圖爾敏論證模型下高中生物學概念教學的實踐研究

摘 要：本文采用圖爾敏論證模型，構建“ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”重要概念，進行實證與概念教學研究，以期促進學生對概念的深度理解，培養學生的科學思維與科學探究能力。

關鍵詞：圖爾敏論證模型；概念教學；實踐研究

文章編號：1003-7586（2024）06-0007-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確指出“聚焦大概念”與“少而精”的教學理念，單純的展示大量的無邏輯的生物學術語與事實，不利于學生對生物學重要概念的深度理解與應用。^［1］論證的過程就是概念的構建過程。教師引導學生對具有代表性的材料進行分析、推理、質疑并主張，從而總結概念的特點，使學生通過構建知識體系，自主完成對概念的構建，深刻理解概念的本質。圖爾敏論證模型（Toulmin’s Argument Pattern，簡稱TAP）是開展論證教學的基本理論，其中主張資料和根據是論證模型的核心因素。本文以高中生物學教材內容為載體，運用圖爾敏論證模型，開展實證與概念教學研究，旨在提高學生的科學探究與科學思維能力。

1 基于概念邏輯的支架構建

為順利開展“大概念”教學，《課程標準》將空洞的、上位的“大概念”逐步劃分為具體的、下位的“重要概念”和“次位概念”?！墩n程標準》規定了概念的范圍和層次，厘清不同概念的內部邏輯關系，將概念剖析為若干要素，將抽象變具體、化繁為簡，為大概念的學習奠定基礎。^［2］因此，教師可為學生提供概念支架，使學生圍繞概念主題，沿概念框架基部逐步提高?；诖?，將“ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”分解成若干個次位概念和一般概念，進而構建概念框架（見圖1）。

2 圖爾敏論證模型下概念構建

《課程標準》提出“生物學課程要求學生主動參與學習，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成科學思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習及創新實踐能力”。使用恰當的科學概念或原理建立證據和主張之間的邏輯關系，運用科學論證是構建微概念的重要教學策略。論證教學模式以圖爾敏論證模型為理論基礎，分為基礎模式（主張、資料、根據）和拓展模式（主張、資料、根據、限定、反駁、支持）（見圖2）。^［3］

《課程標準》對“細胞的能量‘貨幣’ATP”一節提出的內容要求為：解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。教學重難點為：ATP化學組成結構及其在能量代謝中的作用；通過ATP與ADP相互轉化的特點，解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。教材為本節內容提供實驗探究活動及大量相關資料，為了突破教學重難點，本文借助圖爾敏論證模型設計四個論證活動，將學生已有的概念進行轉變，在新舊概念之間通過論證活動建立聯系，引導學生建立科學概念。

2.1 論證概念要素一：ATP是直接能源物質

教師播放“囊螢映雪的故事”視頻，并提出問題：螢火蟲發光需要消耗能量嗎？細胞內哪些物質有可能為螢火蟲發光提供能量？學生根據已有知識回答：細胞內的儲能物質——脂肪；細胞生命活動所需要的主要能源物質——葡萄糖；為主動運輸提供能量的物質——ATP，并提出不同的觀點。教師給學生提供螢火蟲的發光原理資料：螢火蟲的尾部發光細胞中有熒光素和熒光素酶。熒光素接受能量后被激活，在熒光素酶的催化作用下與氧發生化學反應，形成氧化熒光素發光。將搗碎的螢火蟲發光器分別裝入A、B、C、D四支試管中，待熒光消失后，分別向A、B、C、D四支試管中依次加入蒸餾水、葡萄糖溶液、脂肪溶液、ATP溶液各5 mL，混合均勻，其發光實驗結果見表1。

教師引導學生思考熒光消失后加入不同測試物質的原因，分析由實驗現象得到的實驗結論，根據實驗結論論證觀點，確立主張：ATP是直接能源物質，可為螢火蟲的發光器提供能量使其發光。教師繼續補充資料：研究發現若不把螢火蟲尾部磨成粉末，加入能源物質葡萄糖后，也能發出熒光。教師提出問題：該實驗結果說明什么？學生通過分析進一步完善自己的主張：ATP是直接能源物質，在細胞內葡萄糖可轉化為ATP，直接為生命活動供能（見圖3）。

2.2 論證概念要素二：ATP結構適于直接供能

經研究發現螢火蟲等許多昆蟲的干重含蛋白質60%左右，糖類和脂肪一般不到20%，而ATP通常不到0.6%。教師提問：為什么螢火蟲會選擇含量最少的ATP來直接供能？從而引出ATP的結構與供能相適應，開展ATP結構特點的探究。

