需要學生作為活動主體，主動全身心投入?yún)⑴c探索、發(fā)現(xiàn)，經歷知識形成的過程，是學生深度學習的機制。學生通過“活動與體驗”，在以全部的思想和精神感受、體驗和模擬豐富復雜的痛苦或欣喜感覺經歷的過程中發(fā)展了科學思維。

教師呈現(xiàn)ATP 的化學結構式（標注“腺嘌呤”“核糖”“磷酸基團”），學生很容易與已學的DNA、RNA 的基本單位發(fā)生認知沖突。教師為每個小組提供一個信封，內含剪紙模型：腺嘌呤3 個、核糖2 個、脫氧核糖1 個、磷酸5 個，請學生分別制作DNA的基本單位、RNA 的基本單位、ATP 的結構等3 個模型，用筆畫出各部分連接的化學鍵，并請3 位學生在黑板上利用制作好的軟磁鐵分別構建這3 個模型。

很多學生能成功構建DNA 和RNA 基本單位的模型，但在繪制ATP 結構模型的高能磷酸鍵時出現(xiàn)了問題，教師及時利用生成的“錯誤”資源，引導學生根據(jù)ATP 的功能可反推其結構中應儲存比普通化學鍵更多的能量，并提供具體數(shù)據(jù)，形成 感性認 識［2］。

師生一起比較這3 個模型，分別說出任意2個模型之間的區(qū)別。教師結合ATP 的結構模型引導學生構建ATP 的結構簡式，并提醒學生注意ATP 結構簡式中的A 與ATP 的結構模型中的A在寫法上的區(qū)別，并給ATP 命名，同時設計題目區(qū)分幾個“A”：DNA 一條鏈中的A、RNA 單鏈中的A、DNA 基本單位、RNA 的基本單位、ATP 的結構簡式，通過比較明確概念的本質。

教師適當拓展遷移：ATP 結構中的堿基A 能否換成其他的堿基，如GTP、CTP、TTP、UTP？在細胞的能量傳遞中ATP 作為主要的能量載體，其他核苷三磷酸也會在不同的反應中參與能量的傳遞。

3 在本質與遷移中領悟生命觀念

“本質與遷移”是深度學習的屬性特征，要求學生能抓住教學內容的本質屬性，全面把握知識的內在聯(lián)系，通過正例、特例、反例等提升學生對學習對象進行深度加工的意識與能力，同時在對教學內容內化的基礎上，通過遷移應用加強對學習結果的外化，嘗試在教學活動中進行未來的社會實踐。

教師呈現(xiàn)資料1：人體處于安靜狀態(tài)時，肌肉內ATP 含量只能供肌肉收縮1～2 s 所需的能量，24 h 內竟有40 kg 的ATP 被水解。若在劇烈運動狀態(tài)下，每1 min 竟約有0.5 kg 的ATP 分解釋放能量，供運動所需。教師引導學生通過計算分析，可知細胞中的ATP 含量很少，但轉化很迅速。

從物質與能量觀分析： 生命活動中物質的運輸和變化往往與能量供應、流轉相伴隨，ATP 在提供能量的過程中發(fā)生了怎樣的物質變化？

教師結合ATP 的結構引導學生分析ATP 很活潑、不穩(wěn)定的原因：ATP 中磷酸基團之間相鄰的負電荷之間相互排斥；ATP 水解后的產物比ATP具有更大的共振穩(wěn)定性；熱力學上的驅動力促使ATP水解。

教師請學生根據(jù)對ATP 結構的理解，利用ATP 的結構模型演示ATP 的水解過程，基本上所有學生都能正確斷裂ATP 中遠離A 的高能磷酸鍵，教師引導學生對產物命名，并寫出完整的水解反應式，釋放的能量有哪些用途？請學生舉例說明，并引導學生進一步理解ADP 中的高能磷酸鍵還可以水解，且水解后的產物是RNA 的基本單位之一。

從穩(wěn)態(tài)與平衡觀分析：生命系統(tǒng)是開放的，內部也時刻在發(fā)生物質變化和能量轉換，但多數(shù)時候又維持相對的穩(wěn)定狀態(tài)，ATP 在發(fā)生物質變化的過程中是如何維持其在細胞中的相對穩(wěn)定的？

教師呈現(xiàn)資料2：科學家將標記的磷酸（32P）注入到活細胞內，隨后迅速分離細胞內的ATP，測定其放射性。實驗表明，雖然ATP 的含量并沒有發(fā)生變化，但它的末端磷酸基團已被放射性32P 所標記，且ATP 的放射性強度和之前的無機磷酸的放射性強度完全一致。

由于生物體細胞中的ATP 含量很少，學生很容易推測得出ATP 在水解的同時就要不斷地進行合成，教師設計問題①：ATP 是如何進行合成的？請學生利用ATP 的結構模型演示ATP 的合成過程。有少部分學生將ATP 水解時釋放的能量剪紙拿過來直接合成新的ATP，教師及時利用這個生成資源引導學生分析其原因，深層次理解能量的存在狀態(tài)。

問題②：ATP 合成所需的能量來源在哪里？學生根據(jù)已有的知識經驗很容易聯(lián)想到葡萄糖、脂肪，教師及時引導學生理解葡萄糖和脂肪可以通過動物的細胞呼吸方式將其氧化分解，產生的能量用于合成ATP，同時通過類比方式區(qū)分葡萄糖、脂肪和ATP 對能量的貢獻。

問題③：植物細胞中ATP 合成所需的能量來源有哪些？ 學生很容易聯(lián)想到光合作用可以將光能轉化成ATP 中的化學能。教師提醒學生植物體內也有細胞呼吸。

問題④：ATP 的水解和ATP 的合成是可逆反應嗎？請學生總結歸納其原因。教師引導學生，ATP的水解與合成使得其在體內不會因大量儲存而導致浪費，從而深入理解生物體的節(jié)約高效機制。

4 在價值與評價中提升社會責任

“價值與評價”是深度學習的目標特征，是要幫助學生自覺思考所學知識的地位與價值、優(yōu)勢與不足、用途與局限，并促使學生主動對所學知識及學習過程進行質疑、批判與評價，進而養(yǎng)成自覺理性的精神與正確的價值觀，形成學生自主發(fā)展的核心素養(yǎng)。

教師請一位學生模擬“醫(yī)生”角色，向不同職業(yè)的人群介紹ATP 的基本內容及其在醫(yī)學上的應用，不同職業(yè)的人也可以向“醫(yī)生”提出自己對ATP的一些疑問。通過模擬體驗激發(fā)了學生的學習興趣，滲透著熱愛自然和生命的情感教育，學生對ATP 的理解更加科學理性，并提升了社會責任感。

在深度學習過程中，教師要自覺賦予自己更豐富的職責，將教學內容轉化成教學材料，通過設計螢火蟲的探究實驗、ATP 的結構模型構建、有關科學資料分析、角色扮演等方式，帶領學生主動參與體驗ATP 的發(fā)現(xiàn)發(fā)展歷程，引導學生思考和體會教學材料所蘊含的復雜而豐富的思想和情感內容，在聯(lián)想、活動、本質、遷移、評價中不斷提升學生的核心素養(yǎng)，促使學生成長為有思想、有能力、有高級的社會性情感、有積極的態(tài)度和正確價值觀的未來社會的主人［3］。