圖爾敏論證模型下高中生物學(xué)概念教學(xué)的實(shí)踐研究

摘 要：本文采用圖爾敏論證模型，構(gòu)建“ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)”重要概念，進(jìn)行實(shí)證與概念教學(xué)研究，以期促進(jìn)學(xué)生對概念的深度理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：圖爾敏論證模型；概念教學(xué)；實(shí)踐研究

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

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

1 基于概念邏輯的支架構(gòu)建

為順利開展“大概念”教學(xué)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了概念的范圍和層次，厘清不同概念的內(nèi)部邏輯關(guān)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(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。^［2］因此，教師可為學(xué)生提供概念支架，使學(xué)生圍繞概念主題，沿概念框架基部逐步提高?；诖耍瑢ⅰ癆TP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)”分解成若干個(gè)次位概念和一般概念，進(jìn)而構(gòu)建概念框架（見圖1）。

2 圖爾敏論證模型下概念構(gòu)建

《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“生物學(xué)課程要求學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力”。使用恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)概念或原理建立證據(jù)和主張之間的邏輯關(guān)系，運(yùn)用科學(xué)論證是構(gòu)建微概念的重要教學(xué)策略。論證教學(xué)模式以圖爾敏論證模型為理論基礎(chǔ)，分為基礎(chǔ)模式（主張、資料、根據(jù)）和拓展模式（主張、資料、根據(jù)、限定、反駁、支持）（見圖2）。^［3］

《課程標(biāo)準(zhǔn)》對“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”一節(jié)提出的內(nèi)容要求為：解釋ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)。教學(xué)重難點(diǎn)為：ATP化學(xué)組成結(jié)構(gòu)及其在能量代謝中的作用；通過ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，解釋ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)。教材為本節(jié)內(nèi)容提供實(shí)驗(yàn)探究活動及大量相關(guān)資料，為了突破教學(xué)重難點(diǎn)，本文借助圖爾敏論證模型設(shè)計(jì)四個(gè)論證活動，將學(xué)生已有的概念進(jìn)行轉(zhuǎn)變，在新舊概念之間通過論證活動建立聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生建立科學(xué)概念。

2.1 論證概念要素一：ATP是直接能源物質(zhì)

教師播放“囊螢映雪的故事”視頻，并提出問題：螢火蟲發(fā)光需要消耗能量嗎？細(xì)胞內(nèi)哪些物質(zhì)有可能為螢火蟲發(fā)光提供能量？學(xué)生根據(jù)已有知識回答：細(xì)胞內(nèi)的儲能物質(zhì)——脂肪；細(xì)胞生命活動所需要的主要能源物質(zhì)——葡萄糖；為主動運(yùn)輸提供能量的物質(zhì)——ATP，并提出不同的觀點(diǎn)。教師給學(xué)生提供螢火蟲的發(fā)光原理資料：螢火蟲的尾部發(fā)光細(xì)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化熒光素發(fā)光。將搗碎的螢火蟲發(fā)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(fā)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考熒光消失后加入不同測試物質(zhì)的原因，分析由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論論證觀點(diǎn)，確立主張：ATP是直接能源物質(zhì)，可為螢火蟲的發(fā)光器提供能量使其發(fā)光。教師繼續(xù)補(bǔ)充資料：研究發(fā)現(xiàn)若不把螢火蟲尾部磨成粉末，加入能源物質(zhì)葡萄糖后，也能發(fā)出熒光。教師提出問題：該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明什么？學(xué)生通過分析進(jìn)一步完善自己的主張：ATP是直接能源物質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)葡萄糖可轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)適于直接供能

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)螢火蟲等許多昆蟲的干重含蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)與供能相適應(yīng)，開展ATP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)簡式表示為A—P。教師展示AMP和ATP的化學(xué)結(jié)構(gòu)式并提出問題串：AMP與ATP的結(jié)構(gòu)式區(qū)別？AMP中的A與ATP中的A是否代表同種物質(zhì)？說出ATP的中文名稱。利用提供是ATP結(jié)構(gòu)圖片，嘗試構(gòu)建ATP的結(jié)構(gòu)簡式。學(xué)生根據(jù)資料證據(jù)說出ATP稱為腺苷三磷酸，類比AMP初步構(gòu)建出結(jié)構(gòu)簡式。教師接著引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：ATP中磷酸與核糖之間形成的化學(xué)鍵與AMP結(jié)構(gòu)里的化學(xué)鍵是否同樣穩(wěn)定？教師繼續(xù)提供資料：兩個(gè)相鄰的磷酸基團(tuán)都帶負(fù)電荷，相互排斥使得這種化學(xué)鍵不穩(wěn)定，容易斷裂，末端的磷酸基團(tuán)還具有較高的轉(zhuǎn)移勢能。教師又提供資料有關(guān)DNA分子的研究中，常用³²P來標(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—P～P～P或dA—P～P～P）。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，若用該酶把³²P標(biāo)記到DNA末端上，同時(shí)產(chǎn)生ADP，那么帶有³²P的磷酸基團(tuán)應(yīng)出現(xiàn)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(dá)30.54 kJ。學(xué)生根據(jù)資料可修正ATP的結(jié)構(gòu)簡式，通過推理與論證（見圖4），得出初步主張：ATP結(jié)構(gòu)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(xì)胞通過ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化保證能量的持續(xù)供應(yīng)

