基于CER模型的論證式教學(xué)在高中生物學(xué)課堂中的應(yīng)用

余泉潤 劉嫻 李娟

摘要 論證式教學(xué)策略是當(dāng)前國際科學(xué)教育領(lǐng)域的研究熱點，將論證式教學(xué)應(yīng)用于高中生物學(xué)課堂，能有效促進(jìn)學(xué)生思維能力的提升。文章以“細(xì)胞中的能量‘貨幣ATP”為例，將CER論證模型貫穿于課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生搜集證據(jù)、分析論證、得出主張。在建構(gòu)生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，發(fā)展分析論證、歸納概括和質(zhì)疑批判的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞 CER論證模型；高中生物學(xué)；論證式教學(xué)；科學(xué)思維

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.041

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中要求：通過生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生形成科學(xué)思維、科學(xué)探究和推理論證的習(xí)慣，運用已有的生物學(xué)知識、證據(jù)對生物學(xué)議題進(jìn)行思考討論并展開論證[1]。將論證式教學(xué)策略應(yīng)用于高中生物課堂教學(xué)，不僅是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的重要手段，更是落實核心素養(yǎng)的重要策略。

1論證式教學(xué)策略的內(nèi)涵

論證式教學(xué)策略是當(dāng)前國內(nèi)外科學(xué)教育領(lǐng)域關(guān)注的研究熱點和新方向之一[2]。論證式教學(xué)的實質(zhì)是將科學(xué)領(lǐng)域的論證過程引入課堂，從提供的資料中分析“證據(jù)”經(jīng)過“推理”得到“主張”[3]，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的論證過程，逐步構(gòu)建科學(xué)概念并理解科學(xué)的本質(zhì)，促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)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(xué)“細(xì)胞中的能量‘貨幣ATP”的課堂教學(xué)中，探索論證式教學(xué)策略在高中生物學(xué)中的實際應(yīng)用價值，對一線教師如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維具有借鑒意義。

2“細(xì)胞的能量‘貨幣ATP”論證式教學(xué)策略

2.1教材分析

人教版普通高中《生物學(xué)必修1分子與細(xì)胞》第5章包括4節(jié)內(nèi)容，其中第2節(jié)細(xì)胞的能量“貨幣”ATP在教材中處于關(guān)鍵地位，作為建構(gòu)“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”大概念的重要概念。本節(jié)是以細(xì)胞中的有機物作為基礎(chǔ)開展教學(xué)，要求學(xué)生能從ATP是一種高能磷酸化合物、ATP與ADP可以相互轉(zhuǎn)化和ATP的利用等方面解釋ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)，進(jìn)而形象地理解能量通過ATP在細(xì)胞內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)之間流通，并為細(xì)胞呼吸、光合作用等重要生理過程做鋪墊。

2.2學(xué)情分析

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

2.3教學(xué)目標(biāo)

通過探究ATP的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點，運用結(jié)構(gòu)與功能觀，闡明ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)（生命觀念）。

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

通過設(shè)計探究實驗，說明ATP是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高團(tuán)隊合作能力和創(chuàng)新能力（科學(xué)探究）。

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

2.4教學(xué)過程

2.4.1創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師通過呈現(xiàn)詩人杜牧的古詩《秋夕》，創(chuàng)設(shè)夜空中點點流螢的情景，并設(shè)疑：螢火蟲發(fā)光的原因是什么？體內(nèi)存在特殊發(fā)光物質(zhì)嗎？

提供資料：螢火蟲的尾部發(fā)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化熒光素并且發(fā)出熒光。設(shè)疑：熒光素接受的能量從哪來？學(xué)生思考并回答。

由“螢火蟲為什么會發(fā)光？”創(chuàng)設(shè)問題情景，對教材進(jìn)行補充和拓展，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引入新課。此外，學(xué)生既能感受中華傳統(tǒng)文化之美，也能體會熱愛自然和生命的情感。

2.4.2教學(xué)環(huán)節(jié)1——ATP是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)

