聚焦科学思维的“细胞的能量‘通货’——ATP”的学生活动设计

林美溪

（福建省同安第一中学 福建厦门 361100）

发展学生的科学思维是高中生物学的课程目标之一。科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维的重要特征是证据与逻辑。逻辑是通过概念、判断、推理、论证来理解和区分客观世界的思维过程。高中生物学的逻辑思维方法包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等。

人教版生物学教科书中《必修1·分子与细胞》中“细胞的能量‘通货’─ATP”一节是学生学习细胞结构与功能、物质代谢与能量代谢的承前启后的基础性内容。通过本节内容的学习，学生应了解ATP的功能，理解细胞代谢中物质代谢和能量代谢的依存关系，形成正确的物质与能量观、结构与功能观，以达成相应的教学目标，并发展分析、综合、判断、推理等思维能力。下面以“细胞的能量‘通货’─ATP”教学为例，尝试探讨在课堂教学中如何通过“学生活动设计”发展学生的科学思维。

1 设计“探究实验”，升级“导入性学习活动”，强化科学思维的培养

1.1 学生活动的定义及其形式

学生活动也称为学生学习活动，是指学生以及与之相关的学习群体为了达成一定的学习目标而进行一系列操作总和。在课堂教学当中，学生活动在形式上，可以是问题探讨、资料分析、思考与讨论、探究、资料收集与分析、实验、调查、模型建构等，可以侧重思维能力培养，也可以侧重实践技能训练。

1.2 改变“导入性学习活动”的形式，拓展思维的深度和广度

在“细胞的能量‘通货’─ATP”一节中，作为导课环节的“问题探讨”以萤火虫发光为素材，设计了3个问题用于讨论。学生通过讨论，得出:萤火虫发光发生能量的转换，代谢反应需要能量，细胞的直接能源物质是ATP。“问题探讨”也是“学生活动”的一种形式，可归为“导入性学生活动”的范畴，一般用于导入新课环节，具有激发兴趣、串联知识、承上启下的作用，其中也蕴含一定的逻辑思维训练，但往往停留在基本的分析、判断上，学生的体验和深度思维不够。

结合本节教材“ATP的利用”中的一段关于萤火虫发光机理的阅读材料，设计“探究实验”，与“问题探讨”糅合并前置，可在形式和内容上升级“导入性学习活动”，使导入环节直接对接到教学的主要内容，在思维能力的训练上进阶到分析与综合、推理和判断层次，从而达到深度学习的要求。

1.3 设计探究实验活动，基于学生的体验，培养分析与综合、推理和判断等思维能力

生物学是注重逻辑、实证和科学思维的自然科学。教师设计探究实验，可使学生在认知过程中发展相应的分析、综合和推理等思维能力。针对“ATP的功能”环节，可设计探究实验，内容如下:

实验目的：探究葡萄糖、ATP能否为萤火虫发光器粉末发出荧光直接提供能量。

实验材料：干燥的萤火虫发光器粉末、适宜浓度的葡萄糖溶液、一定浓度的ATP溶液、暗箱、其他相关器材如试管等。

要求：请写出实验方案，并预测实验结果和结论。

在设计实验时，为引导学生深入的思维过程，教师设计以下问题:

①探究实验可采用什么实验方法？

②实验的自变量、无关变量和因变量分别是什么？

③提供的实验材料是干燥的萤火虫发光器的粉末，而不是活的发光细胞，用此材料实验能够成功吗？暗箱的作用是什么？

④若不能直接供能，则葡萄糖必须经过什么过程其能量才能被细胞生命活动所利用？

其中问题①属于叙述性问题，问题②～④属于探究性问题。探究性问题要解决为什么、怎么办的问题。学生解决探究性问题时必须透过现象抓本质，要经过分析、归纳和概括等思维过程。问题③将引导学生深刻地认识代谢的实质 即物质的变化和能量的变化:细胞是代谢一种高效的组织形式，在具备相应物质和能量条件的情况下，代谢反应可在细胞外进行。此类问题有利于帮助学生深刻理解生命的本质、形成生命观念。

探究实验是科学认识活动。科学认识活动中的科学思维可包括方面:

