基于模型建构的深度学习

朱巧玲

摘要 巧设问题情境，依托物理模型引导学生对ATP结构的深度思考，建构概念模型促进学生对ATP功能的迁移应用，在实践与探索中培养学生的科学思维和解决问题能力，实现深度学习。

关键词 模型 深度学习 ATP 教学设计

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

深度学习以发展学习者的高阶思维为目标，侧重知识网络建构，要求学习者能将知识进行迁移运用，甚至创造。模型与建模是一种重要的科学思维方法，模型是对客观世界的抽象，建模是应用建立模型解决问题。基于模型的教学能引导学生对所学知识进行思考、抽象、迁移、应用，提高学生分析问题、解决问题的能力，实现从低阶思维能力的浅层学习到高阶思维能力的深度学习。

1教材分析及设计思路

“细胞的能量‘货币’ATP”是新人教版高中生物学《必修1·分子与细胞》第五章第二节的内容。本节知识是糖类、脂肪等能源物质学习的延续，也为后续呼吸作用、光合作用的学习奠定基础。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对本节课要求是“解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”。要使上述概念形成，需要解决2个核心问题：1概述ATP作为直接能源物质的结构特点;2阐述ATP与ADP快速相互转化是细胞吸能与放能反应的纽带。

与旧教材相比，新教材在分子水平对ATP易水解与供能机理的解释更详细。建构ATP与载体蛋白的物理模型，利于学生深度思考ATP的结构特点，形成“结构与功能相适应”的生命观念。学生建构概念模型，可以抽象出ATP与细胞能量代谢的关系，形成知识网络，促进知识的迁移运用。本教学设计以模型为主要载体，促进学生深度学习，达成生物学学科核心素养培养的目标。

2教学目标

1建构ATP和载体蛋白的物理模型，从结构与功能相适应的角度，概述ATP作为直接能源物质的结构特点。

2建构ATP和ADP相互转化为核心的概念模型，阐述ATP与细胞代谢之间的能量关系，理解能量“货币”的涵义，形成生命的物质观、能量观。

3通过对生活实例的分析，增强ATP知识的迁移运用，培养解决问题能力。

3教学过程

3.1实物观察、资料分析，了解ATP的功能特点

教师提出问题：ATP是物质还是能量？学生回答后，教师展示ATP药片，让学生直观认识ATP是一种物质。

教师追问：ATP与能量是什么关系呢？并展示材料，引导学生分析、思考：1884年，法国药学家迪布瓦切取萤火虫的发光器并充分研磨，发现研磨液会发出短暂荧光。研究人员将不发光的研磨液分成两组，分别滴加等体积的ATP溶液和葡萄糖溶液后，ATP组立即重新出现荧光，而葡萄糖组需要经过一段时间才会重新出现荧光。离体发光器研磨液荧光消失的原因是什么？对比两组实验，萤火虫发光的直接能源物质是什么？学生分析材料后，得出“ATP是直接能源物质”这一结论。

设计意图：深度学习需要创设真实问题情境，教师要引导学生积极体验和思考。实物观察属于感官体验，材料分析属于理性分析，学生对能源物质的认知从“葡萄糖是主要能源物质”向“ATP是直接能源物质”发展，产生“ATP为什么适合作为直接能源物质”的疑问，顺利过渡到ATP结构的学习。

3.2模型建构、展示交流，明确ATP的分子组成

教师提问：与葡萄糖相比，为什么ATP能作为直接能源物质？接着，学生开始建构ATP的物理模型。在自学教材相关内容后，学生小组利用教师给出的纸片模型（图1），建构ATP结构的物理模型。然后，小组代表在黑板上用教师版模型（背后有磁铁，可吸在黑板上）展示。教师引导学生修正模型，并让学生利用模型讲解腺苷、普通化学键、特殊化学键、ATP、ADP、AMP等。之后，教师提问：ATP在结构上有什么优点，适合作为直接能源物质？学生回答后，教师可利用磷酸基团上的磁铁，让学生体验“同性相斥”，类比新教材中“ATP中特殊化学键因相邻磷酸基团带负电荷而相互排斥，不稳定”这一结构特点。

设计意图：活动与体验是深度学习的核心特征。

若教师只给出腺嘌呤、核糖和磷酸基团的纸片模型，让学生依照教材分子式建构ATP模型，难以实现知识的批判理解。利用图1所示元件建构的物理模型既能反应ATP的分子组成知识，又能激活学生的思维，提升建构活动的价值。脱氧核糖、核糖同时呈现，以设置干扰的方式引发学生思考，区分脱氧核糖与核糖的结构，明确ATP分子中含核糖。五碳糖模型代替常规五边形模型，能更科学地展示五碳糖的结构特点。多种碱基可方便教师介绍UTP、GTP、CTP、dATP、dTTP、dGTP、dCTP等物质，拓展学生对高能磷酸化合物的认知。磁铁的類比应用能让学生理解ATP结构具有不稳定、易水解的特点。模型建构的经历让知识真正成为学生观察、思考、探索、操作的对象，能促进学生对ATP结构进行深度分析、评价，形成对知识的自我理解，建构新知序列。

