基于模型與建模的生物高考復(fù)習(xí)教學(xué)研究

林靖

［摘 要］文章以模型建構(gòu)為主線落實(shí)“細(xì)胞的能量‘貨幣ATP”的三個(gè)考點(diǎn)的復(fù)習(xí)。首先，通過(guò)建立概念模型和物理模型的方法梳理考點(diǎn)一“ATP的結(jié)構(gòu)”和考點(diǎn)二“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”，并借助已建構(gòu)的模型，利用類(lèi)比推理的方法進(jìn)行NTP與dNTP知識(shí)的遷移與應(yīng)用；其次，通過(guò)完善以ATP為關(guān)鍵詞的有關(guān)細(xì)胞能量代謝的概念模型與建立解題范式，幫助學(xué)生理解與掌握考點(diǎn)三“ATP的利用”。

［關(guān)鍵詞］模型與建模；生物高考復(fù)習(xí)；ATP

［中圖分類(lèi)號(hào)］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）08-0082-04

一、教學(xué)背景

“細(xì)胞與能量”是高中生物中重要的知識(shí)模塊，也是引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)細(xì)胞的分子的基礎(chǔ)上理解細(xì)胞內(nèi)部微觀生命活動(dòng)的本質(zhì)，形成正確的物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀的重要知識(shí)載體。ATP作為細(xì)胞的直接能源物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞能量代謝的基礎(chǔ)，是“細(xì)胞與能量”模塊的關(guān)鍵知識(shí)。

近年來(lái)，高考全國(guó)卷生物試題中ATP及其相關(guān)知識(shí)在選擇題與非選擇題中頻頻出現(xiàn)。本文對(duì)近三年部分省/市高考生物卷及全國(guó)卷生物試題中考查ATP相關(guān)知識(shí)的試題進(jìn)行分析與整理（如表1）。

多數(shù)高考生物卷在選擇題中綜合考查了ATP的相關(guān)知識(shí)，而2021年高考全國(guó)甲卷生物試題第30題改變了傳統(tǒng)的考查方式，以DNA與脫氧腺苷三磷酸（dATP）分子作為知識(shí)情境載體，要求學(xué)生建構(gòu)出ATP與DNA的結(jié)構(gòu)模型，借助類(lèi)比推理的方法分析比較兩者結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力與邏輯推理能力。當(dāng)前，高中生物教學(xué)注重讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中獲取知識(shí)，倡導(dǎo)通過(guò)建構(gòu)模型將微觀抽象的生物知識(shí)或規(guī)律實(shí)物化、具體化。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，有效運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法分析解決問(wèn)題，幫助學(xué)生逐步發(fā)展科學(xué)思維［1］。在生物高考復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師應(yīng)積極采用模型建構(gòu)的教學(xué)策略，以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。本文重點(diǎn)論述如何以模型建構(gòu)為主線落實(shí)“細(xì)胞的能量‘貨幣ATP”的三個(gè)考點(diǎn)的復(fù)習(xí)。

二、教學(xué)實(shí)施

環(huán)節(jié)一：導(dǎo)入情境，感知考點(diǎn)

在生物高考復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師應(yīng)讓學(xué)生明確教材中不同章節(jié)內(nèi)容的考點(diǎn)定位。在“細(xì)胞的能量‘貨幣ATP”的復(fù)習(xí)課中，教師可以一道不定項(xiàng)選擇題為知識(shí)載體，導(dǎo)入情境，引導(dǎo)學(xué)生感知考點(diǎn)。此不定項(xiàng)選擇題的內(nèi)容考查匹配ATP的三個(gè)考點(diǎn)，即考點(diǎn)一“ATP的結(jié)構(gòu)”、考點(diǎn)二“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”、考點(diǎn)三“ATP的利用”。教師在引導(dǎo)學(xué)生判斷選項(xiàng)正誤時(shí)，要求學(xué)生在教材中查找對(duì)應(yīng)考點(diǎn)的來(lái)源，幫助學(xué)生梳理ATP內(nèi)容的復(fù)習(xí)邏輯與思路。

【不定項(xiàng)選擇題】 ATP是細(xì)胞的能量“通貨”，下列關(guān)于ATP的敘述錯(cuò)誤的是（）。

A.由1個(gè)脫氧核糖、1個(gè)腺嘌呤和3個(gè)磷酸基團(tuán)組成

B.分子中磷酸基團(tuán)之間相連的化學(xué)鍵稱為特殊化學(xué)鍵

C.在水解酶的作用下可不斷地合成和水解

D.釋放的能量可用于肌肉收縮、興奮傳導(dǎo)等活動(dòng)

