高中生物教學中發展學生科學思維的策略

王揚飛

[摘 要]發展學生的科學思維是高中生物課堂教學的重要任務之一。以《細胞的能量通貨——ATP》的教學為例，利用生活現象、結構簡式圖、矛盾沖突、課堂練習等手段，引導學生經歷實驗探究、建模分析、演繹推理、圖文轉化等過程，可有效發展學生的科學思維。

[關鍵詞]科學思維；高中生物課堂；細胞的能量通貨

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）26-0080-02

“科學思維”是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。高中生物課堂是發展學生科學思維的主要陣地。學生科學思維的發展不可能一蹴而就，需要在長期教學過程中潛移默化，不斷滲透。因此，在高中生物課堂教學中，教師應針對不同的教學內容采用不同的教學策略，使學生不僅能收獲生物學知識，還能發展科學思維。

一、 立足生活現象，于實驗探究中發展學生的科學思維

【質疑】能使螢火蟲直接發光的物質是什么？

【實驗論證】展示科學家的探究過程：先從螢火蟲體內分離出發光器，然后把發光器研磨成粉末后，分成3等分，分別放入3支試管中，各加入等量水使之混合，置于暗處；接著分別向這3支試管加入各2毫升的葡萄糖溶液、ATP制劑和蒸餾水。學生觀察到螢火中體內的發光器直接發光。

【評析】以學生熟悉的螢火蟲發光作為導課內容，引導學生思考并得出“螢火蟲發光是因為有能量”的結論。學生容易聯想到已經學過的糖類、脂肪和蛋白質等有機物。那么，使螢火蟲發光的是這些有機物嗎？通過展示科學家的實驗探究過程，使學生了解到ATP是使螢火蟲直接發光的物質，ATP的作用是直接能源物質。同時可讓學生明確，對于生活中出現的疑難問題，最好的辦法是通過實驗論證，進而解決問題。

二、 利用結構簡式圖，于建模分析中發展學生的科學思維

【質疑】從結構上分析，為什么ATP可以作為直接能源物質？

【模型論證】讓學生寫出ATP的中文名稱：三磷酸腺苷，并說出ATP各符號的含義：“A”表示腺苷；“T”表示3個；“P”表示磷酸；“～”表示高能磷酸鍵；接著利用寫有各符號的紙片搭建ATP結構簡式的模型：A-P～P～P。

“結構和功能相適應”是生物學的基本觀點之一。在教學過程中，教師要讓學生明白要探討ATP為何能作為細胞的能量通貨，就要探討ATP的結構特點。通過閱讀思考，學生進一步了解到ATP的水解實際上是指ATP分子中高能磷酸鍵的水解。高能磷酸鍵水解時釋放的能量多達30.54kJ/moL，所以說ATP是細胞內的一種高能磷酸化合物。通過構建模型，學生可以把抽象的分子結構具體化，在構建模型過程中學生對ATP結構特點的掌握更加深刻。

此外，還可利用圖1引導學生分析a（腺嘌呤）、b[腺苷（腺嘌呤+核糖）]、c[腺嘌呤核糖核苷酸（腺嘌呤+核糖+磷酸）]、d[ADP（腺嘌呤+核糖+2分子磷酸]、e[ATP（腺嘌呤+核糖+3分子磷酸）]的關系，從而實現對學生的思維拓展。

三、 利用矛盾沖突，于演繹推理中發展學生的科學思維

【質疑1】ATP是直接能源物質，那么它在生物體內的含量是不是需要有很多，才能滿足各項生命活動的能量需要？當機體需要能量時，ATP如何供能？

【資料論證1】在人體安靜狀態時，肌肉內的ATP含量只能提供肌肉收縮1～2s所需的能量；在人體劇烈運動狀態下，每分鐘約有0.5kg的ATP分解釋放能量；一個成年人在安靜的狀態下，24小時內有40kg的ATP被水解。

根據資料分析，ATP在體內含量很少，消耗量大。ATP的化學性質不穩定。在有關酶的催化作用下，ATP分子中遠離A的那個高能磷酸鍵很容易水解，于是遠離A的那個P就脫離開來，形成游離的Pi（磷酸），同時釋放出大量的能量。

【質疑2】ATP在細胞中含量很少，如何滿足各項生命活動的能量需求呢？

【資料論證2】在某細胞培養液中加入32P標記的磷酸分子，短時間內分離出細胞的ATP，發現其含量變化不大，但部分ATP的末端P已帶上放射性標記。

在有關酶的催化作用下，ATP水解產生能量，轉化成ADP；而ADP可以接受能量與一個游離的Pi結合，重新形成ATP，即ATP與ADP可以相互轉化。

【質疑3】ATP與ADP可以相互轉化，那么ATP與ADP的轉化是可逆反應嗎？

【論證3】可逆反應是指在同一條件下，既能向正反應方向進行，又能向逆反應方向進行的反應。學生根據分析可知，該轉化過程不是可逆反應，原因一：作用的酶不同；原因二：能量不可逆。合成ATP的能量主要來自細胞呼吸作用時有機物分解所釋放的能量以及光合作用時利用的光能；ATP水解產生的能量則直接用于肌細胞收縮、大腦思考等各項生命活動。

在教學過程中，教師應鼓勵學生質疑，培養學生的問題意識，并激發學生探索問題的欲望。當學習出現矛盾時，應鼓勵學生抓住矛盾的關鍵點，尋求實證，解決矛盾，讓思維更加嚴謹。

四、利用課堂練習，于圖文轉化中發展學生的科學思維

【例題】人的骨骼肌細胞中ATP的含量只能維持劇烈運動3 s以內的能量供應。某運動員參加短跑比賽過程中，肌肉細胞中ATP的相對含量隨時間的變化如圖2所示。請據圖回答下面的問題：

① a→b過程中，ATP被水解，釋放的能量用于————————————————。

② b→c過程中，ATP含量增加，說明————————加強，釋放更多的能量，供ADP合成ATP，補充消耗的ATP。

③ 從整個曲線看，肌細胞中ATP的含量不會降為零，說明——————————。

本道例題考查的是“ATP和ADP相互轉化”的內容。學生必須先識圖：圖中表示的是ATP相對含量的變化，其中，ab段，ATP的含量逐漸下降；bc段，ATP的含量逐漸上升，而后達到穩定狀態。再根據本節所學的內容，可以得出答案：①ATP水解過程，能量用于肌肉收縮等生命活動；②ATP含量增加是通過細胞呼吸迅速由ADP轉化而成；③ATP在細胞內含量雖少，但與ADP的相互轉化卻十分迅速，使細胞內ATP的含量總是處于動態平衡中，構成生物體內部的穩定供能環境。課堂上通過練習，以不同的形式呈現教材內容，可以培養學生思維的靈活性。

綜上可知，發展學生的科學思維是高中生物課堂教學的重要任務之一。作為高中生物教師，應想方設法設計不同的教學策略來發展學生的科學思維。

（責任編輯 黃春香）