生物學(xué)教學(xué)中的科學(xué)思維發(fā)展策略
——以“ATP是細(xì)胞內(nèi)的‘能量通貨’”為例

浙江 曾海琴

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(wèn)題的思維和能力。教師在實(shí)際教學(xué)中要逐步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，要幫助學(xué)生用科學(xué)的方法探究和解釋生命現(xiàn)象和規(guī)律。本文以“ATP是細(xì)胞內(nèi)的‘能量通貨’”的新課教學(xué)為例，利用實(shí)驗(yàn)探究和模型建構(gòu)策略，幫助學(xué)生理解“ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”這一次位概念。

1.教材分析與學(xué)情分析

1.1教材分析

本節(jié)課是浙科版高中生物必修1第三章第一節(jié)的內(nèi)容，主要由“ATP是細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源”“細(xì)胞內(nèi)ATP與ADP保持動(dòng)態(tài)平衡”兩部分內(nèi)容組成。ATP遠(yuǎn)離腺苷的高能磷酸鍵的斷裂與形成幫助細(xì)胞釋放能量和儲(chǔ)存能量，持續(xù)地滿(mǎn)足了細(xì)胞各項(xiàng)生命活動(dòng)對(duì)能量的需求。細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)換需要“能量通貨”ATP，ATP也是細(xì)胞內(nèi)最經(jīng)典的兩大代謝過(guò)程——細(xì)胞呼吸和光合作用的基礎(chǔ)，為“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域”這一重要概念的認(rèn)知提供了支撐，在整個(gè)模塊的學(xué)習(xí)中具有十分重要的地位。

1.2學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了糖類(lèi)作為主要能源物質(zhì)的作用，對(duì)于物質(zhì)是能量的載體、物質(zhì)變化蘊(yùn)含能量變化并不陌生，但仍然對(duì)分子的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵的斷裂與形成涉及能量轉(zhuǎn)換缺乏必要的知識(shí)儲(chǔ)備，因此在結(jié)構(gòu)模型和概念模型的建構(gòu)上存在一定的困難。在科學(xué)方法上，學(xué)生知道科學(xué)探究的一般方法，也知道要利用實(shí)驗(yàn)佐證科學(xué)觀點(diǎn)，但對(duì)于具體情境下實(shí)際問(wèn)題的解決缺乏實(shí)踐與應(yīng)用。

2.教學(xué)目標(biāo)

基于《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，筆者制訂如下教學(xué)目標(biāo)：

(1)嘗試提出問(wèn)題、建立假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，證明ATP作為細(xì)胞內(nèi)直接能源物質(zhì)的作用，發(fā)展科學(xué)探究能力。

(2)通過(guò)對(duì)科學(xué)史進(jìn)行推理，嘗試構(gòu)建ATP結(jié)構(gòu)模型，理解高能磷酸鍵在ATP儲(chǔ)存能量與釋放能量時(shí)發(fā)揮的重大作用，理解結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀念。

(3)利用ATP結(jié)構(gòu)模型模擬ATP水解與合成的過(guò)程，提升演繹推理能力，并通過(guò)對(duì)ATP-ADP循環(huán)的概念模型的建構(gòu)，感受ATP、ADP保持動(dòng)態(tài)平衡能推動(dòng)細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，初步理解物質(zhì)與能量觀。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)思路

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)示意圖

4.教學(xué)過(guò)程

4.1創(chuàng)設(shè)情境，鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)、作出假設(shè)、進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

用人民英雄張定宇身患漸凍癥但仍?shī)^戰(zhàn)在抗疫第一線(xiàn)的圖片導(dǎo)入，鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題。教師從學(xué)生常見(jiàn)的問(wèn)題例如“漸凍癥病因”“如何治療”切入，提出ATP可以作為漸凍癥的輔助治療藥品，并展示ATP藥品的使用說(shuō)明書(shū)：當(dāng)體內(nèi)吸收、分泌、肌肉收縮等需要能量時(shí)，腺苷三磷酸分解為腺苷二磷酸及磷酸，同時(shí)釋放出能量。聯(lián)系前面所學(xué)——葡萄糖可以作為細(xì)胞內(nèi)最重要的能源物質(zhì)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步設(shè)問(wèn)：肌肉收縮時(shí)，直接利用的是ATP還是葡萄糖？