螢火蟲持續(xù)發(fā)出熒光需要能量的持續(xù)供應(yīng)，導(dǎo)致ATP大量消耗。教師提問：微量的ATP如何能持續(xù)的供給螢火蟲能量？教師提供資料：在某細(xì)胞培養(yǎng)液中加入³²P標(biāo)記的磷酸分子，短時(shí)間內(nèi)分離出細(xì)胞中的ATP，發(fā)現(xiàn)其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團(tuán)已帶上放射性標(biāo)記。教師接著提供資料：人體內(nèi)約有0.5 kg ATP。成年人細(xì)胞內(nèi)ATP和ADP的總量僅有2～10 mg。一個(gè)成年人一天在靜止?fàn)顟B(tài)下所消耗的ATP為48 kg，在緊張活動的情況下，ATP的消耗可達(dá)0.5 kg/min。學(xué)生根據(jù)資料推理與論證，得出初步主張：細(xì)胞通過ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化保證能量的持續(xù)供應(yīng)。

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(jī)理的描述修改為“ATP末端磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢能”和“脫離下來的末端磷酸基團(tuán)挾能量與其他分子結(jié)合，從而使后者發(fā)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(jī)制：ATP分子的一部分，磷?；?、焦磷?；?、腺苷酸部分（AMP）首先被轉(zhuǎn)移到底物分子或酶中的一個(gè)氨基酸殘基上，變成共價(jià)地與底物或酶連接。接著被轉(zhuǎn)移的含磷酸部分被置換，產(chǎn)生Pi、PPi或AMP（見圖5）。^［4］教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)兩個(gè)實(shí)例表示ATP的供能機(jī)理，形成自己的理解。

回到本節(jié)課最初螢火蟲發(fā)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(fā)光的能源（見圖6）。學(xué)生通過上述論證逐漸完善主張（見圖7）。

2.5 “ATP是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)”概念論證整合模型

“細(xì)胞中的能量‘貨幣’ATP”本節(jié)內(nèi)容概念構(gòu)建過程分為四個(gè)論證環(huán)節(jié)，經(jīng)過提供資料—分析根據(jù)—提供證據(jù)—推理論證—得出主張的圖爾敏論證模型構(gòu)建次位概念。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)提出的問題，通過分析事實(shí)和證據(jù)資料，在論證和質(zhì)疑過程中得出正確的主張，逐步構(gòu)建重要概念，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識與批判性思維（見圖9）。

3 教學(xué)反思

3.1 基于圖爾敏論證模型教學(xué)，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(fā)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所提供的資料初步明確論證主張。基于對實(shí)驗(yàn)、事實(shí)或?qū)嵗Y料等進(jìn)行探究與分析，圍繞概念主題逐步構(gòu)建、加深對知識的深度理解。明確主張后，教師可繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生對新主張的應(yīng)用進(jìn)行反復(fù)的論證與質(zhì)疑。在此過程中，使學(xué)生更加明確概念層級的構(gòu)建是通過大量資料的邏輯推理得到的，進(jìn)而理解知識之間的內(nèi)在聯(lián)系。

3.2 創(chuàng)設(shè)多種論證活動，促進(jìn)概念構(gòu)建

基于提升學(xué)生的科學(xué)思維進(jìn)行論證教學(xué)后，學(xué)生對概念的構(gòu)建有了更深的認(rèn)識。教師根據(jù)論證概念主題選擇性地提供資料，引導(dǎo)學(xué)生思考材料與主張之間深層次的聯(lián)系。概念層級的構(gòu)建與科學(xué)論證過程遵循著相似的路徑，其中概念分解支架為科學(xué)論證提供了論證主題與思路，科學(xué)論證為概念教學(xué)明確了基本結(jié)構(gòu)。

3.3 巧妙設(shè)計(jì)問題，提升學(xué)科核心素養(yǎng)

將圖爾敏論證教學(xué)模型應(yīng)用于高中生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐，根據(jù)提供的事實(shí)資料設(shè)計(jì)層層深入的問題，驅(qū)動學(xué)生對各種證據(jù)進(jìn)行推理與論證，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力與科學(xué)思維。圖爾敏論證教學(xué)模型還強(qiáng)調(diào)對主張的支持與反駁過程，使學(xué)生體會生物學(xué)概念是在修正與完善中形成的，幫助學(xué)生在分析論證的過程中培養(yǎng)批判性思維。

參考文獻(xiàn)

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