環(huán)節(jié)二： 聚焦原模，落實(shí)考點(diǎn)

考點(diǎn)一：ATP的結(jié)構(gòu)

ATP的知識(shí)框架包含ATP的中文名稱、元素組成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式、能量?jī)?chǔ)存的位置等知識(shí)內(nèi)容，教師可以結(jié)合ATP的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容與學(xué)生一起建立概念模型（如圖1），由此開(kāi)啟復(fù)習(xí)進(jìn)程，逐步落實(shí)三個(gè)考點(diǎn)的復(fù)習(xí)。

教師可依托學(xué)案引導(dǎo)學(xué)生使用矩形、圓形、五邊形（分別代表腺嘌呤、核糖、磷酸基團(tuán)）以及線條自主繪圖建構(gòu)ATP的結(jié)構(gòu)原模型（如圖2）。

學(xué)生在繪圖時(shí)往往存在兩個(gè)誤區(qū)：（1）直接使用直線將磷酸基團(tuán)與核糖的4′號(hào)碳相連，而忽略了核糖與磷酸基團(tuán)之間存在5′號(hào)碳；（2）將核糖的5′號(hào)碳的曲線折點(diǎn)繪于腺嘌呤與核糖之間?；诖?，待學(xué)生完成繪圖后教師可選取部分學(xué)生繪制的結(jié)構(gòu)原模型進(jìn)行展示，并要求學(xué)生口頭表述圖形結(jié)構(gòu)所表示的含義。

通過(guò)建立ATP的結(jié)構(gòu)原模型，一方面可加深學(xué)生對(duì)分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的空間感，引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比與辨析RNA與ATP結(jié)構(gòu)中共同含有的“A”的差異；另一方面可為考點(diǎn)二“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”的復(fù)習(xí)做好鋪墊。

考點(diǎn)二和考點(diǎn)三：“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”及“ATP的利用”

ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的能量供應(yīng)機(jī)制，是時(shí)刻不停地發(fā)生并且處于動(dòng)態(tài)平衡之中的。在復(fù)習(xí)此內(nèi)容時(shí)，教師可以在ATP與ADP的結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上補(bǔ)充完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量與物質(zhì)的變化，讓學(xué)生直觀地理解ATP與ADP在不同的條件下可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。教材的插圖容易讓學(xué)生認(rèn)為ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程是可逆的，對(duì)此教師可提出問(wèn)題：ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程所需的酶是同一種酶嗎？ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程是否可逆？學(xué)生認(rèn)真思考并借助教材插圖，很快理解了ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程所需的酶不同：ATP的合成需要ATP合成酶，ATP的水解需要ATP水解酶。最后，教師可要求學(xué)生在學(xué)案中默寫(xiě)出ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的表達(dá)式（如圖3）。

教師通過(guò)問(wèn)題“ATP是細(xì)胞的直接能源物質(zhì)，那么合成ATP的能量來(lái)自哪里呢？”引導(dǎo)學(xué)生思考。學(xué)生通過(guò)思考問(wèn)題以及閱讀教材，分析出ATP合成時(shí)所需的能量可來(lái)自光合作用與呼吸作用。教師接著呈現(xiàn)光合作用與呼吸作用的過(guò)程模式圖，引導(dǎo)學(xué)生嘗試?yán)斫猓焊鞣磻?yīng)中的葡萄糖、光、ATP均是能量的載體，在呼吸作用中葡萄糖中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學(xué)能，以供給細(xì)胞內(nèi)的吸能反應(yīng)所使用；在光合作用的光反應(yīng)中光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能并儲(chǔ)存在ATP中，而在暗反應(yīng)中ATP中的活躍化學(xué)能則轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能并儲(chǔ)存在糖類(lèi)中。這樣不僅能讓學(xué)生理解教材中呈現(xiàn)的ATP合成時(shí)能量來(lái)源的示意圖，還能讓學(xué)生理解ATP合成過(guò)程中的能量不是特定的，而是可轉(zhuǎn)化的。

ATP的合成、水解和細(xì)胞呼吸作用中的放能、吸能反應(yīng)一直是學(xué)生的困惑點(diǎn)，對(duì)此教師可借助教材中細(xì)胞呼吸的三個(gè)階段需要釋放能量，及離子通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)跨膜等生理過(guò)程需要消耗能量，來(lái)幫助學(xué)生總結(jié)得出以下結(jié)論：ATP水解時(shí)釋放的能量可用于細(xì)胞內(nèi)的吸能反應(yīng)，細(xì)胞內(nèi)許多放能反應(yīng)釋放的能量?jī)?chǔ)存在ATP中，從而引導(dǎo)學(xué)生完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的來(lái)源與去路的模式圖（如圖4）。