教師提供資料：腺嘌呤核糖核苷酸是RNA的基本組成單位之一，又稱腺苷一磷酸（AMP），結構簡式表示為A—P。教師展示AMP和ATP的化學結構式并提出問題串：AMP與ATP的結構式區別？AMP中的A與ATP中的A是否代表同種物質？說出ATP的中文名稱。利用提供是ATP結構圖片，嘗試構建ATP的結構簡式。學生根據資料證據說出ATP稱為腺苷三磷酸，類比AMP初步構建出結構簡式。教師接著引導學生質疑：ATP中磷酸與核糖之間形成的化學鍵與AMP結構里的化學鍵是否同樣穩定？教師繼續提供資料：兩個相鄰的磷酸基團都帶負電荷，相互排斥使得這種化學鍵不穩定，容易斷裂，末端的磷酸基團還具有較高的轉移勢能。教師又提供資料有關DNA分子的研究中，常用³²P來標記DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP（d表示脫氧）上三個磷酸基團所處的位置（A—P～P～P或dA—P～P～P）。某種酶可以催化ATP的一個磷酸基團轉移到DNA末端上，若用該酶把³²P標記到DNA末端上，同時產生ADP，那么帶有³²P的磷酸基團應出現在γ位。教師接著提供資料：ATP水解的過程就是的釋放能量的過程，1 mol ATP水解能量高達30.54 kJ。學生根據資料可修正ATP的結構簡式，通過推理與論證（見圖4），得出初步主張：ATP結構適于直接供能，ATP是一種高能磷酸化合物。

2.3 論證概念要素三： 細胞通過ATP與ADP的相互轉化保證能量的持續供應

螢火蟲持續發出熒光需要能量的持續供應，導致ATP大量消耗。教師提問：微量的ATP如何能持續的供給螢火蟲能量？教師提供資料：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中的ATP，發現其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團已帶上放射性標記。教師接著提供資料：人體內約有0.5 kg ATP。成年人細胞內ATP和ADP的總量僅有2～10 mg。一個成年人一天在靜止狀態下所消耗的ATP為48 kg，在緊張活動的情況下，ATP的消耗可達0.5 kg/min。學生根據資料推理與論證，得出初步主張：細胞通過ATP與ADP的相互轉化保證能量的持續供應。

2.4 論證概念要素四：ATP通過水解提供能量

新教材對ATP供能機理的描述修改為“ATP末端磷酸基團具有較高的轉移勢能”和“脫離下來的末端磷酸基團挾能量與其他分子結合，從而使后者發生變化”等表述，ATP水解釋放能量如何用于各種生命活動？教師提供ATP作用于肌肉收縮的機制：ATP分子的一部分，磷?；⒔沽柞；?、腺苷酸部分（AMP）首先被轉移到底物分子或酶中的一個氨基酸殘基上，變成共價地與底物或酶連接。接著被轉移的含磷酸部分被置換，產生Pi、PPi或AMP（見圖5）。^［4］教師引導學生總結兩個實例表示ATP的供能機理，形成自己的理解。

回到本節課最初螢火蟲發光的情境，教師提供資料：螢火蟲利用ATP降解為 AMP和PPi作為發光的能源（見圖6）。學生通過上述論證逐漸完善主張（見圖7）。

2.5 “ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”概念論證整合模型

“細胞中的能量‘貨幣’ATP”本節內容概念構建過程分為四個論證環節，經過提供資料—分析根據—提供證據—推理論證—得出主張的圖爾敏論證模型構建次位概念。同時，教師引導學生根據提出的問題，通過分析事實和證據資料，在論證和質疑過程中得出正確的主張，逐步構建重要概念，培養學生的證據意識與批判性思維（見圖9）。

3 教學反思

3.1 基于圖爾敏論證模型教學，加深概念理解

教師開展論證活動之前，首先需要明確論證的主題，即需要解決的問題。從解決問題出發，引導學生根據所提供的資料初步明確論證主張?；趯嶒?、事實或實例資料等進行探究與分析，圍繞概念主題逐步構建、加深對知識的深度理解。明確主張后，教師可繼續引導學生對新主張的應用進行反復的論證與質疑。在此過程中，使學生更加明確概念層級的構建是通過大量資料的邏輯推理得到的，進而理解知識之間的內在聯系。

3.2 創設多種論證活動，促進概念構建

基于提升學生的科學思維進行論證教學后，學生對概念的構建有了更深的認識。教師根據論證概念主題選擇性地提供資料，引導學生思考材料與主張之間深層次的聯系。概念層級的構建與科學論證過程遵循著相似的路徑，其中概念分解支架為科學論證提供了論證主題與思路，科學論證為概念教學明確了基本結構。

3.3 巧妙設計問題，提升學科核心素養

將圖爾敏論證教學模型應用于高中生物學教學實踐，根據提供的事實資料設計層層深入的問題，驅動學生對各種證據進行推理與論證，發展學生的科學探究能力與科學思維。圖爾敏論證教學模型還強調對主張的支持與反駁過程，使學生體會生物學概念是在修正與完善中形成的，幫助學生在分析論證的過程中培養批判性思維。

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， 2020．

［2］劉恩山. 中學生物學教學中概念的表述與傳遞［J］. 中學生物學， 2011，27（1）：3-5．

［3］李镕靈， 黃秋燕， 黃惠妮. 基于Toulmin（圖爾敏）論證模型培養高中生的生物科學思維能力［J］. 廣西教育， 2018（46）：44-45+53．

［4］王鏡巖， 朱圣庚.生物化學（第三版）［M］.高等教育出版社，2007．