聚焦科學思維的“細胞的能量‘通貨’
——ATP”的學生活動設計

林美溪

（福建省同安第一中學 福建廈門 361100）

發展學生的科學思維是高中生物學的課程目標之一?？茖W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?？茖W思維的重要特征是證據與邏輯。邏輯是通過概念、判斷、推理、論證來理解和區分客觀世界的思維過程。高中生物學的邏輯思維方法包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等。

人教版生物學教科書中《必修1·分子與細胞》中“細胞的能量‘通貨’─ATP”一節是學生學習細胞結構與功能、物質代謝與能量代謝的承前啟后的基礎性內容。通過本節內容的學習，學生應了解ATP的功能，理解細胞代謝中物質代謝和能量代謝的依存關系，形成正確的物質與能量觀、結構與功能觀，以達成相應的教學目標，并發展分析、綜合、判斷、推理等思維能力。下面以“細胞的能量‘通貨’─ATP”教學為例，嘗試探討在課堂教學中如何通過“學生活動設計”發展學生的科學思維。

1 設計“探究實驗”，升級“導入性學習活動”，強化科學思維的培養

1.1 學生活動的定義及其形式

學生活動也稱為學生學習活動，是指學生以及與之相關的學習群體為了達成一定的學習目標而進行一系列操作總和。在課堂教學當中，學生活動在形式上，可以是問題探討、資料分析、思考與討論、探究、資料收集與分析、實驗、調查、模型建構等，可以側重思維能力培養，也可以側重實踐技能訓練。

1.2 改變“導入性學習活動”的形式，拓展思維的深度和廣度

在“細胞的能量‘通貨’─ATP”一節中，作為導課環節的“問題探討”以螢火蟲發光為素材，設計了3個問題用于討論。學生通過討論，得出:螢火蟲發光發生能量的轉換，代謝反應需要能量，細胞的直接能源物質是ATP?！皢栴}探討”也是“學生活動”的一種形式，可歸為“導入性學生活動”的范疇，一般用于導入新課環節，具有激發興趣、串聯知識、承上啟下的作用，其中也蘊含一定的邏輯思維訓練，但往往停留在基本的分析、判斷上，學生的體驗和深度思維不夠。

結合本節教材“ATP的利用”中的一段關于螢火蟲發光機理的閱讀材料，設計“探究實驗”，與“問題探討”糅合并前置，可在形式和內容上升級“導入性學習活動”，使導入環節直接對接到教學的主要內容，在思維能力的訓練上進階到分析與綜合、推理和判斷層次，從而達到深度學習的要求。

1.3 設計探究實驗活動，基于學生的體驗，培養分析與綜合、推理和判斷等思維能力

生物學是注重邏輯、實證和科學思維的自然科學。教師設計探究實驗，可使學生在認知過程中發展相應的分析、綜合和推理等思維能力。針對“ATP的功能”環節，可設計探究實驗，內容如下:

實驗目的：探究葡萄糖、ATP能否為螢火蟲發光器粉末發出熒光直接提供能量。

實驗材料：干燥的螢火蟲發光器粉末、適宜濃度的葡萄糖溶液、一定濃度的ATP溶液、暗箱、其他相關器材如試管等。

要求：請寫出實驗方案，并預測實驗結果和結論。

在設計實驗時，為引導學生深入的思維過程，教師設計以下問題:

①探究實驗可采用什么實驗方法？

②實驗的自變量、無關變量和因變量分別是什么？

③提供的實驗材料是干燥的螢火蟲發光器的粉末，而不是活的發光細胞，用此材料實驗能夠成功嗎？暗箱的作用是什么？

④若不能直接供能，則葡萄糖必須經過什么過程其能量才能被細胞生命活動所利用？

其中問題①屬于敘述性問題，問題②～④屬于探究性問題。探究性問題要解決為什么、怎么辦的問題。學生解決探究性問題時必須透過現象抓本質，要經過分析、歸納和概括等思維過程。問題③將引導學生深刻地認識代謝的實質 即物質的變化和能量的變化:細胞是代謝一種高效的組織形式，在具備相應物質和能量條件的情況下，代謝反應可在細胞外進行。此類問題有利于幫助學生深刻理解生命的本質、形成生命觀念。

探究實驗是科學認識活動?？茖W認識活動中的科學思維可包括方面:

