基于CER模型的論證式教學在高中生物學課堂中的應用

余泉潤 劉嫻 李娟

摘要 論證式教學策略是當前國際科學教育領域的研究熱點，將論證式教學應用于高中生物學課堂，能有效促進學生思維能力的提升。文章以“細胞中的能量‘貨幣ATP”為例，將CER論證模型貫穿于課堂教學，引導學生搜集證據、分析論證、得出主張。在建構生物學概念的基礎上，培養學生嚴謹的科學態度，發展分析論證、歸納概括和質疑批判的科學思維。

關鍵詞 CER論證模型；高中生物學；論證式教學；科學思維

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.041

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中要求：通過生物學課程的學習，幫助學生形成科學思維、科學探究和推理論證的習慣，運用已有的生物學知識、證據對生物學議題進行思考討論并展開論證[1]。將論證式教學策略應用于高中生物課堂教學，不僅是培養學生邏輯思維的重要手段，更是落實核心素養的重要策略。

1論證式教學策略的內涵

論證式教學策略是當前國內外科學教育領域關注的研究熱點和新方向之一[2]。論證式教學的實質是將科學領域的論證過程引入課堂，從提供的資料中分析“證據”經過“推理”得到“主張”[3]，使學生經歷科學家的論證過程，逐步構建科學概念并理解科學的本質，促進科學思維發展的教學策略[4]。本文旨在將McNeil的CER論證模型（見圖1， p133）運用于高中生物學“細胞中的能量‘貨幣ATP”的課堂教學中，探索論證式教學策略在高中生物學中的實際應用價值，對一線教師如何培養學生的科學思維具有借鑒意義。

2“細胞的能量‘貨幣ATP”論證式教學策略

2.1教材分析

人教版普通高中《生物學必修1分子與細胞》第5章包括4節內容，其中第2節細胞的能量“貨幣”ATP在教材中處于關鍵地位，作為建構“細胞的生存需要能量和營養物質”大概念的重要概念。本節是以細胞中的有機物作為基礎開展教學，要求學生能從ATP是一種高能磷酸化合物、ATP與ADP可以相互轉化和ATP的利用等方面解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質，進而形象地理解能量通過ATP在細胞內各種化學反應之間流通，并為細胞呼吸、光合作用等重要生理過程做鋪墊。

2.2學情分析

高一年級學生已經掌握了細胞中的有機物——蛋白質、糖類、脂肪等，但不清楚哪種物質能為細胞的生命活動直接提供能量。該階段學生具備一定的歸納概括和實驗設計的能力，但對ATP和ADP這兩種細胞內重要的化合物相對陌生、對ATP與ADP如何轉化和ATP如何供能的抽象過程難以理解。

2.3教學目標

通過探究ATP的化學組成和結構特點，運用結構與功能觀，闡明ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質（生命觀念）。

通過資料分析和模型建構，歸納出ATP與ADP相互轉化的過程，發展模型建構、歸納概括的科學思維（科學思維）。

通過設計探究實驗，說明ATP是細胞內的直接能源物質，掌握科學探究的基本思路和方法，提高團隊合作能力和創新能力（科學探究）。

通過開展新課題“ATP是不是興奮劑？”的研究，培養學生積極運用生物學知識解決現實問題，并作出理性解釋，增強社會責任感（社會責任）。

2.4教學過程

2.4.1創設情境，導入新課

教師通過呈現詩人杜牧的古詩《秋夕》，創設夜空中點點流螢的情景，并設疑：螢火蟲發光的原因是什么？體內存在特殊發光物質嗎？

提供資料：螢火蟲的尾部發光器中有熒光素和熒光素酶。熒光素接受能量后就被激活，在熒光素酶的催化作用下，激活的熒光素與氧發生化學反應，形成氧化熒光素并且發出熒光。設疑：熒光素接受的能量從哪來？學生思考并回答。

由“螢火蟲為什么會發光？”創設問題情景，對教材進行補充和拓展，激發學生的求知欲，引入新課。此外，學生既能感受中華傳統文化之美，也能體會熱愛自然和生命的情感。

2.4.2教學環節1——ATP是細胞內的直接能源物質

學生復習回顧細胞內提供能量的物質種類，教師追問：哪種物質能為螢火蟲發光直接提供能量？安排學生以現有的實驗材料設計實驗方案，探究哪種物質是細胞內的直接能源物質，經過小組合作和教師指導后得到最終的實驗方案（見表1）。

