“细胞的能量供应和利用”中核心概念ATP的建模

王岸青

摘 要 以探究实验ATP的功能为课堂锲入点，通过多维度的学习活动引导学生进行ATP建模，感悟生命科学中“结构和功能相适应”的观点，进行理性思维，关注学生生物核心素养的培养。

关键词 ATP 实验探究 建模 理性思维 核心素养

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

ATP是生命的直接供能物质，下面以探究实验ATP的功能为引领，有策略地设计多维度的学习活动。学生在掌握ATP的功能、结构、ATP和ADP的相互转化及此过程中能量的来源和去路等知识时，完成核心概念“能量的通货——ATP”建模之后，同时实现了以ATP为中心的“细胞的能量供应和利用”这一上位核心概念的顶层建构。通过真实的科学探究和建模，促使学生以ATP为例，从分子水平深刻理解“结构和功能相适应”这一生命生物的重要观点，渗透理性思维的发展，借此来具体践行科学核心素养的养成。

1 “细胞的直接供能物”——实验引领科学探究

实验探究的最大优点在于，学生能在真实的情境中对一个真实的问题，饶有兴趣地展开一次真实的探究之旅，避免了因缺乏感性体验造成的对抽象知识的认知困难（如本文“ATP能为生命直接供能”）。所以，笔者在教学活动中针对性地设置了课前实验探究环节——“细胞的直接供能物”，在每班选一个学生小组（4、5名志愿者）执行。实验探究遵循“基于原有认知和逻辑、巧妙推理、大胆假设、精巧实证”的整体思路。

1.1 实验课题准备

1.1.1 课题引出

教师设置问题串，引导学生探讨：

① 生命活动（如肌肉收缩、大脑思考、萤火虫发光等）所需的前提条件是什么？

② 生命活动所需能量哪里来？

③ 细胞中各种化合物中哪一种可能是细胞的直接供能物质？

学生由浅入深进行思考、讨论：生命活动需要能量，联想到提供能量的结构（如线粒体）和物质（如糖类、脂肪等），进而排除了直接供能物质是淀粉、糖原、纤维素（都不具普遍性）、脂肪（储能物质）的可能性，推测可能是葡萄糖（主要能源物质）、蛋白质（生命活动的主要承担者）、三磷酸腺苷（百度得知），并决定用科学实验进行探究。

1.1.2 实验方案的探讨

学生逐一对问题开展探讨：

① 如何验证某种物质是直接供能者？讨论后的思路：获取活细胞，滴加“直接供能物”，观察细胞状态是否即刻改变。

② 活细胞中本来有直接供能物吗？如果有，需要去掉这个影响因素吗？讨论后的观点：有，要去掉，同时又排除了蛋白质（大分子物质无法滴加进入细胞）。

③ 选用什么材料？借助网络查询相关文献，在“萤火虫尾”和“牛蛙坐骨神经——腓肠肌”两样本中，根据讨论选定后者（更易获得）。教师解析：选用“坐骨神经—腓肠肌”样本，电刺激后出现肌肉收缩现象，重复刺激，会消耗掉原来的直接供能物，收缩減弱甚至消失（步骤中称“样本去能”）；外界补充直接供能物后，一定程度会恢复收缩功能。

1.2 实验：探究“坐骨神经—腓肠肌”的直接供能物质

1.2.1 材料

牛蛙“坐骨神经—腓肠肌”样本、无糖任氏液、葡萄糖溶液、三磷酸腺苷二钠溶液、电刺激器等。

1.2.2 实验步骤和结果（表1）

1.2.3 结论

“坐骨神经—腓肠肌”可以以三磷酸腺苷为直接供能物质。教师阐述三磷酸腺苷可以为各项生命活动直接提供能量。

2 形式多样的多维度学习活动——建构ATP模型

构建生物概念离不开观察、实验、调查、比较、分类、归纳、演绎、分析综合等多种方法。在概念模型建构时，教师要针对其不同维度的构建要素，选取合适的方法展开学习活动，以更有效地实现从感性认识到理性认知的转化。

2.1 ATP功能的实验课题汇报

2.1.1 互动讨论

课题准备部分包括课题引出和实验方案的思路确定。小组代表用提问方式和全班同学互动探讨。

2.1.2 报告

实验部分学习小组自制PPT进行解说，其中实验具体的操作、现象用微视频展示（图1）。

2.1.3 质询、答辩

此环节中，除针对常规性技术问题的问答，如如何知道选用腓肠肌——坐骨神经样本？无糖任氏液成分作用是什么？如何控制无关变量等更有少数需进一步探究的精彩问答。

如教师提问：“视频中，去能后滴加ATP溶液，为何第一次刺激样本不恢复收缩，第二次刺激才恢复？”

学生回答：“推测ATP进入细胞需要时间，具体留待研究”……

2.2 ATP结构和特点的自主学习

2.2.1 观察力训练——ATP的结构

补充ATP结构图，完成学案关于ATP结构、化学性质（如基团组成、腺苷、化学键、结构简式等）的填空。教师用幻灯片展示ATP结构特点（图2），并叙述：远离腺苷的高能磷酸键易水解（生成ADP）和合成，释放或吸收能量。

