基于模型与建模的生物高考复习教学研究

林靖

［摘 要］文章以模型建构为主线落实“细胞的能量‘货币ATP”的三个考点的复习。首先，通过建立概念模型和物理模型的方法梳理考点一“ATP的结构”和考点二“ATP与ADP的相互转化”，并借助已建构的模型，利用类比推理的方法进行NTP与dNTP知识的迁移与应用；其次，通过完善以ATP为关键词的有关细胞能量代谢的概念模型与建立解题范式，帮助学生理解与掌握考点三“ATP的利用”。

［关键词］模型与建模；生物高考复习；ATP

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）08-0082-04

一、教学背景

“细胞与能量”是高中生物中重要的知识模块，也是引导学生在学习细胞的分子的基础上理解细胞内部微观生命活动的本质，形成正确的物质与能量观、稳态与平衡观的重要知识载体。ATP作为细胞的直接能源物质，是实现细胞能量代谢的基础，是“细胞与能量”模块的关键知识。

近年来，高考全国卷生物试题中ATP及其相关知识在选择题与非选择题中频频出现。本文对近三年部分省/市高考生物卷及全国卷生物试题中考查ATP相关知识的试题进行分析与整理（如表1）。

多数高考生物卷在选择题中综合考查了ATP的相关知识，而2021年高考全国甲卷生物试题第30题改变了传统的考查方式，以DNA与脱氧腺苷三磷酸（dATP）分子作为知识情境载体，要求学生建构出ATP与DNA的结构模型，借助类比推理的方法分析比较两者结构的异同点，考查学生的模型建构能力与逻辑推理能力。当前，高中生物教学注重让学生在实践过程中获取知识，倡导通过建构模型将微观抽象的生物知识或规律实物化、具体化。教师在教学过程中应引导学生基于生物学事实和证据，有效运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等方法分析解决问题，帮助学生逐步发展科学思维［1］。在生物高考复习教学中，教师应积极采用模型建构的教学策略，以发展学生的科学思维。本文重点论述如何以模型建构为主线落实“细胞的能量‘货币ATP”的三个考点的复习。

二、教学实施

环节一：导入情境，感知考点

在生物高考复习教学中，教师应让学生明确教材中不同章节内容的考点定位。在“细胞的能量‘货币ATP”的复习课中，教师可以一道不定项选择题为知识载体，导入情境，引导学生感知考点。此不定项选择题的内容考查匹配ATP的三个考点，即考点一“ATP的结构”、考点二“ATP与ADP的相互轉化”、考点三“ATP的利用”。教师在引导学生判断选项正误时，要求学生在教材中查找对应考点的来源，帮助学生梳理ATP内容的复习逻辑与思路。

【不定项选择题】 ATP是细胞的能量“通货”，下列关于ATP的叙述错误的是（）。

A.由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成

B.分子中磷酸基团之间相连的化学键称为特殊化学键

C.在水解酶的作用下可不断地合成和水解

D.释放的能量可用于肌肉收缩、兴奋传导等活动

环节二： 聚焦原模，落实考点

考点一：ATP的结构

ATP的知识框架包含ATP的中文名称、元素组成、结构简式、能量储存的位置等知识内容，教师可以结合ATP的相关知识内容与学生一起建立概念模型（如图1），由此开启复习进程，逐步落实三个考点的复习。

教师可依托学案引导学生使用矩形、圆形、五边形（分别代表腺嘌呤、核糖、磷酸基团）以及线条自主绘图建构ATP的结构原模型（如图2）。

学生在绘图时往往存在两个误区：（1）直接使用直线将磷酸基团与核糖的4′号碳相连，而忽略了核糖与磷酸基团之间存在5′号碳；（2）将核糖的5′号碳的曲线折点绘于腺嘌呤与核糖之间。基于此，待学生完成绘图后教师可选取部分学生绘制的结构原模型进行展示，并要求学生口头表述图形结构所表示的含义。

通过建立ATP的结构原模型，一方面可加深学生对分子结构的认识，培养学生的空间感，引导学生类比与辨析RNA与ATP结构中共同含有的“A”的差异；另一方面可为考点二“ATP与ADP的相互转化”的复习做好铺垫。

考点二和考点三：“ATP与ADP的相互转化”及“ATP的利用”