①通过定性实验、结构分析实验等，揭示科学研究对象的性质、结构和功能；

②通过原因分析、回溯推理，揭示事物间的因果联系；

③运用多种思维工具，揭示事物变化发展的规律性。

1.4 设计探究实验活动的理论依据及其意义

探究实验活动可以帮助学生获得直接的体验、形成深刻的认知。在本质上探究实验活动严格遵循了辩证唯物主义的认识论，即认识是一个“实践—认识—再实践—再认识”的过程，包含感性认识和理性认识两种形式，两种形式相互依存、相互渗透。

从实验、探究、讨论和观察等活动获得的体验是建构概念、提升能力和形成情感·态度与价值观等的基础。生物学最基本的研究方法是观察和实验。实验是理解生物学事实和原理的基本体验活动。因此有效的学习活动设计既要调动学生的原有经验、又要能够产生新的经验，使学生在因果关系的链条上开动机器、进行多种思维的训练。

2 整合教材资源，设计“资料分析活动”，发展多种思维能力

学生活动的特点是自主、开放、思维和综合。因此将教材资源进行整合，如将思考与讨论、相关信息、课后练习等，以资料分析的形式进行整合设计学生活动。该活动以任务目标和问题串为的主线。

资料分析是概念建构的途径之一，也是培养逻辑思维能力和高阶思维能力的有效策略。本节教学采取的学生活动设计如下:

请阅读教科书88～90页的内容，分析回答:

①ATP在细胞中的含量高吗？通过什么方式满足细胞生命活动对能量的需求？ATP结构上有何特点与其功能相适应？

②写出ATP与ADP相互转化的反应式。合成ATP所需的能量有哪些来源？

③举例说出哪些生命活动需要ATP作为直接能源？吸能反应与放能反应之间的联系通过什么物质实现？

④ATP是细胞内的能量“通货”对于生物体的含义是什么？从进化的角度看，ATP及其供能的机制是通过什么过程形成的？

资料分析过程贯穿着分析、综合等思维方式的反复运作。对问题④的解答涉及到判断和评价，因此也就包含着高阶思维能力的培养。所谓高阶思维能力，是指发生在较高认知水平上的心智活动或较高层次的认知能力，如分析、评价等认知活动能力。以ATP作为细胞内的能量“通货”，从系统的角度看，有利于提高细胞中资源的利用效率。ATP及其供能的机制是长期自然选择形成的，是生物进化的结果，也是不同生物之间具有共同祖先的分子证据。若能以进化与适应观来评价ATP供能的问题，那么，学生的思维水平就有可能上升到高阶思维的层次了。

3 以“核心素养目标”统领学生活动设计，培养“建模”思维能力

“建模”也就是建构模型，是科学思维的一种重要思维方式。建模思维包括模型的建立和模型的应用。模型分为物理模型、概念模型和数学模型等类型。其中概念模型是指用图示、文字、符号的形式，描述、阐明生命活动的规律和原理的一类模型，能将知识结构化，表达概念间的联系，呈现生物学知识体系的内在结构。科学模型具有描述、预测、解释的功能。建构模型的过程是分析、综合、抽象、概括、推理、判断等思维方式的综合运作过程。教师通过引导学生建构模型，可以深化学生对知识内容的理解，提高其分析和解决问题的能力，使学生形成正确的科学观点和态度。

生物学学科核心素养中生命观念与科学思维目标的达成是一个相互作用的过程。科学思维目标的达成是形成生命观念的基础，生命观念的形成反过来会促进科学思维的发展。

在本节教学中，根据核心素养之生命观念中的“结构与功能观”，可对课堂“学生活动”做以下设计安排:将“ATP的功能”前置，学生通过“探究实验”环节，得出“ATP是直接能源物质”；再根据“结构与功能相适应”原理，通过问题导学进行“ATP的结构及ATP与ADP相互转化”的学习。这样可建立一个用于认知事物的概念模型:提出问题—探究实验—研究对象的功能—研究对象的结构。

总之，科学思维是一种认识行为、认知方式和认知品质的反映。学生良好的科学思维的习惯和能力，需要在通过“学生活动设计”而创设的情境中，经过长期思维训练才能形成。以核心素养为统领，合理整合的探究实验和资料分析等学生活动，是发展科学思维的有效途径。