2.2.2 微课学习——ATP中能量的来源、用途

学生通过微课学习，自主理解ATP水解释放能量，直接用于各项需能生命活动；来自呼吸、光合作用的能量用于ATP合成。

2.2.3 推理训练——ATP和ADP的转化

依据资料“细胞中ATP含量少、消耗量大”的矛盾，学生推理假设：酶催化下两者能相互迅速转化。教师提供资料实证。

2.3 ATP“能量的通货”的类比理解

通过资料“1 mol葡萄糖氧化分解和1 mol ATP水解分别释放的能量比较；银行账户有100万总额，取现金几千元实际使用”的类比，理解能量通货的意义。

2.4 ATP模型的“做中学”

以小组为单位，依据ATP的结构、功能和ADP相互转化及其中能量的来源去路等重要知识点，构建ATP概念模型图，选出优秀作品展示（图3），其他组与其进行比对，完善忽略的认知盲点。教师引导学生感悟ATP模型中所反映的“结构和功能相适应”的生命观点。

2.5 ATP模型的巩固、反馈

教师将模型构成要件转化成填表、判断等形式加以巩固，并提出问题：“ATP的合成和水解是化学中的可逆反应吗？”以此问题反馈学生是否真正理解模型。

3 对科学实验探究引领下建模的思考

现代建构主义理论认为：真正理解的认知，只能由学习者在特定情境下，基于已有的经验背景，并通过主动积极的学习活动过程而建构起来。而实验探索引领的科学探究以及模型建构等多种学习方法，在运用的过程中会充分训练学生的探究能力，提升学生理性思维。

3.1 关于科学实验的思考

3.1.1 创设情境的真实性

情境的创设多种多样，重要的一条标准是：设置出学生极易亲身替入的真实场景，以激发其浓厚的学习兴趣。前述中涉及的问题探讨深入浅出、科学实验新奇易懂、手机视频直观真实，引导课堂中所有学生都投身其中。因此，当实验小组通过良好互动，在平和轻松、乐观积极的状态下，完成整个课题的汇报时，全班学生都不由自主鼓起掌来。

3.1.2 实验探究的完整性

经过探究，学生对課题研究的全流程有了全面、较深刻的了解：争论和探讨使其明白了课题的问题如何提出、实验方案如何讨论确定，“笑谈一只蛙两条腿”过程使其明白了“对比试验的巧妙和重要”，在观察样本电刺激所产生的收缩现象中使其体会到生命调节的精妙，观察的细致，懂得实验细节的重要性。

3.2 关于核心概念ATP的建模的意义

3.2.1 “系统论”的思考体验

学生小组通过共同学习，逐步建构出ATP模型，对细胞的能量供应和利用有了整体认识，避免了生物知识的琐碎化。更重要的是，学生体会了运用系统论的思考方法，从多个维度去探究、认识一个事物，更好地认清其本质和特征。ATP概念模型由不同维度的内含逻辑联系的多个子内容有机建构。如，既然有了这样的功能，当然应该从结构上去探究。教师引导学生以生物学为例，体验到系统论的一些最朴素的基本思想。

3.2.2 新的认知迁移

建构核心概念模型除了帮助学生避免生物学知识理解的琐碎化、非科学化，更重要的意义在于可以通过迁移更好的去同化新知识。完成以ATP为中心的“细胞能量的供应和利用”核心概念模型的顶层建构后，学生较易自主联想，并提出问题去研究，如光合作用中，能量根本来源是光，但光不能直接供能，在什么过程中光能转化成了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，有机物中的化学能又是如何转化到ATP中，再为细胞的生命活动直接供能？呼吸作用消耗的有机物和能量根本上来源于光合作用吗？等。

3.3 反复运用教学策略，强化理性思维培养

教师可将该教学思路和策略运用于多个类似专题，如“细胞膜”“细胞器”“捕获光能的色素和结构”等。

总之，科学探究作为一种学习方法，应该包含问题的提出、实验探究方案的确定、方案执行、学习资料查找和自主学习等完整环节的学习活动。在平时的课堂，虽常用探究、建模等学习方法，但教师常对自认为的某些重要环节强化训练，忽略甚至严重缺失次要环节（如过于强调实验操作细节，忽略针对实验方案的探讨和深度思考；又如用现成视频来替代真实的实验探究），导致学生对探究学习、建模等学习方法的完整流程缺少真实体验和深刻感悟。生物学教学中，教师应该策略性地设计教学活动，精研高效美妙的课堂结构，通过实验探究、建模等学习活动发展学生理性思维，使学生感悟生物学的重要观点，以实现生物核心素养的培养。

参考文献：

[1] 林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[2] 陈彤，沈绍新.不同浓度ATP对牛蛙离体腓肠肌收缩性的影响[J].龙岩学院学报，2008（6）：33-37.

[3] 吴成军.“构建生物学概念”的重要内涵[J].中学生物教学，2015（3）：4-7.