在深度学习过程中培养学生的生物学核心素养例析

孟凡龙 （扬州大学附属中学东部分校 江苏扬州 225003）

深度学习（deep learning）概念最早是由美国学者Ference Marton 和Roger Saljo 在1976年相对于孤立记忆和非批判性接受知识的浅层学习（surfa－ce learning）概念而提出的。之后，深度学习在人工智能领域研究较多。随着社会的发展，深度学习概念逐渐引用到教育领域，2005年上海师范大学黎加厚教授对深度学习进行了界定： 在理解学习的基础上，学习者能批判性地学习新的思想和事实，并将它们融入原有的认知结构中，能在众多思想间进行联系，并能将已有的知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题的学习。

深度学习是在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。在此过程中，学生掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观，成为既具独立性、批判性、创造性，又有合作精神、基础扎实的优秀的学习者，成为未来社会历史实践的主人［1］。在促进学生深度学习的过程中有一些重要特征，本文以“生命活动的能量‘通货’——ATP”为例，阐述在深度学习ATP 的过程中如何培养学生的生物学核心素养。

1 在联想与结构中体会科学探究

“联想与结构”是促进深度学习的基本特征，需要通过调动学生以往的经验参与当下的学习，并将当下学习内容与已有经验建立结构性的关联，从而使知识转化为与学生个体有关联的、能操作和思考的内容。“联想与结构”需要并发展学生的记忆、理解、关联能力，以及系统化的思维与结构能力。

在学习ATP 内容之前，学生已具备了有关能量的基本概念：葡萄糖是生物体维持生命活动的主要能源，能通过氧化分解为生命活动提供能量；脂肪是生物细胞中的主要储能物质，储存着细胞中大部分能量；光能可以通过植物细胞中的叶绿体进行光合作用进入生物体内而加以利用。由此引导学生联想ATP 是一种什么样的能源？ 它是如何为细胞提供能量的？教师按小组分别发放“三磷酸腺苷二钠注射液”和“三磷酸腺苷二钠片”实物，请学生思考如何设计实验研究ATP 的功能。

教师呈现实验材料： 萤火虫20 只、小刀、研钵、试管、水、三磷酸腺苷二钠注射液、葡萄糖、脂肪。请学生根据实验材料设计实验。教师引导学生在对照原则、单一变量原则的基础上设计实验组和对照组，并预测实验结果。可是实验结果中却出现了都发光现象，与预测不符，学生分析其原因可能是发光器中还有能源物质，需要对发光器进行实验前处理。如何处理才能消耗发光器原有的能源物质？ 教师引导学生将发光器取出干燥后研磨成粉末，分装后再加少量水混合，大约15 min 后淡黄色荧光消失，这样才能继续实验。实验结果发现，只有加入ATP 的试管中又发出了荧光，进而推论得出只有ATP 是直接驱动细胞生命活动的能源物质。

既然ATP 具有驱动细胞生命活动的直接能源物质这一功能，从结构与功能相统一的观点分析：生命系统都是结构有序的系统，必然有相应的ATP 结构与功能相适应，ATP 具有怎样的结构能直接为细胞生命活动供能？

2 在活动与体验中培养科学思维

“活动与体验”是深度学习的核心特征，需要学生作为活动主体，主动全身心投入参与探索、发现，经历知识形成的过程，是学生深度学习的机制。学生通过“活动与体验”，在以全部的思想和精神感受、体验和模拟丰富复杂的痛苦或欣喜感觉经历的过程中发展了科学思维。

教师呈现ATP 的化学结构式（标注“腺嘌呤”“核糖”“磷酸基团”），学生很容易与已学的DNA、RNA 的基本单位发生认知冲突。教师为每个小组提供一个信封，内含剪纸模型：腺嘌呤3 个、核糖2 个、脱氧核糖1 个、磷酸5 个，请学生分别制作DNA的基本单位、RNA 的基本单位、ATP 的结构等3 个模型，用笔画出各部分连接的化学键，并请3 位学生在黑板上利用制作好的软磁铁分别构建这3 个模型。

很多学生能成功构建DNA 和RNA 基本单位的模型，但在绘制ATP 结构模型的高能磷酸键时出现了问题，教师及时利用生成的“错误”资源，引导学生根据ATP 的功能可反推其结构中应储存比普通化学键更多的能量，并提供具体数据，形成 感性认 识［2］。

师生一起比较这3 个模型，分别说出任意2个模型之间的区别。教师结合ATP 的结构模型引导学生构建ATP 的结构简式，并提醒学生注意ATP 结构简式中的A 与ATP 的结构模型中的A在写法上的区别，并给ATP 命名，同时设计题目区分几个“A”：DNA 一条链中的A、RNA 单链中的A、DNA 基本单位、RNA 的基本单位、ATP 的结构简式，通过比较明确概念的本质。