通過設計實驗和分析現象，發現熒光素接受的能量來自ATP，推理出ATP為螢火蟲的發光直接提供能量，進而得到主張ATP是細胞內的直接能源物質。有助于學生掌握科學探究的基本思路和方法，提高演繹推理的科學思維和實驗設計的科學探究能力（圖2）。

2.4.3教學環節2——ATP是一種高能磷酸化合物

教師提供ATP的結構式圖片并設置問題串：①ATP的中文名稱？②ATP的元素組成？③AMP、ADP和ATP如何形成？④ATP結構簡式中的字母和符號分別代表什么？引導學生探究ATP的結構。

提供資料：～代表特殊的化學鍵，這種化學鍵不穩定，并且具有較高的轉移勢能。以彈簧壓縮的過程中積聚了彈性勢能和不穩定而搖晃的特點類比推理特殊化學鍵含有較高的轉移勢能和不穩定的特點。

通過圖片將微觀結構可視化、復雜過程直觀化、問題串引領思維深度化，使學生深入理解ATP的分子結構。由ATP分子的結構式推理得出ATP的結構特點，再提供特殊化學鍵的資料，引導學生進行資料分析、合理推理出ATP水解會釋放出大量的能量，最終得出主張：ATP是一種高能磷酸化合物，初步形成結構與功能觀（圖3）。

2.4.4教學環節3——ATP與ADP可以相互轉化

提供資料1：研究顯示，一個成年人一天在靜止狀態下所消耗的ATP約有40kg；在劇烈運動的狀態下，每分鐘約有0.5kg的ATP轉化成ADP。成人體內的ATP總量約2―10mg，人體安靜狀態下，肌肉內ATP含量只能供肌肉收縮1―2s。設疑：細胞中的ATP具有什么特點？學生推理后發現細胞內的ATP具有消耗量大和含量少的特點。

提供資料2：在某細胞培養液中加入32P標記的磷酸分子，短時間內分離出細胞的ATP，發現其含量變化不大，但部分ATP的末端P已帶上放射性標記。學生對資料分析推理后發現ATP中遠離腺苷的特殊化學鍵斷裂，釋放能量。提問：細胞內只存在ATP的水解嗎？

提供資料3：細胞內ATP、ADP的總量僅有2―10mg，人體細胞每天的能量需要水解200―300mol的ATP，這意味著每個ATP分子每天要被重復利用2000―3000次。學生通過分析資料3并結合資料2能發現生物體內的細胞中進行ATP分解的同時也存在ATP合成。學生利用ATP模型卡片合作建構ATP與ADP相互轉化的模型后，教師進一步設疑：ATP與ADP的相互轉化是否是可逆反應？

提供資料4：可逆反應——在同一條件下，既能向正方向進行，同時又能向逆方向進行的反應。教師設置任務：從物質、能量、酶的角度判斷ATP與ADP的轉化是否為可逆反應并總結出ATP水解與ATP合成區別的表格。學生經過合作學習完成填表任務后，進一步推理得出ATP與ADP相互轉化過程中“物質可逆，能量不可逆”的特點。

學生首先對資料1的事實分析后發現細胞中的ATP含量少消耗量大的特點，形成認知沖突，細胞如何解決這一矛盾？再通過資料2和資料3的證據推理得出細胞中進行ATP分解的同時也進行著ATP的合成，進一步產生問題：ATP與ADP的相互轉化是否是可逆反應？根據可逆反應的定義，小組合作歸納出ATP水解和ATP合成過程的區別表格。通過對四則資料中事實和證據的分析推理后，結合探究活動得出最終主張：ATP與ADP在細胞內快速相互轉化，保證細胞內持續的能量供應，解答開始產生的疑問“細胞如何解決ATP含量少但消耗量大的矛盾？”培養學生歸納概括、推理論證和批判性的科學思維，在此過程中學生的合作討論與探究能力得到顯著提升（圖4，p135）。

