“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”中核心概念A(yù)TP的建模

王岸青

摘 要 以探究實(shí)驗(yàn)ATP的功能為課堂鍥入點(diǎn)，通過(guò)多維度的學(xué)習(xí)活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行ATP建模，感悟生命科學(xué)中“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的觀點(diǎn)，進(jìn)行理性思維，關(guān)注學(xué)生生物核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 ATP 實(shí)驗(yàn)探究 建模 理性思維 核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

ATP是生命的直接供能物質(zhì)，下面以探究實(shí)驗(yàn)ATP的功能為引領(lǐng)，有策略地設(shè)計(jì)多維度的學(xué)習(xí)活動(dòng)。學(xué)生在掌握ATP的功能、結(jié)構(gòu)、ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化及此過(guò)程中能量的來(lái)源和去路等知識(shí)時(shí)，完成核心概念“能量的通貨——ATP”建模之后，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了以ATP為中心的“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”這一上位核心概念的頂層建構(gòu)。通過(guò)真實(shí)的科學(xué)探究和建模，促使學(xué)生以ATP為例，從分子水平深刻理解“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”這一生命生物的重要觀點(diǎn)，滲透理性思維的發(fā)展，借此來(lái)具體踐行科學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

1 “細(xì)胞的直接供能物”——實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)科學(xué)探究

實(shí)驗(yàn)探究的最大優(yōu)點(diǎn)在于，學(xué)生能在真實(shí)的情境中對(duì)一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題，饒有興趣地展開一次真實(shí)的探究之旅，避免了因缺乏感性體驗(yàn)造成的對(duì)抽象知識(shí)的認(rèn)知困難（如本文“ATP能為生命直接供能”）。所以，筆者在教學(xué)活動(dòng)中針對(duì)性地設(shè)置了課前實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)——“細(xì)胞的直接供能物”，在每班選一個(gè)學(xué)生小組（4、5名志愿者）執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)探究遵循“基于原有認(rèn)知和邏輯、巧妙推理、大膽假設(shè)、精巧實(shí)證”的整體思路。

1.1 實(shí)驗(yàn)課題準(zhǔn)備

1.1.1 課題引出

教師設(shè)置問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生探討：

① 生命活動(dòng)（如肌肉收縮、大腦思考、螢火蟲發(fā)光等）所需的前提條件是什么？

② 生命活動(dòng)所需能量哪里來(lái)？

③ 細(xì)胞中各種化合物中哪一種可能是細(xì)胞的直接供能物質(zhì)？

學(xué)生由淺入深進(jìn)行思考、討論：生命活動(dòng)需要能量，聯(lián)想到提供能量的結(jié)構(gòu)（如線粒體）和物質(zhì)（如糖類、脂肪等），進(jìn)而排除了直接供能物質(zhì)是淀粉、糖原、纖維素（都不具普遍性）、脂肪（儲(chǔ)能物質(zhì)）的可能性，推測(cè)可能是葡萄糖（主要能源物質(zhì)）、蛋白質(zhì)（生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者）、三磷酸腺苷（百度得知），并決定用科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方案的探討

學(xué)生逐一對(duì)問(wèn)題開展探討：

① 如何驗(yàn)證某種物質(zhì)是直接供能者？討論后的思路：獲取活細(xì)胞，滴加“直接供能物”，觀察細(xì)胞狀態(tài)是否即刻改變。

② 活細(xì)胞中本來(lái)有直接供能物嗎？如果有，需要去掉這個(gè)影響因素嗎？討論后的觀點(diǎn)：有，要去掉，同時(shí)又排除了蛋白質(zhì)（大分子物質(zhì)無(wú)法滴加進(jìn)入細(xì)胞）。

③ 選用什么材料？借助網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)文獻(xiàn)，在“螢火蟲尾”和“牛蛙坐骨神經(jīng)——腓腸肌”兩樣本中，根據(jù)討論選定后者（更易獲得）。教師解析：選用“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”樣本，電刺激后出現(xiàn)肌肉收縮現(xiàn)象，重復(fù)刺激，會(huì)消耗掉原來(lái)的直接供能物，收縮減弱甚至消失（步驟中稱“樣本去能”）；外界補(bǔ)充直接供能物后，一定程度會(huì)恢復(fù)收縮功能。

1.2 實(shí)驗(yàn)：探究“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”的直接供能物質(zhì)

1.2.1 材料

牛蛙“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”樣本、無(wú)糖任氏液、葡萄糖溶液、三磷酸腺苷二鈉溶液、電刺激器等。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果（表1）