學(xué)生復(fù)習(xí)回顧細(xì)胞內(nèi)提供能量的物質(zhì)種類，教師追問：哪種物質(zhì)能為螢火蟲發(fā)光直接提供能量？安排學(xué)生以現(xiàn)有的實驗材料設(shè)計實驗方案，探究哪種物質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，經(jīng)過小組合作和教師指導(dǎo)后得到最終的實驗方案（見表1）。

通過設(shè)計實驗和分析現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)熒光素接受的能量來自ATP，推理出ATP為螢火蟲的發(fā)光直接提供能量，進(jìn)而得到主張ATP是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)。有助于學(xué)生掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高演繹推理的科學(xué)思維和實驗設(shè)計的科學(xué)探究能力（圖2）。

2.4.3教學(xué)環(huán)節(jié)2——ATP是一種高能磷酸化合物

教師提供ATP的結(jié)構(gòu)式圖片并設(shè)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(jié)構(gòu)簡式中的字母和符號分別代表什么？引導(dǎo)學(xué)生探究ATP的結(jié)構(gòu)。

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

通過圖片將微觀結(jié)構(gòu)可視化、復(fù)雜過程直觀化、問題串引領(lǐng)思維深度化，使學(xué)生深入理解ATP的分子結(jié)構(gòu)。由ATP分子的結(jié)構(gòu)式推理得出ATP的結(jié)構(gòu)特點，再提供特殊化學(xué)鍵的資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(jié)構(gòu)與功能觀（圖3）。

2.4.4教學(xué)環(huán)節(jié)3——ATP與ADP可以相互轉(zhuǎn)化

提供資料1：研究顯示，一個成年人一天在靜止?fàn)顟B(tài)下所消耗的ATP約有40kg；在劇烈運動的狀態(tài)下，每分鐘約有0.5kg的ATP轉(zhuǎn)化成ADP。成人體內(nèi)的ATP總量約2―10mg，人體安靜狀態(tài)下，肌肉內(nèi)ATP含量只能供肌肉收縮1―2s。設(shè)疑：細(xì)胞中的ATP具有什么特點？學(xué)生推理后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的ATP具有消耗量大和含量少的特點。

提供資料2：在某細(xì)胞培養(yǎng)液中加入32P標(biāo)記的磷酸分子，短時間內(nèi)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P已帶上放射性標(biāo)記。學(xué)生對資料分析推理后發(fā)現(xiàn)ATP中遠(yuǎn)離腺苷的特殊化學(xué)鍵斷裂，釋放能量。提問：細(xì)胞內(nèi)只存在ATP的水解嗎？

提供資料3：細(xì)胞內(nèi)ATP、ADP的總量僅有2―10mg，人體細(xì)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(fù)利用2000―3000次。學(xué)生通過分析資料3并結(jié)合資料2能發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)的細(xì)胞中進(jìn)行ATP分解的同時也存在ATP合成。學(xué)生利用ATP模型卡片合作建構(gòu)ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的模型后，教師進(jìn)一步設(shè)疑：ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是否是可逆反應(yīng)？

提供資料4：可逆反應(yīng)——在同一條件下，既能向正方向進(jìn)行，同時又能向逆方向進(jìn)行的反應(yīng)。教師設(shè)置任務(wù)：從物質(zhì)、能量、酶的角度判斷ATP與ADP的轉(zhuǎn)化是否為可逆反應(yīng)并總結(jié)出ATP水解與ATP合成區(qū)別的表格。學(xué)生經(jīng)過合作學(xué)習(xí)完成填表任務(wù)后，進(jìn)一步推理得出ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化過程中“物質(zhì)可逆，能量不可逆”的特點。

學(xué)生首先對資料1的事實分析后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中的ATP含量少消耗量大的特點，形成認(rèn)知沖突，細(xì)胞如何解決這一矛盾？再通過資料2和資料3的證據(jù)推理得出細(xì)胞中進(jìn)行ATP分解的同時也進(jìn)行著ATP的合成，進(jìn)一步產(chǎn)生問題：ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是否是可逆反應(yīng)？根據(jù)可逆反應(yīng)的定義，小組合作歸納出ATP水解和ATP合成過程的區(qū)別表格。通過對四則資料中事實和證據(jù)的分析推理后，結(jié)合探究活動得出最終主張：ATP與ADP在細(xì)胞內(nèi)快速相互轉(zhuǎn)化，保證細(xì)胞內(nèi)持續(xù)的能量供應(yīng)，解答開始產(chǎn)生的疑問“細(xì)胞如何解決ATP含量少但消耗量大的矛盾？”培養(yǎng)學(xué)生歸納概括、推理論證和批判性的科學(xué)思維，在此過程中學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)4——ATP的利用