①通過定性實驗、結構分析實驗等，揭示科學研究對象的性質、結構和功能；

②通過原因分析、回溯推理，揭示事物間的因果聯系；

③運用多種思維工具，揭示事物變化發展的規律性。

1.4 設計探究實驗活動的理論依據及其意義

探究實驗活動可以幫助學生獲得直接的體驗、形成深刻的認知。在本質上探究實驗活動嚴格遵循了辯證唯物主義的認識論，即認識是一個“實踐—認識—再實踐—再認識”的過程，包含感性認識和理性認識兩種形式，兩種形式相互依存、相互滲透。

從實驗、探究、討論和觀察等活動獲得的體驗是建構概念、提升能力和形成情感·態度與價值觀等的基礎。生物學最基本的研究方法是觀察和實驗。實驗是理解生物學事實和原理的基本體驗活動。因此有效的學習活動設計既要調動學生的原有經驗、又要能夠產生新的經驗，使學生在因果關系的鏈條上開動機器、進行多種思維的訓練。

2 整合教材資源，設計“資料分析活動”，發展多種思維能力

學生活動的特點是自主、開放、思維和綜合。因此將教材資源進行整合，如將思考與討論、相關信息、課后練習等，以資料分析的形式進行整合設計學生活動。該活動以任務目標和問題串為的主線。

資料分析是概念建構的途徑之一，也是培養邏輯思維能力和高階思維能力的有效策略。本節教學采取的學生活動設計如下:

請閱讀教科書88～90頁的內容，分析回答:

①ATP在細胞中的含量高嗎？通過什么方式滿足細胞生命活動對能量的需求？ATP結構上有何特點與其功能相適應？

②寫出ATP與ADP相互轉化的反應式。合成ATP所需的能量有哪些來源？

③舉例說出哪些生命活動需要ATP作為直接能源？吸能反應與放能反應之間的聯系通過什么物質實現？

④ATP是細胞內的能量“通貨”對于生物體的含義是什么？從進化的角度看，ATP及其供能的機制是通過什么過程形成的？

資料分析過程貫穿著分析、綜合等思維方式的反復運作。對問題④的解答涉及到判斷和評價，因此也就包含著高階思維能力的培養。所謂高階思維能力，是指發生在較高認知水平上的心智活動或較高層次的認知能力，如分析、評價等認知活動能力。以ATP作為細胞內的能量“通貨”，從系統的角度看，有利于提高細胞中資源的利用效率。ATP及其供能的機制是長期自然選擇形成的，是生物進化的結果，也是不同生物之間具有共同祖先的分子證據。若能以進化與適應觀來評價ATP供能的問題，那么，學生的思維水平就有可能上升到高階思維的層次了。

3 以“核心素養目標”統領學生活動設計，培養“建?！彼季S能力

“建?！币簿褪墙嬆Ｐ停强茖W思維的一種重要思維方式。建模思維包括模型的建立和模型的應用。模型分為物理模型、概念模型和數學模型等類型。其中概念模型是指用圖示、文字、符號的形式，描述、闡明生命活動的規律和原理的一類模型，能將知識結構化，表達概念間的聯系，呈現生物學知識體系的內在結構?？茖W模型具有描述、預測、解釋的功能。建構模型的過程是分析、綜合、抽象、概括、推理、判斷等思維方式的綜合運作過程。教師通過引導學生建構模型，可以深化學生對知識內容的理解，提高其分析和解決問題的能力，使學生形成正確的科學觀點和態度。

生物學學科核心素養中生命觀念與科學思維目標的達成是一個相互作用的過程?？茖W思維目標的達成是形成生命觀念的基礎，生命觀念的形成反過來會促進科學思維的發展。

在本節教學中，根據核心素養之生命觀念中的“結構與功能觀”，可對課堂“學生活動”做以下設計安排:將“ATP的功能”前置，學生通過“探究實驗”環節，得出“ATP是直接能源物質”；再根據“結構與功能相適應”原理，通過問題導學進行“ATP的結構及ATP與ADP相互轉化”的學習。這樣可建立一個用于認知事物的概念模型:提出問題—探究實驗—研究對象的功能—研究對象的結構。

總之，科學思維是一種認識行為、認知方式和認知品質的反映。學生良好的科學思維的習慣和能力，需要在通過“學生活動設計”而創設的情境中，經過長期思維訓練才能形成。以核心素養為統領，合理整合的探究實驗和資料分析等學生活動，是發展科學思維的有效途徑。