图尔敏论证模型下高中生物学概念教学的实践研究
2024-10-01张丹俞秋锦
摘 要：本文采用图尔敏论证模型，构建“ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”重要概念，进行实证与概念教学研究，以期促进学生对概念的深度理解，培养学生的科学思维与科学探究能力。
关键词：图尔敏论证模型；概念教学；实践研究
文章编号：1003-7586（2024）06-0007-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B
《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）明确指出“聚焦大概念”与“少而精”的教学理念，单纯的展示大量的无逻辑的生物学术语与事实，不利于学生对生物学重要概念的深度理解与应用。［1］论证的过程就是概念的构建过程。教师引导学生对具有代表性的材料进行分析、推理、质疑并主张，从而总结概念的特点，使学生通过构建知识体系，自主完成对概念的构建，深刻理解概念的本质。图尔敏论证模型（Toulmin’s Argument Pattern，简称TAP）是开展论证教学的基本理论，其中主张资料和根据是论证模型的核心因素。本文以高中生物学教材内容为载体，运用图尔敏论证模型，开展实证与概念教学研究，旨在提高学生的科学探究与科学思维能力。
1 基于概念逻辑的支架构建
为顺利开展“大概念”教学，《课程标准》将空洞的、上位的“大概念”逐步划分为具体的、下位的“重要概念”和“次位概念”。《课程标准》规定了概念的范围和层次，厘清不同概念的内部逻辑关系，将概念剖析为若干要素，将抽象变具体、化繁为简，为大概念的学习奠定基础。［2］因此，教师可为学生提供概念支架，使学生围绕概念主题，沿概念框架基部逐步提高。基于此，将“ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”分解成若干个次位概念和一般概念，进而构建概念框架（见图1）。
2 图尔敏论证模型下概念构建
《课程标准》提出“生物学课程要求学生主动参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力”。使用恰当的科学概念或原理建立证据和主张之间的逻辑关系，运用科学论证是构建微概念的重要教学策略。论证教学模式以图尔敏论证模型为理论基础，分为基础模式（主张、资料、根据）和拓展模式（主张、资料、根据、限定、反驳、支持）（见图2）。［3］
《课程标准》对“细胞的能量‘货币’ATP”一节提出的内容要求为：解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。教学重难点为：ATP化学组成结构及其在能量代谢中的作用；通过ATP与ADP相互转化的特点，解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。教材为本节内容提供实验探究活动及大量相关资料，为了突破教学重难点，本文借助图尔敏论证模型设计四个论证活动，将学生已有的概念进行转变，在新旧概念之间通过论证活动建立联系，引导学生建立科学概念。
2.1 论证概念要素一：ATP是直接能源物质
教师播放“囊萤映雪的故事”视频，并提出问题：萤火虫发光需要消耗能量吗？细胞内哪些物质有可能为萤火虫发光提供能量？学生根据已有知识回答：细胞内的储能物质——脂肪；细胞生命活动所需要的主要能源物质——葡萄糖；为主动运输提供能量的物质——ATP，并提出不同的观点。教师给学生提供萤火虫的发光原理资料：萤火虫的尾部发光细胞中有荧光素和荧光素酶。荧光素接受能量后被激活，在荧光素酶的催化作用下与氧发生化学反应，形成氧化荧光素发光。将捣碎的萤火虫发光器分别装入A、B、C、D四支试管中，待荧光消失后，分别向A、B、C、D四支试管中依次加入蒸馏水、葡萄糖溶液、脂肪溶液、ATP溶液各5 mL，混合均匀，其发光实验结果见表1。
教师引导学生思考荧光消失后加入不同测试物质的原因，分析由实验现象得到的实验结论，根据实验结论论证观点，确立主张：ATP是直接能源物质，可为萤火虫的发光器提供能量使其发光。教师继续补充资料：研究发现若不把萤火虫尾部磨成粉末，加入能源物质葡萄糖后，也能发出荧光。教师提出问题：该实验结果说明什么？学生通过分析进一步完善自己的主张：ATP是直接能源物质，在细胞内葡萄糖可转化为ATP，直接为生命活动供能（见图3）。
2.2 论证概念要素二：ATP结构适于直接供能
经研究发现萤火虫等许多昆虫的干重含蛋白质60%左右，糖类和脂肪一般不到20%，而ATP通常不到0.6%。教师提问：为什么萤火虫会选择含量最少的ATP来直接供能？从而引出ATP的结构与供能相适应，开展ATP结构特点的探究。