1.2.3 結(jié)論

“坐骨神經(jīng)—腓腸肌”可以以三磷酸腺苷為直接供能物質(zhì)。教師闡述三磷酸腺苷可以為各項(xiàng)生命活動(dòng)直接提供能量。

2 形式多樣的多維度學(xué)習(xí)活動(dòng)——建構(gòu)ATP模型

構(gòu)建生物概念離不開觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、比較、分類、歸納、演繹、分析綜合等多種方法。在概念模型建構(gòu)時(shí)，教師要針對(duì)其不同維度的構(gòu)建要素，選取合適的方法展開學(xué)習(xí)活動(dòng)，以更有效地實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)知的轉(zhuǎn)化。

2.1 ATP功能的實(shí)驗(yàn)課題匯報(bào)

2.1.1 互動(dòng)討論

課題準(zhǔn)備部分包括課題引出和實(shí)驗(yàn)方案的思路確定。小組代表用提問(wèn)方式和全班同學(xué)互動(dòng)探討。

2.1.2 報(bào)告

實(shí)驗(yàn)部分學(xué)習(xí)小組自制PPT進(jìn)行解說(shuō)，其中實(shí)驗(yàn)具體的操作、現(xiàn)象用微視頻展示（圖1）。

2.1.3 質(zhì)詢、答辯

此環(huán)節(jié)中，除針對(duì)常規(guī)性技術(shù)問(wèn)題的問(wèn)答，如如何知道選用腓腸肌——坐骨神經(jīng)樣本？無(wú)糖任氏液成分作用是什么？如何控制無(wú)關(guān)變量等更有少數(shù)需進(jìn)一步探究的精彩問(wèn)答。

如教師提問(wèn)：“視頻中，去能后滴加ATP溶液，為何第一次刺激樣本不恢復(fù)收縮，第二次刺激才恢復(fù)？”

學(xué)生回答：“推測(cè)ATP進(jìn)入細(xì)胞需要時(shí)間，具體留待研究”……

2.2 ATP結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的自主學(xué)習(xí)

2.2.1 觀察力訓(xùn)練——ATP的結(jié)構(gòu)

補(bǔ)充ATP結(jié)構(gòu)圖，完成學(xué)案關(guān)于ATP結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)（如基團(tuán)組成、腺苷、化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式等）的填空。教師用幻燈片展示ATP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（圖2），并敘述：遠(yuǎn)離腺苷的高能磷酸鍵易水解（生成ADP）和合成，釋放或吸收能量。

2.2.2 微課學(xué)習(xí)——ATP中能量的來(lái)源、用途

學(xué)生通過(guò)微課學(xué)習(xí)，自主理解ATP水解釋放能量，直接用于各項(xiàng)需能生命活動(dòng)；來(lái)自呼吸、光合作用的能量用于ATP合成。

2.2.3 推理訓(xùn)練——ATP和ADP的轉(zhuǎn)化

依據(jù)資料“細(xì)胞中ATP含量少、消耗量大”的矛盾，學(xué)生推理假設(shè)：酶催化下兩者能相互迅速轉(zhuǎn)化。教師提供資料實(shí)證。

2.3 ATP“能量的通貨”的類比理解

通過(guò)資料“1 mol葡萄糖氧化分解和1 mol ATP水解分別釋放的能量比較；銀行賬戶有100萬(wàn)總額，取現(xiàn)金幾千元實(shí)際使用”的類比，理解能量通貨的意義。

2.4 ATP模型的“做中學(xué)”

以小組為單位，依據(jù)ATP的結(jié)構(gòu)、功能和ADP相互轉(zhuǎn)化及其中能量的來(lái)源去路等重要知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建ATP概念模型圖，選出優(yōu)秀作品展示（圖3），其他組與其進(jìn)行比對(duì)，完善忽略的認(rèn)知盲點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生感悟ATP模型中所反映的“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生命觀點(diǎn)。

2.5 ATP模型的鞏固、反饋

教師將模型構(gòu)成要件轉(zhuǎn)化成填表、判斷等形式加以鞏固，并提出問(wèn)題：“ATP的合成和水解是化學(xué)中的可逆反應(yīng)嗎？”以此問(wèn)題反饋學(xué)生是否真正理解模型。

3 對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究引領(lǐng)下建模的思考

現(xiàn)代建構(gòu)主義理論認(rèn)為：真正理解的認(rèn)知，只能由學(xué)習(xí)者在特定情境下，基于已有的經(jīng)驗(yàn)背景，并通過(guò)主動(dòng)積極的學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程而建構(gòu)起來(lái)。而實(shí)驗(yàn)探索引領(lǐng)的科學(xué)探究以及模型建構(gòu)等多種學(xué)習(xí)方法，在運(yùn)用的過(guò)程中會(huì)充分訓(xùn)練學(xué)生的探究能力，提升學(xué)生理性思維。