ATP与ADP的相互转化是细胞内生命活动的能量供应机制，是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的。在复习此内容时，教师可以在ATP与ADP的结构模型的基础上补充完善ATP与ADP相互转化过程中的能量与物质的变化，让学生直观地理解ATP与ADP在不同的条件下可以发生相互转化。教材的插图容易让学生认为ATP与ADP的相互转化过程是可逆的，对此教师可提出问题：ATP与ADP的相互转化过程所需的酶是同一种酶吗？ATP与ADP的相互转化过程是否可逆？学生认真思考并借助教材插图，很快理解了ATP与ADP的相互转化过程所需的酶不同：ATP的合成需要ATP合成酶，ATP的水解需要ATP水解酶。最后，教师可要求学生在学案中默写出ATP与ADP相互转化的表达式（如图3）。

教师通过问题“ATP是细胞的直接能源物质，那么合成ATP的能量来自哪里呢？”引导学生思考。学生通过思考问题以及阅读教材，分析出ATP合成时所需的能量可来自光合作用与呼吸作用。教师接着呈现光合作用与呼吸作用的过程模式图，引导学生尝试理解：各反应中的葡萄糖、光、ATP均是能量的载体，在呼吸作用中葡萄糖中的化学能转化为ATP中活跃的化学能，以供给细胞内的吸能反应所使用；在光合作用的光反应中光能转化为活跃的化学能并储存在ATP中，而在暗反应中ATP中的活跃化学能则转化为稳定的化学能并储存在糖类中。这样不仅能让学生理解教材中呈现的ATP合成时能量来源的示意图，还能让学生理解ATP合成过程中的能量不是特定的，而是可转化的。

ATP的合成、水解和细胞呼吸作用中的放能、吸能反应一直是学生的困惑点，对此教师可借助教材中细胞呼吸的三个阶段需要释放能量，及离子通过主动运输实现跨膜等生理过程需要消耗能量，来帮助学生总结得出以下结论：ATP水解时释放的能量可用于细胞内的吸能反应，细胞内许多放能反应释放的能量储存在ATP中，从而引导学生完善ATP与ADP相互转化过程中能量的来源与去路的模式图（如图4）。

环节三：运用原模，拓展延伸

近几年高考生物试题多次对ATP进行延伸考查。高考生物试题在注重考查基础知识的同时，着重考查学生灵活调用所学知识解决问题的能力。因此，在生物高考复习教学中，教师可创设试题情境，让学生借助已建构的模型对试题进行分析、推理与作答。如可选择2016年高考全国Ⅰ卷生物试题第29题第（1）、（2）问及2021年高考全国甲卷生物试题第30题第（1）问作为试题情境1和试题情境2，对ATP的结构进行“原模”应用训练。试题情境1的第（1）问考查学生对ATP的结构模型的认知程度；试题情境1的第（2）问与试题情境2通过不同的设问方式考查学生对dATP与DNA的基本单位的结构异同点的掌握情况，帮助学生在宏观与微观的相互切换中将看不见、摸不着的微观问题宏观化，利用微观知识去探寻宏观现象的本质原因，同时深化学生对ATP的科学概念的理解，强化学生对论述题答题表述的训练。

试题情境1：（2016年高考全国Ⅰ卷生物试题第29题节选）在有关DNA分子的研究中，常用32P来标记DNA分子，用[α]、 [β]和[γ]表示ATP或dATP（d表示脱氧）上三个磷酸基团所处的位置（A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ）。回答下列问题：

（1）某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上，同时产生ADP。若要用该酶把32P标记到DNA末端上，那么带有32P的磷酸基团应在ATP的                （填“α”“β”或γ”）位上。

（2）若用带有32P的dATP作为DNA生物合成的原料，将32P标记到新合成的DNA分子上，则带有32P的磷酸基团应在dATP的                （填“α”“β”或γ”）位上。

试题情境2：（2021年高考全国甲卷生物试题第30题节选）用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸（dATP，dA—Pα～Pβ～Pγ）等材料制备了DNA片段甲（单链），对W基因在染色体上的位置进行了研究，实验流程的示意图如下。

回答下列问题：

（1）该研究人员在制备32p标记的DNA片段甲时，所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P，原因是                                              。