教師展示ATP與ADP相互轉(zhuǎn)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(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)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(jìn)一步概括出細(xì)胞中絕大多數(shù)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(xì)胞生命活動的過程可視化，引導(dǎo)學(xué)生深入理解ATP在細(xì)胞內(nèi)如何利用。通過圖片和視頻的形式呈現(xiàn)細(xì)胞中正在發(fā)生的生命活動和生命現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生逐步推理分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中絕大多數(shù)生命活動都是由ATP直接提供能量，進(jìn)一步論證主張：ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)（圖5）。

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

2.4.6課后拓展

巧妙運用類比，將細(xì)胞內(nèi)的能源物質(zhì)與資金類型進(jìn)行類比，ATP比作流通的“現(xiàn)金”，從而加深學(xué)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(dǎo)致個人成績?nèi)∠?、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(xì)胞中的直接能源物質(zhì)ATP是不是興奮劑？”的探究，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任，促進(jìn)學(xué)生積極運用生物學(xué)的知識針對現(xiàn)實問題作出理性解釋，參與討論后理解體育競技的規(guī)則需要個人、相關(guān)組織和各個國家的堅守，才能凈化競技體育的環(huán)境，使其回歸本質(zhì)，健康發(fā)展。從而滲透科學(xué)觀念和立德樹人的課程思政本質(zhì)，落實教育的育人功能和生物學(xué)科的核心素養(yǎng)，提高學(xué)生的愛國意識和政治認(rèn)同，樹立正確的國家觀、民族觀和價值觀。

“細(xì)胞中的能量‘貨幣ATP”這一課題分為四個教學(xué)環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)都采用CER論證模型，經(jīng)過產(chǎn)生問題→提供證據(jù)→推理論證→得出主張的過程，開展論證式教學(xué)，層層深入，逐步分析。通過不斷提供事實和證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，前一個主張為后一個主張做鋪墊，整個教學(xué)過程環(huán)環(huán)相扣、思維清晰、邏輯嚴(yán)密，提升了學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力（圖7）。

3論證式教學(xué)的反思

將CER論證模型應(yīng)用于高中生物學(xué)課堂，通過提供豐富的事實證據(jù)和設(shè)置富有邏輯性的問題串，以問題為導(dǎo)向，驅(qū)動學(xué)生圍繞資料尋找證據(jù)進(jìn)行推理，最終得出主張。整個教學(xué)過程脈絡(luò)清晰、邏輯嚴(yán)明，逐步推理后最終建構(gòu)出緊密圍繞核心概念的論證模型，以此突出教學(xué)重點、突破教學(xué)難點、順利達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

論證式教學(xué)是一種新型的教學(xué)策略，教師首先應(yīng)該圍繞核心概念，課前搜集相關(guān)的生物學(xué)事實、實驗和科學(xué)史作為論證的資料，引導(dǎo)學(xué)生通過論證逐步建構(gòu)生物學(xué)概念體系。其次，要讓學(xué)生經(jīng)歷論證的過程，體會科學(xué)理論不是一蹴而就的，是不斷發(fā)展和完善的，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，發(fā)展分析論證、歸納概括、質(zhì)疑批判的科學(xué)思維。最后，需要引導(dǎo)學(xué)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(yǎng)學(xué)生的探究意識和探究精神，還能發(fā)展學(xué)生靈活運用知識的能力，培養(yǎng)新時代所需要的創(chuàng)新型人才。

*通訊作者：劉嫻

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)： 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(xué)策略的發(fā)展及其在理科教學(xué)中的作用[J].生物學(xué)通報，2012，47（5）：31-34.

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

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