2.4.5教學環節4——ATP的利用

教師展示ATP與ADP相互轉化的示意圖并提出問題：ATP合成所需要的能量從哪來？ATP水解釋放的能量用于哪些生命活動？學生進行自主學習后歸納出ATP水解釋放的能量用于主動運輸、生物放電、肌肉收縮等生命活動，進一步概括出細胞中絕大多數需要能量的生命活動都是由ATP直接提供能量。教師播放肌肉收縮過程的視頻，將ATP參與細胞生命活動的過程可視化，引導學生深入理解ATP在細胞內如何利用。通過圖片和視頻的形式呈現細胞中正在發生的生命活動和生命現象，引導學生逐步推理分析，發現細胞中絕大多數生命活動都是由ATP直接提供能量，進一步論證主張：ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質（圖5）。

學生產生問題：ATP為細胞生命活動直接提供能量的過程中會發生什么變化？教師播放Ca2+主動運輸過程的視頻，引導學生歸納出ATP是通過使分子磷酸化因而參與各種化學反應。進一步提問：細胞內的化學反應可以分成哪幾類？不同類型具有什么特點？學生經過討論后將細胞內的化學反應分為吸能反應和放能反應兩種類型，并列舉細胞內典型的吸能反應和放能反應，進一步歸納得出吸能反應需要吸收能量、放能反應能夠釋放能量的特點。再結合ATP水解和ATP合成過程推理后得出放能反應釋放的能量用于ATP合成，吸能反應由ATP水解提供能量。綜合兩則證據的推論最終得出能量通過ATP分子在吸能反應和放能反應之間流通，層層深入，逐步論證，最終得出主張：ATP是細胞內流通的能量“貨幣”（圖6）。

2.4.6課后拓展

巧妙運用類比，將細胞內的能源物質與資金類型進行類比，ATP比作流通的“現金”，從而加深學生對ATP是能量“貨幣”的理解。通過開展新課題“運動員使用興奮劑參加體育競技比賽，導致個人成績取消、面臨終身禁賽的處罰，甚至影響國家在國際競賽中的聲譽、有損國家形象。作為細胞中的直接能源物質ATP是不是興奮劑？”的探究，培養學生的社會責任，促進學生積極運用生物學的知識針對現實問題作出理性解釋，參與討論后理解體育競技的規則需要個人、相關組織和各個國家的堅守，才能凈化競技體育的環境，使其回歸本質，健康發展。從而滲透科學觀念和立德樹人的課程思政本質，落實教育的育人功能和生物學科的核心素養，提高學生的愛國意識和政治認同，樹立正確的國家觀、民族觀和價值觀。

“細胞中的能量‘貨幣ATP”這一課題分為四個教學環節，每一環節都采用CER論證模型，經過產生問題→提供證據→推理論證→得出主張的過程，開展論證式教學，層層深入，逐步分析。通過不斷提供事實和證據，引導學生進行深度學習，前一個主張為后一個主張做鋪墊，整個教學過程環環相扣、思維清晰、邏輯嚴密，提升了學生的科學思維、科學素養和科學探究能力（圖7）。

3論證式教學的反思

將CER論證模型應用于高中生物學課堂，通過提供豐富的事實證據和設置富有邏輯性的問題串，以問題為導向，驅動學生圍繞資料尋找證據進行推理，最終得出主張。整個教學過程脈絡清晰、邏輯嚴明，逐步推理后最終建構出緊密圍繞核心概念的論證模型，以此突出教學重點、突破教學難點、順利達到教學目標，落實生物學學科核心素養。

論證式教學是一種新型的教學策略，教師首先應該圍繞核心概念，課前搜集相關的生物學事實、實驗和科學史作為論證的資料，引導學生通過論證逐步建構生物學概念體系。其次，要讓學生經歷論證的過程，體會科學理論不是一蹴而就的，是不斷發展和完善的，培養嚴謹的科學態度，發展分析論證、歸納概括、質疑批判的科學思維。最后，需要引導學生將新概念遷移到新情景下解決新問題，通過開展新課題的研究，不僅能夠培養學生的探究意識和探究精神，還能發展學生靈活運用知識的能力，培養新時代所需要的創新型人才。

*通訊作者：劉嫻

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準： 2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]何嘉媛，劉恩山.論證式教學策略的發展及其在理科教學中的作用[J].生物學通報，2012，47（5）：31-34.

[3]楊堅，鄭兆炯.“基因突變”的論證式教學研究[J].中學生物教學， 2020（3）：4-6.

[4]王星喬，米廣春.論證式教學：科學探究教學的新圖景[J].中國教育學刊，2010（10）：50-52.