通过以上试题训练，学生已熟知ATP结构中的“A”代表腺苷，但会产生这样的困惑：能否将A替换成G、C、U，甚至是T呢？因此，在生物高考复习教学中教师有必要为学生拓展NTP與dNTP的相关知识，并利用类比推理的方法引导学生将ATP的结构模型进行初步分解、替换。如学生已经了解腺苷包含核糖与腺嘌呤，由此类推将碱基腺嘌呤替换为鸟嘌呤，则该物质应命名为鸟苷；同理也存在胞苷和尿苷结构。那是否存在胸苷呢？教师可借助核酸的知识，引导学生推断出胸腺嘧啶不能与核糖结合，因此不存在胸苷，但胸腺嘧啶能与脱氧核糖结合形成脱氧胸苷。

ATP是腺苷与三个磷酸基团结合形成的，故命名为腺苷三磷酸，教师可引导学生再以此进行类比推理，如鸟苷与三个磷酸基团结合形成的结构命名为鸟苷三磷酸（GTP）；脱氧胸苷与三个磷酸基团结合形成的结构命名为脱氧胸苷三磷酸（dTTP）；等等。教师最后总结归纳，并通过下面的试题训练，强化学生对ATP知识的应用，为学生补充“ATP不是细胞内唯一的直接能源物质”等知识。

试题情境3（单选题）：生物体内含有ATP、GTP、UTP、CTP等高能磷酸化合物，它们结构上的差异是组成分子的碱基种类不同，功能上的差异主要体现在为生命活动供能的情况不同（如下表）。下列相关叙述正确的是（）。

A.蛋白质合成过程中消耗的能量可来自ATP和GTP

B. UTP三个高能磷酸键断裂所释放能量供糖原合成

C. CTP中“C”是由胞嘧啶和脱氧核糖构成的

D. 细胞内的吸能反应一般与高能磷酸化合物合成相关

环节四： 完善原模，建立解题范式

通过以上三个环节，学生已完成对ATP的结构模型与概念模型的建构，接着教师借助一道与ATP相关联的细胞能量代谢类试题，引导学生通过对试题情境的思考与判断，理解本章“细胞与能量”中的次位概念“细胞的能量‘货帀ATP”，并在学案中构建以ATP为关键词的细胞能量代谢概念模型（如图5），以此帮助学生进一步完善对已有模型的认知，体悟知识体系是以核心关键词为中心，将有联系的知识系统化整合而成的。

《中国高考评价体系》明确提出“四翼”要求，即高考考查要注重知识的基础性、综合性、应用性和创新性，倡导价值引领、素养导向、能力为重、知识为基的综合评价理念。高考要求学生学会将基础知识内容、模块内容、学科内容融会贯通，并能够运用所学知识解决实际问题，即在多元化的试题情境中精准把握关键信息，灵活调用头脑中已建构的知识框架中的相关知识进行有效答题。然而学生在解题时常发现，已建构的知识“原模”与题目不符，这就需要教师引导学生聚焦原模、运用原模、完善原模以及建立解题范式，以此训练与发展学生的科学思维，提升学生运用知识解决实际问题的能力。

三、教学反思

本节课以模型建构作为教学主线，从建构ATP概念模型进阶到建构细胞能量代谢概念模型，多角度剖析了ATP的知识构架以解释其作为细胞内生命活动的直接能源物质的地位，帮助学生树立“结构与功能相适应”的生命观念。同时，借助高考试题对学生进行思维训练，引导学生在尊重生物学客观规律和事实的基础上提取试题情境中的关键信息，运用类比推理的方法辨析ATP与dATP结构的异同点，运用逻辑推理的方法拓展NTP与dNTP 的知识，使学生在本节课中体悟到“从生物能量学的角度来看，细胞中化学性质活跃的物质不只有ATP”。最后，教师通过引导学生建构以ATP为关键词的细胞能量代谢概念模型，使学生认识到ATP是生化系统的核心，ATP与ADP的相互转化与细胞内各种代谢相耦联，掌握“细胞的能量‘货币ATP”这一次位概念，进而提升与发展学生的科学思维。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  刘恩山，曹保义.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）解读［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］  刘军，马建兴，吴红漫，等.高中生物学新课标案例解读［M］.北京：北京师范大学出版社，2020.

［4］  教育部考试中心.中国高考评价体系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

（责任编辑 黄春香）