基于模型建構的深度學習

朱巧玲

摘要 巧設問題情境，依托物理模型引導學生對ATP結構的深度思考，建構概念模型促進學生對ATP功能的遷移應用，在實踐與探索中培養學生的科學思維和解決問題能力，實現深度學習。

關鍵詞 模型 深度學習 ATP 教學設計

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

深度學習以發展學習者的高階思維為目標，側重知識網絡建構，要求學習者能將知識進行遷移運用，甚至創造。模型與建模是一種重要的科學思維方法，模型是對客觀世界的抽象，建模是應用建立模型解決問題。基于模型的教學能引導學生對所學知識進行思考、抽象、遷移、應用，提高學生分析問題、解決問題的能力，實現從低階思維能力的淺層學習到高階思維能力的深度學習。

1教材分析及設計思路

“細胞的能量‘貨幣’ATP”是新人教版高中生物學《必修1·分子與細胞》第五章第二節的內容。本節知識是糖類、脂肪等能源物質學習的延續，也為后續呼吸作用、光合作用的學習奠定基礎。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對本節課要求是“解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”。要使上述概念形成，需要解決2個核心問題：1概述ATP作為直接能源物質的結構特點;2闡述ATP與ADP快速相互轉化是細胞吸能與放能反應的紐帶。

與舊教材相比，新教材在分子水平對ATP易水解與供能機理的解釋更詳細。建構ATP與載體蛋白的物理模型，利于學生深度思考ATP的結構特點，形成“結構與功能相適應”的生命觀念。學生建構概念模型，可以抽象出ATP與細胞能量代謝的關系，形成知識網絡，促進知識的遷移運用。本教學設計以模型為主要載體，促進學生深度學習，達成生物學學科核心素養培養的目標。

2教學目標

1建構ATP和載體蛋白的物理模型，從結構與功能相適應的角度，概述ATP作為直接能源物質的結構特點。

2建構ATP和ADP相互轉化為核心的概念模型，闡述ATP與細胞代謝之間的能量關系，理解能量“貨幣”的涵義，形成生命的物質觀、能量觀。

3通過對生活實例的分析，增強ATP知識的遷移運用，培養解決問題能力。

3教學過程

3.1實物觀察、資料分析，了解ATP的功能特點

教師提出問題：ATP是物質還是能量？學生回答后，教師展示ATP藥片，讓學生直觀認識ATP是一種物質。

教師追問：ATP與能量是什么關系呢？并展示材料，引導學生分析、思考：1884年，法國藥學家迪布瓦切取螢火蟲的發光器并充分研磨，發現研磨液會發出短暫熒光。研究人員將不發光的研磨液分成兩組，分別滴加等體積的ATP溶液和葡萄糖溶液后，ATP組立即重新出現熒光，而葡萄糖組需要經過一段時間才會重新出現熒光。離體發光器研磨液熒光消失的原因是什么？對比兩組實驗，螢火蟲發光的直接能源物質是什么？學生分析材料后，得出“ATP是直接能源物質”這一結論。

設計意圖：深度學習需要創設真實問題情境，教師要引導學生積極體驗和思考。實物觀察屬于感官體驗，材料分析屬于理性分析，學生對能源物質的認知從“葡萄糖是主要能源物質”向“ATP是直接能源物質”發展，產生“ATP為什么適合作為直接能源物質”的疑問，順利過渡到ATP結構的學習。

3.2模型建構、展示交流，明確ATP的分子組成

教師提問：與葡萄糖相比，為什么ATP能作為直接能源物質？接著，學生開始建構ATP的物理模型。在自學教材相關內容后，學生小組利用教師給出的紙片模型（圖1），建構ATP結構的物理模型。然后，小組代表在黑板上用教師版模型（背后有磁鐵，可吸在黑板上）展示。教師引導學生修正模型，并讓學生利用模型講解腺苷、普通化學鍵、特殊化學鍵、ATP、ADP、AMP等。之后，教師提問：ATP在結構上有什么優點，適合作為直接能源物質？學生回答后，教師可利用磷酸基團上的磁鐵，讓學生體驗“同性相斥”，類比新教材中“ATP中特殊化學鍵因相鄰磷酸基團帶負電荷而相互排斥，不穩定”這一結構特點。

設計意圖：活動與體驗是深度學習的核心特征。

若教師只給出腺嘌呤、核糖和磷酸基團的紙片模型，讓學生依照教材分子式建構ATP模型，難以實現知識的批判理解。利用圖1所示元件建構的物理模型既能反應ATP的分子組成知識，又能激活學生的思維，提升建構活動的價值。脫氧核糖、核糖同時呈現，以設置干擾的方式引發學生思考，區分脫氧核糖與核糖的結構，明確ATP分子中含核糖。五碳糖模型代替常規五邊形模型，能更科學地展示五碳糖的結構特點。多種堿基可方便教師介紹UTP、GTP、CTP、dATP、dTTP、dGTP、dCTP等物質，拓展學生對高能磷酸化合物的認知。磁鐵的類比應用能讓學生理解ATP結構具有不穩定、易水解的特點。模型建構的經歷讓知識真正成為學生觀察、思考、探索、操作的對象，能促進學生對ATP結構進行深度分析、評價，形成對知識的自我理解，建構新知序列。