環(huán)節(jié)三：運(yùn)用原模，拓展延伸

近幾年高考生物試題多次對(duì)ATP進(jìn)行延伸考查。高考生物試題在注重考查基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，著重考查學(xué)生靈活調(diào)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力。因此，在生物高考復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師可創(chuàng)設(shè)試題情境，讓學(xué)生借助已建構(gòu)的模型對(duì)試題進(jìn)行分析、推理與作答。如可選擇2016年高考全國(guó)Ⅰ卷生物試題第29題第（1）、（2）問(wèn)及2021年高考全國(guó)甲卷生物試題第30題第（1）問(wèn)作為試題情境1和試題情境2，對(duì)ATP的結(jié)構(gòu)進(jìn)行“原?！睉?yīng)用訓(xùn)練。試題情境1的第（1）問(wèn)考查學(xué)生對(duì)ATP的結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)知程度；試題情境1的第（2）問(wèn)與試題情境2通過(guò)不同的設(shè)問(wèn)方式考查學(xué)生對(duì)dATP與DNA的基本單位的結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)的掌握情況，幫助學(xué)生在宏觀與微觀的相互切換中將看不見(jiàn)、摸不著的微觀問(wèn)題宏觀化，利用微觀知識(shí)去探尋宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)原因，同時(shí)深化學(xué)生對(duì)ATP的科學(xué)概念的理解，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)論述題答題表述的訓(xùn)練。

試題情境1：（2016年高考全國(guó)Ⅰ卷生物試題第29題節(jié)選）在有關(guān)DNA分子的研究中，常用32P來(lái)標(biāo)記DNA分子，用[α]、 [β]和[γ]表示ATP或dATP（d表示脫氧）上三個(gè)磷酸基團(tuán)所處的位置（A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ）?；卮鹣铝袉?wèn)題：

（1）某種酶可以催化ATP的一個(gè)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到DNA末端上，同時(shí)產(chǎn)生ADP。若要用該酶把32P標(biāo)記到DNA末端上，那么帶有32P的磷酸基團(tuán)應(yīng)在ATP的? ? ? ? ? ? ? ? （填“α”“β”或γ”）位上。

（2）若用帶有32P的dATP作為DNA生物合成的原料，將32P標(biāo)記到新合成的DNA分子上，則帶有32P的磷酸基團(tuán)應(yīng)在dATP的? ? ? ? ? ? ? ? （填“α”“β”或γ”）位上。

試題情境2：（2021年高考全國(guó)甲卷生物試題第30題節(jié)選）用一段由放射性同位素標(biāo)記的DNA片段可以確定基因在染色體上的位置。某研究人員使用放射性同位素32P標(biāo)記的脫氧腺苷三磷酸（dATP，dA—Pα～Pβ～Pγ）等材料制備了DNA片段甲（單鏈），對(duì)W基因在染色體上的位置進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)流程的示意圖如下。

回答下列問(wèn)題：

（1）該研究人員在制備32p標(biāo)記的DNA片段甲時(shí)，所用dATP的α位磷酸基團(tuán)中的磷必須是32P，原因是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

通過(guò)以上試題訓(xùn)練，學(xué)生已熟知ATP結(jié)構(gòu)中的“A”代表腺苷，但會(huì)產(chǎn)生這樣的困惑：能否將A替換成G、C、U，甚至是T呢？因此，在生物高考復(fù)習(xí)教學(xué)中教師有必要為學(xué)生拓展NTP與dNTP的相關(guān)知識(shí)，并利用類(lèi)比推理的方法引導(dǎo)學(xué)生將ATP的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行初步分解、替換。如學(xué)生已經(jīng)了解腺苷包含核糖與腺嘌呤，由此類(lèi)推將堿基腺嘌呤替換為鳥(niǎo)嘌呤，則該物質(zhì)應(yīng)命名為鳥(niǎo)苷；同理也存在胞苷和尿苷結(jié)構(gòu)。那是否存在胸苷呢？教師可借助核酸的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生推斷出胸腺嘧啶不能與核糖結(jié)合，因此不存在胸苷，但胸腺嘧啶能與脫氧核糖結(jié)合形成脫氧胸苷。

