聚焦科學(xué)思維的“細(xì)胞的能量‘通貨’
——ATP”的學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)

林美溪

（福建省同安第一中學(xué) 福建廈門 361100）

發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是高中生物學(xué)的課程目標(biāo)之一。科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。科學(xué)思維的重要特征是證據(jù)與邏輯。邏輯是通過概念、判斷、推理、論證來理解和區(qū)分客觀世界的思維過程。高中生物學(xué)的邏輯思維方法包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等。

人教版生物學(xué)教科書中《必修1·分子與細(xì)胞》中“細(xì)胞的能量‘通貨’─ATP”一節(jié)是學(xué)生學(xué)習(xí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)代謝與能量代謝的承前啟后的基礎(chǔ)性內(nèi)容。通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解ATP的功能，理解細(xì)胞代謝中物質(zhì)代謝和能量代謝的依存關(guān)系，形成正確的物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀，以達(dá)成相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，并發(fā)展分析、綜合、判斷、推理等思維能力。下面以“細(xì)胞的能量‘通貨’─ATP”教學(xué)為例，嘗試探討在課堂教學(xué)中如何通過“學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)”發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

1 設(shè)計(jì)“探究實(shí)驗(yàn)”，升級(jí)“導(dǎo)入性學(xué)習(xí)活動(dòng)”，強(qiáng)化科學(xué)思維的培養(yǎng)

1.1 學(xué)生活動(dòng)的定義及其形式

學(xué)生活動(dòng)也稱為學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)，是指學(xué)生以及與之相關(guān)的學(xué)習(xí)群體為了達(dá)成一定的學(xué)習(xí)目標(biāo)而進(jìn)行一系列操作總和。在課堂教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生活動(dòng)在形式上，可以是問題探討、資料分析、思考與討論、探究、資料收集與分析、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、模型建構(gòu)等，可以側(cè)重思維能力培養(yǎng)，也可以側(cè)重實(shí)踐技能訓(xùn)練。

1.2 改變“導(dǎo)入性學(xué)習(xí)活動(dòng)”的形式，拓展思維的深度和廣度

在“細(xì)胞的能量‘通貨’─ATP”一節(jié)中，作為導(dǎo)課環(huán)節(jié)的“問題探討”以螢火蟲發(fā)光為素材，設(shè)計(jì)了3個(gè)問題用于討論。學(xué)生通過討論，得出:螢火蟲發(fā)光發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，代謝反應(yīng)需要能量，細(xì)胞的直接能源物質(zhì)是ATP。“問題探討”也是“學(xué)生活動(dòng)”的一種形式，可歸為“導(dǎo)入性學(xué)生活動(dòng)”的范疇，一般用于導(dǎo)入新課環(huán)節(jié)，具有激發(fā)興趣、串聯(lián)知識(shí)、承上啟下的作用，其中也蘊(yùn)含一定的邏輯思維訓(xùn)練，但往往停留在基本的分析、判斷上，學(xué)生的體驗(yàn)和深度思維不夠。

結(jié)合本節(jié)教材“ATP的利用”中的一段關(guān)于螢火蟲發(fā)光機(jī)理的閱讀材料，設(shè)計(jì)“探究實(shí)驗(yàn)”，與“問題探討”糅合并前置，可在形式和內(nèi)容上升級(jí)“導(dǎo)入性學(xué)習(xí)活動(dòng)”，使導(dǎo)入環(huán)節(jié)直接對(duì)接到教學(xué)的主要內(nèi)容，在思維能力的訓(xùn)練上進(jìn)階到分析與綜合、推理和判斷層次，從而達(dá)到深度學(xué)習(xí)的要求。

1.3 設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，基于學(xué)生的體驗(yàn)，培養(yǎng)分析與綜合、推理和判斷等思維能力

生物學(xué)是注重邏輯、實(shí)證和科學(xué)思維的自然科學(xué)。教師設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生在認(rèn)知過程中發(fā)展相應(yīng)的分析、綜合和推理等思維能力。針對(duì)“ATP的功能”環(huán)節(jié)，可設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容如下:

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄科咸烟恰TP能否為螢火蟲發(fā)光器粉末發(fā)出熒光直接提供能量。

實(shí)驗(yàn)材料：干燥的螢火蟲發(fā)光器粉末、適宜濃度的葡萄糖溶液、一定濃度的ATP溶液、暗箱、其他相關(guān)器材如試管等。

要求：請(qǐng)寫出實(shí)驗(yàn)方案，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為引導(dǎo)學(xué)生深入的思維過程，教師設(shè)計(jì)以下問題:

①探究實(shí)驗(yàn)可采用什么實(shí)驗(yàn)方法？

②實(shí)驗(yàn)的自變量、無關(guān)變量和因變量分別是什么？

③提供的實(shí)驗(yàn)材料是干燥的螢火蟲發(fā)光器的粉末，而不是活的發(fā)光細(xì)胞，用此材料實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒幔堪迪涞淖饔檬鞘裁矗?/p>

④若不能直接供能，則葡萄糖必須經(jīng)過什么過程其能量才能被細(xì)胞生命活動(dòng)所利用？

其中問題①屬于敘述性問題，問題②～④屬于探究性問題。探究性問題要解決為什么、怎么辦的問題。學(xué)生解決探究性問題時(shí)必須透過現(xiàn)象抓本質(zhì)，要經(jīng)過分析、歸納和概括等思維過程。問題③將引導(dǎo)學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)代謝的實(shí)質(zhì) 即物質(zhì)的變化和能量的變化:細(xì)胞是代謝一種高效的組織形式，在具備相應(yīng)物質(zhì)和能量條件的情況下，代謝反應(yīng)可在細(xì)胞外進(jìn)行。此類問題有利于幫助學(xué)生深刻理解生命的本質(zhì)、形成生命觀念。

探究實(shí)驗(yàn)是科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)。科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中的科學(xué)思維可包括方面:

①通過定性實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)等，揭示科學(xué)研究對(duì)象的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能；

②通過原因分析、回溯推理，揭示事物間的因果聯(lián)系；

③運(yùn)用多種思維工具，揭示事物變化發(fā)展的規(guī)律性。

1.4 設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的理論依據(jù)及其意義

探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以幫助學(xué)生獲得直接的體驗(yàn)、形成深刻的認(rèn)知。在本質(zhì)上探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)嚴(yán)格遵循了辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論，即認(rèn)識(shí)是一個(gè)“實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”的過程，包含感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)兩種形式，兩種形式相互依存、相互滲透。

從實(shí)驗(yàn)、探究、討論和觀察等活動(dòng)獲得的體驗(yàn)是建構(gòu)概念、提升能力和形成情感·態(tài)度與價(jià)值觀等的基礎(chǔ)。生物學(xué)最基本的研究方法是觀察和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是理解生物學(xué)事實(shí)和原理的基本體驗(yàn)活動(dòng)。因此有效的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)既要調(diào)動(dòng)學(xué)生的原有經(jīng)驗(yàn)、又要能夠產(chǎn)生新的經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生在因果關(guān)系的鏈條上開動(dòng)機(jī)器、進(jìn)行多種思維的訓(xùn)練。

2 整合教材資源，設(shè)計(jì)“資料分析活動(dòng)”，發(fā)展多種思維能力

學(xué)生活動(dòng)的特點(diǎn)是自主、開放、思維和綜合。因此將教材資源進(jìn)行整合，如將思考與討論、相關(guān)信息、課后練習(xí)等，以資料分析的形式進(jìn)行整合設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)。該活動(dòng)以任務(wù)目標(biāo)和問題串為的主線。

資料分析是概念建構(gòu)的途徑之一，也是培養(yǎng)邏輯思維能力和高階思維能力的有效策略。本節(jié)教學(xué)采取的學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)如下:

請(qǐng)閱讀教科書88～90頁的內(nèi)容，分析回答:

①ATP在細(xì)胞中的含量高嗎？通過什么方式滿足細(xì)胞生命活動(dòng)對(duì)能量的需求？ATP結(jié)構(gòu)上有何特點(diǎn)與其功能相適應(yīng)？

②寫出ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式。合成ATP所需的能量有哪些來源？

③舉例說出哪些生命活動(dòng)需要ATP作為直接能源？吸能反應(yīng)與放能反應(yīng)之間的聯(lián)系通過什么物質(zhì)實(shí)現(xiàn)？

④ATP是細(xì)胞內(nèi)的能量“通貨”對(duì)于生物體的含義是什么？從進(jìn)化的角度看，ATP及其供能的機(jī)制是通過什么過程形成的？

資料分析過程貫穿著分析、綜合等思維方式的反復(fù)運(yùn)作。對(duì)問題④的解答涉及到判斷和評(píng)價(jià)，因此也就包含著高階思維能力的培養(yǎng)。所謂高階思維能力，是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平上的心智活動(dòng)或較高層次的認(rèn)知能力，如分析、評(píng)價(jià)等認(rèn)知活動(dòng)能力。以ATP作為細(xì)胞內(nèi)的能量“通貨”，從系統(tǒng)的角度看，有利于提高細(xì)胞中資源的利用效率。ATP及其供能的機(jī)制是長期自然選擇形成的，是生物進(jìn)化的結(jié)果，也是不同生物之間具有共同祖先的分子證據(jù)。若能以進(jìn)化與適應(yīng)觀來評(píng)價(jià)ATP供能的問題，那么，學(xué)生的思維水平就有可能上升到高階思維的層次了。

3 以“核心素養(yǎng)目標(biāo)”統(tǒng)領(lǐng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)“建模”思維能力

“建模”也就是建構(gòu)模型，是科學(xué)思維的一種重要思維方式。建模思維包括模型的建立和模型的應(yīng)用。模型分為物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型等類型。其中概念模型是指用圖示、文字、符號(hào)的形式，描述、闡明生命活動(dòng)的規(guī)律和原理的一類模型，能將知識(shí)結(jié)構(gòu)化，表達(dá)概念間的聯(lián)系，呈現(xiàn)生物學(xué)知識(shí)體系的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。科學(xué)模型具有描述、預(yù)測(cè)、解釋的功能。建構(gòu)模型的過程是分析、綜合、抽象、概括、推理、判斷等思維方式的綜合運(yùn)作過程。教師通過引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，可以深化學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容的理解，提高其分析和解決問題的能力，使學(xué)生形成正確的科學(xué)觀點(diǎn)和態(tài)度。

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中生命觀念與科學(xué)思維目標(biāo)的達(dá)成是一個(gè)相互作用的過程。科學(xué)思維目標(biāo)的達(dá)成是形成生命觀念的基礎(chǔ)，生命觀念的形成反過來會(huì)促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展。

在本節(jié)教學(xué)中，根據(jù)核心素養(yǎng)之生命觀念中的“結(jié)構(gòu)與功能觀”，可對(duì)課堂“學(xué)生活動(dòng)”做以下設(shè)計(jì)安排:將“ATP的功能”前置，學(xué)生通過“探究實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)，得出“ATP是直接能源物質(zhì)”；再根據(jù)“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”原理，通過問題導(dǎo)學(xué)進(jìn)行“ATP的結(jié)構(gòu)及ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)。這樣可建立一個(gè)用于認(rèn)知事物的概念模型:提出問題—探究實(shí)驗(yàn)—研究對(duì)象的功能—研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)。

總之，科學(xué)思維是一種認(rèn)識(shí)行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)的反映。學(xué)生良好的科學(xué)思維的習(xí)慣和能力，需要在通過“學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)”而創(chuàng)設(shè)的情境中，經(jīng)過長期思維訓(xùn)練才能形成。以核心素養(yǎng)為統(tǒng)領(lǐng)，合理整合的探究實(shí)驗(yàn)和資料分析等學(xué)生活動(dòng)，是發(fā)展科學(xué)思維的有效途徑。