3.1 關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思考

3.1.1 創(chuàng)設(shè)情境的真實(shí)性

情境的創(chuàng)設(shè)多種多樣，重要的一條標(biāo)準(zhǔn)是：設(shè)置出學(xué)生極易親身替入的真實(shí)場(chǎng)景，以激發(fā)其濃厚的學(xué)習(xí)興趣。前述中涉及的問(wèn)題探討深入淺出、科學(xué)實(shí)驗(yàn)新奇易懂、手機(jī)視頻直觀真實(shí)，引導(dǎo)課堂中所有學(xué)生都投身其中。因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)良好互動(dòng)，在平和輕松、樂觀積極的狀態(tài)下，完成整個(gè)課題的匯報(bào)時(shí)，全班學(xué)生都不由自主鼓起掌來(lái)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)探究的完整性

經(jīng)過(guò)探究，學(xué)生對(duì)課題研究的全流程有了全面、較深刻的了解：爭(zhēng)論和探討使其明白了課題的問(wèn)題如何提出、實(shí)驗(yàn)方案如何討論確定，“笑談一只蛙兩條腿”過(guò)程使其明白了“對(duì)比試驗(yàn)的巧妙和重要”，在觀察樣本電刺激所產(chǎn)生的收縮現(xiàn)象中使其體會(huì)到生命調(diào)節(jié)的精妙，觀察的細(xì)致，懂得實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的重要性。

3.2 關(guān)于核心概念A(yù)TP的建模的意義

3.2.1 “系統(tǒng)論”的思考體驗(yàn)

學(xué)生小組通過(guò)共同學(xué)習(xí)，逐步建構(gòu)出ATP模型，對(duì)細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用有了整體認(rèn)識(shí)，避免了生物知識(shí)的瑣碎化。更重要的是，學(xué)生體會(huì)了運(yùn)用系統(tǒng)論的思考方法，從多個(gè)維度去探究、認(rèn)識(shí)一個(gè)事物，更好地認(rèn)清其本質(zhì)和特征。ATP概念模型由不同維度的內(nèi)含邏輯聯(lián)系的多個(gè)子內(nèi)容有機(jī)建構(gòu)。如，既然有了這樣的功能，當(dāng)然應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上去探究。教師引導(dǎo)學(xué)生以生物學(xué)為例，體驗(yàn)到系統(tǒng)論的一些最樸素的基本思想。

3.2.2 新的認(rèn)知遷移

建構(gòu)核心概念模型除了幫助學(xué)生避免生物學(xué)知識(shí)理解的瑣碎化、非科學(xué)化，更重要的意義在于可以通過(guò)遷移更好的去同化新知識(shí)。完成以ATP為中心的“細(xì)胞能量的供應(yīng)和利用”核心概念模型的頂層建構(gòu)后，學(xué)生較易自主聯(lián)想，并提出問(wèn)題去研究，如光合作用中，能量根本來(lái)源是光，但光不能直接供能，在什么過(guò)程中光能轉(zhuǎn)化成了ATP中的能量？新合成的ATP用途是什么，其中的能量又到了那里？呼吸作用中，有機(jī)物中的化學(xué)能又是如何轉(zhuǎn)化到ATP中，再為細(xì)胞的生命活動(dòng)直接供能？呼吸作用消耗的有機(jī)物和能量根本上來(lái)源于光合作用嗎？等。

3.3 反復(fù)運(yùn)用教學(xué)策略，強(qiáng)化理性思維培養(yǎng)

教師可將該教學(xué)思路和策略運(yùn)用于多個(gè)類似專題，如“細(xì)胞膜”“細(xì)胞器”“捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)”等。

總之，科學(xué)探究作為一種學(xué)習(xí)方法，應(yīng)該包含問(wèn)題的提出、實(shí)驗(yàn)探究方案的確定、方案執(zhí)行、學(xué)習(xí)資料查找和自主學(xué)習(xí)等完整環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。在平時(shí)的課堂，雖常用探究、建模等學(xué)習(xí)方法，但教師常對(duì)自認(rèn)為的某些重要環(huán)節(jié)強(qiáng)化訓(xùn)練，忽略甚至嚴(yán)重缺失次要環(huán)節(jié)（如過(guò)于強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)，忽略針對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的探討和深度思考；又如用現(xiàn)成視頻來(lái)替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究），導(dǎo)致學(xué)生對(duì)探究學(xué)習(xí)、建模等學(xué)習(xí)方法的完整流程缺少真實(shí)體驗(yàn)和深刻感悟。生物學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)該策略性地設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，精研高效美妙的課堂結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、建模等學(xué)習(xí)活動(dòng)發(fā)展學(xué)生理性思維，使學(xué)生感悟生物學(xué)的重要觀點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)生物核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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