在學(xué)生作出假設(shè)后，教師提供“給離體骨骼肌提供直接能源物質(zhì)時(shí)，骨骼肌會(huì)收縮”這一實(shí)驗(yàn)原理，請(qǐng)學(xué)生嘗試分組討論，設(shè)計(jì)并書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)方案。

4.2利用信息技術(shù)交流方案，提高課堂效率

教師將學(xué)生完成的設(shè)計(jì)方案拍照上傳到白板上，并請(qǐng)學(xué)生代表講解設(shè)計(jì)思路。

以“互聯(lián)網(wǎng)+”為代表的信息技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，提供了很多圖片、視頻等資源，增加了課堂互動(dòng)方式的豐富性，也為學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和討論交流提供了一個(gè)更加便捷的平臺(tái)。

4.3組織生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行科學(xué)探究

教師查閱資料，利用電子設(shè)備提前錄制好實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在課堂上播放此視頻，與學(xué)生共同得出“ATP是肌肉收縮的直接能源物質(zhì)”的結(jié)論后，進(jìn)一步提問(wèn)：ATP為什么能夠作為直接能源物質(zhì)，是取決于怎么樣的分子結(jié)構(gòu)呢？

進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)可以一定程度上減少實(shí)驗(yàn)耗材以及對(duì)相關(guān)場(chǎng)地條件的依賴(lài)。

但也有部分教師將實(shí)驗(yàn)過(guò)程“搬到”課堂上，為學(xué)生提供新鮮剝離的蛙類(lèi)腓腸肌標(biāo)本、ATP溶液、葡萄糖溶液、鋅銅弓，組織學(xué)生動(dòng)手操作，在兩組離體肌肉上分別滴加兩種溶液，再用鋅銅弓直接刺激坐骨神經(jīng)。與視頻中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，直接進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)更能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

4.4分析資料建構(gòu)模型，加強(qiáng)對(duì)重要概念的理解

4.4.1利用科學(xué)史，建構(gòu)ATP結(jié)構(gòu)的物理模型

科學(xué)史能夠呈現(xiàn)知識(shí)的來(lái)龍去脈，幫助學(xué)生沿著科學(xué)家的腳步理解生物學(xué)事實(shí)，還原知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程，發(fā)展科學(xué)思維，提高學(xué)科核心素養(yǎng)。教師設(shè)置如下三則科學(xué)史資料，請(qǐng)學(xué)生閱讀、討論并利用事先裁剪好的軟磁片(圖2)，構(gòu)建出ATP結(jié)構(gòu)的物理模型(圖3)。

【資料1】AMP是RNA的降解物質(zhì)，腺嘌呤核糖核苷酸。(1944.亞歷山大·托德)

腺嘌呤核糖核苷酸

【資料3】連接ATP三個(gè)磷酸基團(tuán)的磷酸鍵穩(wěn)定性差，水解時(shí)釋放大量能量，被稱(chēng)為高能磷酸鍵，用符號(hào)“～”代表。(1942.李普曼)

圖2 事先裁剪好的軟磁片

圖3 學(xué)生建構(gòu)的ATP結(jié)構(gòu)模型

借助物理模型開(kāi)展教學(xué)，可以將ATP抽象的微觀結(jié)構(gòu)變得更為生動(dòng)形象，有利于活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升學(xué)生的創(chuàng)造性思維和動(dòng)手能力。

4.4.2處理信息，演繹推理ATP水解與合成的反應(yīng)過(guò)程

教師提供ATP藥品說(shuō)明書(shū)的一部分，內(nèi)容如下：

【資料4】當(dāng)體內(nèi)吸收、分泌、肌肉收縮等需要能量時(shí)，腺苷三磷酸即分解為腺苷二磷酸和磷酸，同時(shí)釋放出能量。(ATP藥品說(shuō)明書(shū))