ATP是腺苷與三個(gè)磷酸基團(tuán)結(jié)合形成的，故命名為腺苷三磷酸，教師可引導(dǎo)學(xué)生再以此進(jìn)行類(lèi)比推理，如鳥(niǎo)苷與三個(gè)磷酸基團(tuán)結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)命名為鳥(niǎo)苷三磷酸（GTP）；脫氧胸苷與三個(gè)磷酸基團(tuán)結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)命名為脫氧胸苷三磷酸（dTTP）；等等。教師最后總結(jié)歸納，并通過(guò)下面的試題訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)ATP知識(shí)的應(yīng)用，為學(xué)生補(bǔ)充“ATP不是細(xì)胞內(nèi)唯一的直接能源物質(zhì)”等知識(shí)。

試題情境3（單選題）：生物體內(nèi)含有ATP、GTP、UTP、CTP等高能磷酸化合物，它們結(jié)構(gòu)上的差異是組成分子的堿基種類(lèi)不同，功能上的差異主要體現(xiàn)在為生命活動(dòng)供能的情況不同（如下表）。下列相關(guān)敘述正確的是（）。

A.蛋白質(zhì)合成過(guò)程中消耗的能量可來(lái)自ATP和GTP

B. UTP三個(gè)高能磷酸鍵斷裂所釋放能量供糖原合成

C. CTP中“C”是由胞嘧啶和脫氧核糖構(gòu)成的

D. 細(xì)胞內(nèi)的吸能反應(yīng)一般與高能磷酸化合物合成相關(guān)

環(huán)節(jié)四： 完善原模，建立解題范式

通過(guò)以上三個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生已完成對(duì)ATP的結(jié)構(gòu)模型與概念模型的建構(gòu)，接著教師借助一道與ATP相關(guān)聯(lián)的細(xì)胞能量代謝類(lèi)試題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)試題情境的思考與判斷，理解本章“細(xì)胞與能量”中的次位概念“細(xì)胞的能量‘貨帀ATP”，并在學(xué)案中構(gòu)建以ATP為關(guān)鍵詞的細(xì)胞能量代謝概念模型（如圖5），以此幫助學(xué)生進(jìn)一步完善對(duì)已有模型的認(rèn)知，體悟知識(shí)體系是以核心關(guān)鍵詞為中心，將有聯(lián)系的知識(shí)系統(tǒng)化整合而成的。

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》明確提出“四翼”要求，即高考考查要注重知識(shí)的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性，倡導(dǎo)價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基的綜合評(píng)價(jià)理念。高考要求學(xué)生學(xué)會(huì)將基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容、模塊內(nèi)容、學(xué)科內(nèi)容融會(huì)貫通，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，即在多元化的試題情境中精準(zhǔn)把握關(guān)鍵信息，靈活調(diào)用頭腦中已建構(gòu)的知識(shí)框架中的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行有效答題。然而學(xué)生在解題時(shí)常發(fā)現(xiàn)，已建構(gòu)的知識(shí)“原模”與題目不符，這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生聚焦原模、運(yùn)用原模、完善原模以及建立解題范式，以此訓(xùn)練與發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課以模型建構(gòu)作為教學(xué)主線，從建構(gòu)ATP概念模型進(jìn)階到建構(gòu)細(xì)胞能量代謝概念模型，多角度剖析了ATP的知識(shí)構(gòu)架以解釋其作為細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)的地位，幫助學(xué)生樹(shù)立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。同時(shí)，借助高考試題對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生在尊重生物學(xué)客觀規(guī)律和事實(shí)的基礎(chǔ)上提取試題情境中的關(guān)鍵信息，運(yùn)用類(lèi)比推理的方法辨析ATP與dATP結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，運(yùn)用邏輯推理的方法拓展NTP與dNTP 的知識(shí)，使學(xué)生在本節(jié)課中體悟到“從生物能量學(xué)的角度來(lái)看，細(xì)胞中化學(xué)性質(zhì)活躍的物質(zhì)不只有ATP”。最后，教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)以ATP為關(guān)鍵詞的細(xì)胞能量代謝概念模型，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到ATP是生化系統(tǒng)的核心，ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化與細(xì)胞內(nèi)各種代謝相耦聯(lián)，掌握“細(xì)胞的能量‘貨幣ATP”這一次位概念，進(jìn)而提升與發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國(guó)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，2020.

［2］? 劉恩山，曹保義.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］? 劉軍，馬建興，吳紅漫，等.高中生物學(xué)新課標(biāo)案例解讀［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2020.

［4］? 教育部考試中心.中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

（責(zé)任編輯 黃春香）