3.3模型演示、分析概括，理解ATP的供能機理

在學生建構ATP模型后，教師整合教材內容，教學ATP參與鈣離子載體蛋白的主動運輸，使學生從分子結構視角理解ATP的供能機理。學生閱讀教材并在黑板上利用載體蛋白模型（教師提供）演示ATP參與主動運輸的過程（圖2）。

模型演示后，教師提出問題，促進學生思考：該過程體現了載體蛋白的哪些功能？ATP中的能量是如何轉移到載體蛋白上的？分析ATP結構與供能機理，說明物質的結構與功能有怎樣的關系？

設計意圖：深度學習需要學生把握知識的內涵與本質。模型演示讓學生理解ATP磷酸基團的“得”與“失”是實現能量轉移的關鍵，深化學生ATP供能機理的理解。教師提出的3個問題幫助學生從感性認知上升到理性認知，實現對形象化模型的高度抽象，引領學生“發現”“歸納”出ATP供能機理的本質特征，同時也顯化了“結構與功能相適應”的生命觀念。

3.4問題探討、畫概念圖，領悟

ATP是能量“貨幣”教師展示材料：一個成人每天要水解并合成相當于自身體重的ATP，以滿足正常生命活動的需要;在緊張活動的情況下，ATP的消耗可達0.5kg/min;人體中ATP的總量只有大約2mg，劇烈運動時只能維持3s。

教師根據材料，提出問題串：人體如何解決ATP消耗量大而儲存量少這一矛盾？ATP與ADP轉化是可逆反應嗎，為什么？人體細胞合成ATP的能量來自于哪里？植物細胞合成ATP的能量來源又有哪些？ATP水解釋放的能量還能用于哪些生命活動？ADP合成ATP的過程是儲存還是釋放能量的過程，關聯細胞中的吸能還是放能反應？ATP水解為ADP的過程是儲存還是釋放能量的過程，關聯細胞中的吸能還是放能反應？當學生解決該問題串后，便能建構出圖3的概念模型，抽象出能量通過ATP分子在放能反應和吸能反應之間流通。

教師結合圖3模型，類比商品交易，脂肪、葡萄糖相當于能源物質中的“房產、存折”，必須通過細胞呼吸將能量轉移至儲存能量較少的ATP（“人民幣”），才能被細胞直接利用。學生因而理解ATP是細胞的能量“貨幣”。

設計意圖：深度學習需要對舊知識與新知識進行有效和精細的深度加工，形成知識網絡以促進知識的遷移應用。概念模型可以讓學生從能量守恒的角度，理解ATP與ADP的相互轉化，伴隨著能量的釋放和儲存，聯系了細胞眾多的吸能與放能反應。問題串引導學生實現基于問題的多維度、立體式的知識整合，將ATP直接能源物質的知識以整合態、情境化的方式納入已有的能量代謝認知結構，有助于學生形成生命的物質觀與能量觀，為知識應用奠定堅實基礎。

3.5模型運用、學習材料，領略ATP的科學應用

在學生建構概念模型后，教師提出問題：在1884年迪布瓦的實驗中，葡萄糖組需要經過一段時間才會重新出現熒光。請你利用所學的知識解釋這一現象。學生分析后，得出科學解釋：葡萄糖不能直接提供能量，需要通過呼吸作用將能量轉移至ATP才能被生物直接利用，從而導致延遲發光。

隨后，教師向學生介紹螢火蟲發光原理、ATP熒光檢測儀、熒光樹的發明等材料，了解ATP的科學應用。

設計意圖：深度學習強調知識的遷移與應用，也注重評價促進學生的學習。學生對實驗現象的原因解釋，能檢測對ATP知識的應用水平，培養分析、推理的科學思維。螢火蟲發光、ATP熒光檢測儀和熒光樹等材料介紹，是ATP知識的遷移應用，也能引導學生對自己所學的知識及知識發現、發展的過程進行價值評價。

4教學反思

本節課通過巧設問題情境和整合教材內容，讓學生經歷困惑、發現和遷移，沿著ATP“功能→結構→應用”的知識主線逐步學習，重視學習內容的有機整合與深度加工。物理模型解決了ATP結構與供能機理的教學重點，概念模型解決了ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質的教學難點，模型促進學生的思維由形象上升到抽象，實現了模型應用與高階思維培養的統一。建模過程的問題串能引導學生深度思考，促進科學思維培養和生命觀念形成，進而有助于知識的遷移運用。因此，學生的建模學習能克服對微觀結構的認知困難，在親自體驗和親手探索中實現深度學習。

參考文獻：

安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

1794501705259