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合ATP結(jié)構(gòu)的物理模型，演繹推理ATP水解的反應(yīng)過(guò)程，并將反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)下來(lái)。教師展示學(xué)生的成果，即學(xué)生總結(jié)的ATP結(jié)構(gòu)、水解供能的反應(yīng)和高能磷酸鍵的作用，提出ATP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式和ADP的概念。

此時(shí)教師再以問(wèn)題引入：“ATP作為供能物質(zhì)在體內(nèi)含量會(huì)不會(huì)很多呢？”指出細(xì)胞內(nèi)ATP含量少的事實(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到細(xì)胞內(nèi)ATP不斷水解供能的同時(shí)也在不斷合成。繼續(xù)設(shè)問(wèn)：“ATP是如何合成的？”從物質(zhì)循環(huán)的角度引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：反應(yīng)生成的ADP和磷酸分子可以再利用以形成ATP。

待學(xué)生完成上述推理后，教師通過(guò)一段科學(xué)史加以佐證。科學(xué)史資料如下：

【資料5】科學(xué)家在某細(xì)胞培養(yǎng)液中加入含32P的磷酸分子，短時(shí)間分離出細(xì)胞的ATP，發(fā)現(xiàn)其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團(tuán)帶上放射性標(biāo)記。

持續(xù)的推理佐以實(shí)驗(yàn)證明，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，任何科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生都是有據(jù)可依的，科學(xué)本身就是不斷探索的過(guò)程。

4.4.3小組合作，構(gòu)建ATP-ADP循環(huán)的概念模型

結(jié)合ATP結(jié)構(gòu)的物理模型和ATP水解、合成的反應(yīng)過(guò)程，請(qǐng)學(xué)生小組合作，討論細(xì)胞內(nèi)ATP水解釋放的能量去向以及ATP合成的能量來(lái)源，構(gòu)建出ATP-ADP循環(huán)的概念模型。構(gòu)建完成的概念模型如圖4所示。

圖4 ATP-ADP循環(huán)的概念模型

概念模型構(gòu)建完成后，教師提問(wèn)：葡萄糖作為最重要的能源物質(zhì)，與ATP有什么關(guān)系？ATP為什么能夠成為細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)？

完善學(xué)生對(duì)生命規(guī)律的闡述，將葡萄糖比作黃金，ATP比作小額鈔票，引導(dǎo)學(xué)生解釋ATP作為直接能源物質(zhì)的作用：細(xì)胞中，細(xì)胞呼吸過(guò)程將葡萄糖等能源物質(zhì)中的能量釋放出來(lái)儲(chǔ)存在ATP的高能磷酸鍵中，再由ATP作為載體將能量運(yùn)到細(xì)胞各個(gè)場(chǎng)所，水解供能給各類(lèi)生命活動(dòng)，高能磷酸鍵不穩(wěn)定，便于儲(chǔ)存和釋放能量，使ATP就像小額鈔票一樣，在細(xì)胞中流通和使用。

概念模型可以將生物學(xué)中的重要概念用文字、符號(hào)、圖形等表示出來(lái)，以這種形式對(duì)事物的生命活動(dòng)規(guī)律、機(jī)理進(jìn)行闡述，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)某個(gè)事實(shí)、概念，完成對(duì)新知識(shí)的構(gòu)建。學(xué)生在建模過(guò)程中，可以體驗(yàn)到推理和探究的樂(lè)趣，提高分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展。

5.實(shí)施效果和反思

以實(shí)驗(yàn)探究和模型建構(gòu)為策略的教學(xué)有助于學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的落實(shí)。本節(jié)課用漸凍癥的實(shí)例，嘗試創(chuàng)建學(xué)生提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的情境；以骨骼肌收縮的原理，引導(dǎo)學(xué)生建立假設(shè)、完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；組織生物實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；分析科學(xué)史構(gòu)建ATP的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合ATP的物理模型構(gòu)建ATP-ADP循環(huán)的概念模型，再利用概念模型解釋“ATP是直接能源物質(zhì)”這一生物學(xué)事實(shí)，整個(gè)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，逐步深入，有效降低了學(xué)生理解微觀世界的難度，幫助學(xué)生初步建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念，感受ATP在細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)化中的作用，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提高其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。