3.3模型演示、分析概括，理解ATP的供能机理

在学生建构ATP模型后，教师整合教材内容，教学ATP参与钙离子载体蛋白的主动运输，使学生从分子结构视角理解ATP的供能机理。学生阅读教材并在黑板上利用载体蛋白模型（教师提供）演示ATP参与主动运输的过程（图2）。

模型演示后，教师提出问题，促进学生思考：该过程体现了载体蛋白的哪些功能？ATP中的能量是如何转移到载体蛋白上的？分析ATP结构与供能机理，说明物质的结构与功能有怎样的关系？

设计意图：深度学习需要学生把握知识的内涵与本质。模型演示让学生理解ATP磷酸基团的“得”与“失”是实现能量转移的关键，深化学生ATP供能机理的理解。教师提出的3个问题帮助学生从感性认知上升到理性认知，实现对形象化模型的高度抽象，引领学生“发现”“归纳”出ATP供能机理的本质特征，同时也显化了“结构与功能相适应”的生命观念。

3.4问题探讨、画概念图，领悟

ATP是能量“货币”教师展示材料：一个成人每天要水解并合成相当于自身体重的ATP，以满足正常生命活动的需要;在紧张活动的情况下，ATP的消耗可达0.5kg/min;人体中ATP的总量只有大约2mg，剧烈运动时只能维持3s。

教师根据材料，提出问题串：人体如何解决ATP消耗量大而储存量少这一矛盾？ATP与ADP转化是可逆反应吗，为什么？人体细胞合成ATP的能量来自于哪里？植物细胞合成ATP的能量来源又有哪些？ATP水解释放的能量还能用于哪些生命活动？ADP合成ATP的过程是储存还是释放能量的过程，关联细胞中的吸能还是放能反应？ATP水解为ADP的过程是储存还是释放能量的过程，关联细胞中的吸能还是放能反应？当学生解决该问题串后，便能建构出图3的概念模型，抽象出能量通过ATP分子在放能反应和吸能反应之间流通。

教师结合图3模型，类比商品交易，脂肪、葡萄糖相当于能源物质中的“房产、存折”，必须通过细胞呼吸将能量转移至储存能量较少的ATP（“人民币”），才能被细胞直接利用。学生因而理解ATP是细胞的能量“货币”。

设计意图：深度学习需要对旧知识与新知识进行有效和精细的深度加工，形成知识网络以促进知识的迁移应用。概念模型可以让学生从能量守恒的角度，理解ATP与ADP的相互转化，伴随着能量的释放和储存，联系了细胞众多的吸能与放能反应。问题串引导学生实现基于问题的多维度、立体式的知识整合，将ATP直接能源物质的知识以整合态、情境化的方式纳入已有的能量代谢认知结构，有助于学生形成生命的物质观与能量观，为知识应用奠定坚实基础。

3.5模型运用、学习材料，领略ATP的科学应用

在学生建构概念模型后，教师提出问题：在1884年迪布瓦的实验中，葡萄糖组需要经过一段时间才会重新出现荧光。请你利用所学的知识解释这一现象。学生分析后，得出科学解释：葡萄糖不能直接提供能量，需要通过呼吸作用将能量转移至ATP才能被生物直接利用，从而导致延迟发光。

随后，教师向学生介绍萤火虫发光原理、ATP荧光檢测仪、荧光树的发明等材料，了解ATP的科学应用。

设计意图：深度学习强调知识的迁移与应用，也注重评价促进学生的学习。学生对实验现象的原因解释，能检测对ATP知识的应用水平，培养分析、推理的科学思维。萤火虫发光、ATP荧光检测仪和荧光树等材料介绍，是ATP知识的迁移应用，也能引导学生对自己所学的知识及知识发现、发展的过程进行价值评价。

4教学反思

本节课通过巧设问题情境和整合教材内容，让学生经历困惑、发现和迁移，沿着ATP“功能→结构→应用”的知识主线逐步学习，重视学习内容的有机整合与深度加工。物理模型解决了ATP结构与供能机理的教学重点，概念模型解决了ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质的教学难点，模型促进学生的思维由形象上升到抽象，实现了模型应用与高阶思维培养的统一。建模过程的问题串能引导学生深度思考，促进科学思维培养和生命观念形成，进而有助于知识的迁移运用。因此，学生的建模学习能克服对微观结构的认知困难，在亲自体验和亲手探索中实现深度学习。

参考文献：

安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

1794501705259