教师提供资料：腺嘌呤核糖核苷酸是RNA的基本组成单位之一，又称腺苷一磷酸（AMP），结构简式表示为A—P。教师展示AMP和ATP的化学结构式并提出问题串：AMP与ATP的结构式区别？AMP中的A与ATP中的A是否代表同种物质？说出ATP的中文名称。利用提供是ATP结构图片，尝试构建ATP的结构简式。学生根据资料证据说出ATP称为腺苷三磷酸，类比AMP初步构建出结构简式。教师接着引导学生质疑：ATP中磷酸与核糖之间形成的化学键与AMP结构里的化学键是否同样稳定？教师继续提供资料：两个相邻的磷酸基团都带负电荷，相互排斥使得这种化学键不稳定，容易断裂，末端的磷酸基团还具有较高的转移势能。教师又提供资料有关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—P～P～P或dA—P～P～P）。某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上，若用该酶把32P标记到DNA末端上，同时产生ADP，那么带有32P的磷酸基团应出现在γ位。教师接着提供资料：ATP水解的过程就是的释放能量的过程，1 mol ATP水解能量高达30.54 kJ。学生根据资料可修正ATP的结构简式，通过推理与论证（见图4），得出初步主张：ATP结构适于直接供能，ATP是一种高能磷酸化合物。
2.3 论证概念要素三： 细胞通过ATP与ADP的相互转化保证能量的持续供应
萤火虫持续发出荧光需要能量的持续供应，导致ATP大量消耗。教师提问：微量的ATP如何能持续的供给萤火虫能量？教师提供资料：在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞中的ATP，发现其含量变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记。教师接着提供资料：人体内约有0.5 kg ATP。成年人细胞内ATP和ADP的总量仅有2～10 mg。一个成年人一天在静止状态下所消耗的ATP为48 kg，在紧张活动的情况下，ATP的消耗可达0.5 kg/min。学生根据资料推理与论证，得出初步主张：细胞通过ATP与ADP的相互转化保证能量的持续供应。
2.4 论证概念要素四：ATP通过水解提供能量
新教材对ATP供能机理的描述修改为“ATP末端磷酸基团具有较高的转移势能”和“脱离下来的末端磷酸基团挟能量与其他分子结合，从而使后者发生变化”等表述，ATP水解释放能量如何用于各种生命活动？教师提供ATP作用于肌肉收缩的机制：ATP分子的一部分，磷酰基、焦磷酰基、腺苷酸部分（AMP）首先被转移到底物分子或酶中的一个氨基酸残基上，变成共价地与底物或酶连接。接着被转移的含磷酸部分被置换，产生Pi、PPi或AMP（见图5）。［4］教师引导学生总结两个实例表示ATP的供能机理，形成自己的理解。
回到本节课最初萤火虫发光的情境，教师提供资料：萤火虫利用ATP降解为 AMP和PPi作为发光的能源（见图6）。学生通过上述论证逐渐完善主张（见图7）。
2.5 “ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”概念论证整合模型
“细胞中的能量‘货币’ATP”本节内容概念构建过程分为四个论证环节，经过提供资料—分析根据—提供证据—推理论证—得出主张的图尔敏论证模型构建次位概念。同时，教师引导学生根据提出的问题，通过分析事实和证据资料，在论证和质疑过程中得出正确的主张，逐步构建重要概念，培养学生的证据意识与批判性思维（见图9）。
3 教学反思
3.1 基于图尔敏论证模型教学，加深概念理解
教师开展论证活动之前，首先需要明确论证的主题，即需要解决的问题。从解决问题出发，引导学生根据所提供的资料初步明确论证主张。基于对实验、事实或实例资料等进行探究与分析，围绕概念主题逐步构建、加深对知识的深度理解。明确主张后，教师可继续引导学生对新主张的应用进行反复的论证与质疑。在此过程中，使学生更加明确概念层级的构建是通过大量资料的逻辑推理得到的，进而理解知识之间的内在联系。
3.2 创设多种论证活动，促进概念构建
基于提升学生的科学思维进行论证教学后，学生对概念的构建有了更深的认识。教师根据论证概念主题选择性地提供资料，引导学生思考材料与主张之间深层次的联系。概念层级的构建与科学论证过程遵循着相似的路径，其中概念分解支架为科学论证提供了论证主题与思路，科学论证为概念教学明确了基本结构。
3.3 巧妙设计问题，提升学科核心素养
将图尔敏论证教学模型应用于高中生物学教学实践，根据提供的事实资料设计层层深入的问题，驱动学生对各种证据进行推理与论证，发展学生的科学探究能力与科学思维。图尔敏论证教学模型还强调对主张的支持与反驳过程，使学生体会生物学概念是在修正与完善中形成的，帮助学生在分析论证的过程中培养批判性思维。
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. 中学生物学教学中概念的表述与传递［J］. 中学生物学， 2011，27（1）：3-5．
［3］李镕灵， 黄秋燕， 黄惠妮. 基于Toulmin（图尔敏）论证模型培养高中生的生物科学思维能力［J］. 广西教育， 2018（46）：44-45+53．
［4］王镜岩， 朱圣庚.生物化学（第三版）［M］.高等教育出版社，2007．