教师适当拓展迁移：ATP 结构中的碱基A 能否换成其他的碱基，如GTP、CTP、TTP、UTP？在细胞的能量传递中ATP 作为主要的能量载体，其他核苷三磷酸也会在不同的反应中参与能量的传递。

3 在本质与迁移中领悟生命观念

“本质与迁移”是深度学习的属性特征，要求学生能抓住教学内容的本质属性，全面把握知识的内在联系，通过正例、特例、反例等提升学生对学习对象进行深度加工的意识与能力，同时在对教学内容内化的基础上，通过迁移应用加强对学习结果的外化，尝试在教学活动中进行未来的社会实践。

教师呈现资料1：人体处于安静状态时，肌肉内ATP 含量只能供肌肉收缩1～2 s 所需的能量，24 h 内竟有40 kg 的ATP 被水解。若在剧烈运动状态下，每1 min 竟约有0.5 kg 的ATP 分解释放能量，供运动所需。教师引导学生通过计算分析，可知细胞中的ATP 含量很少，但转化很迅速。

从物质与能量观分析： 生命活动中物质的运输和变化往往与能量供应、流转相伴随，ATP 在提供能量的过程中发生了怎样的物质变化？

教师结合ATP 的结构引导学生分析ATP 很活泼、不稳定的原因：ATP 中磷酸基团之间相邻的负电荷之间相互排斥；ATP 水解后的产物比ATP具有更大的共振稳定性；热力学上的驱动力促使ATP水解。

教师请学生根据对ATP 结构的理解，利用ATP 的结构模型演示ATP 的水解过程，基本上所有学生都能正确断裂ATP 中远离A 的高能磷酸键，教师引导学生对产物命名，并写出完整的水解反应式，释放的能量有哪些用途？请学生举例说明，并引导学生进一步理解ADP 中的高能磷酸键还可以水解，且水解后的产物是RNA 的基本单位之一。

从稳态与平衡观分析：生命系统是开放的，内部也时刻在发生物质变化和能量转换，但多数时候又维持相对的稳定状态，ATP 在发生物质变化的过程中是如何维持其在细胞中的相对稳定的？

教师呈现资料2：科学家将标记的磷酸（32P）注入到活细胞内，随后迅速分离细胞内的ATP，测定其放射性。实验表明，虽然ATP 的含量并没有发生变化，但它的末端磷酸基团已被放射性32P 所标记，且ATP 的放射性强度和之前的无机磷酸的放射性强度完全一致。

由于生物体细胞中的ATP 含量很少，学生很容易推测得出ATP 在水解的同时就要不断地进行合成，教师设计问题①：ATP 是如何进行合成的？请学生利用ATP 的结构模型演示ATP 的合成过程。有少部分学生将ATP 水解时释放的能量剪纸拿过来直接合成新的ATP，教师及时利用这个生成资源引导学生分析其原因，深层次理解能量的存在状态。

问题②：ATP 合成所需的能量来源在哪里？学生根据已有的知识经验很容易联想到葡萄糖、脂肪，教师及时引导学生理解葡萄糖和脂肪可以通过动物的细胞呼吸方式将其氧化分解，产生的能量用于合成ATP，同时通过类比方式区分葡萄糖、脂肪和ATP 对能量的贡献。

问题③：植物细胞中ATP 合成所需的能量来源有哪些？ 学生很容易联想到光合作用可以将光能转化成ATP 中的化学能。教师提醒学生植物体内也有细胞呼吸。

问题④：ATP 的水解和ATP 的合成是可逆反应吗？请学生总结归纳其原因。教师引导学生，ATP的水解与合成使得其在体内不会因大量储存而导致浪费，从而深入理解生物体的节约高效机制。

4 在价值与评价中提升社会责任

“价值与评价”是深度学习的目标特征，是要帮助学生自觉思考所学知识的地位与价值、优势与不足、用途与局限，并促使学生主动对所学知识及学习过程进行质疑、批判与评价，进而养成自觉理性的精神与正确的价值观，形成学生自主发展的核心素养。

教师请一位学生模拟“医生”角色，向不同职业的人群介绍ATP 的基本内容及其在医学上的应用，不同职业的人也可以向“医生”提出自己对ATP的一些疑问。通过模拟体验激发了学生的学习兴趣，渗透着热爱自然和生命的情感教育，学生对ATP 的理解更加科学理性，并提升了社会责任感。

在深度学习过程中，教师要自觉赋予自己更丰富的职责，将教学内容转化成教学材料，通过设计萤火虫的探究实验、ATP 的结构模型构建、有关科学资料分析、角色扮演等方式，带领学生主动参与体验ATP 的发现发展历程，引导学生思考和体会教学材料所蕴含的复杂而丰富的思想和情感内容，在联想、活动、本质、迁移、评价中不断提升学生的核心素养，促使学生成长为有思想、有能力、有高级的社会性情感、有积极的态度和正确价值观的未来社会的主人［3］。