基于模型與建模的生物高考復習教學研究

林靖

［摘 要］文章以模型建構為主線落實“細胞的能量‘貨幣ATP”的三個考點的復習。首先，通過建立概念模型和物理模型的方法梳理考點一“ATP的結構”和考點二“ATP與ADP的相互轉化”，并借助已建構的模型，利用類比推理的方法進行NTP與dNTP知識的遷移與應用；其次，通過完善以ATP為關鍵詞的有關細胞能量代謝的概念模型與建立解題范式，幫助學生理解與掌握考點三“ATP的利用”。

［關鍵詞］模型與建模；生物高考復習；ATP

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0082-04

一、教學背景

“細胞與能量”是高中生物中重要的知識模塊，也是引導學生在學習細胞的分子的基礎上理解細胞內部微觀生命活動的本質，形成正確的物質與能量觀、穩態與平衡觀的重要知識載體。ATP作為細胞的直接能源物質，是實現細胞能量代謝的基礎，是“細胞與能量”模塊的關鍵知識。

近年來，高考全國卷生物試題中ATP及其相關知識在選擇題與非選擇題中頻頻出現。本文對近三年部分省/市高考生物卷及全國卷生物試題中考查ATP相關知識的試題進行分析與整理（如表1）。

多數高考生物卷在選擇題中綜合考查了ATP的相關知識，而2021年高考全國甲卷生物試題第30題改變了傳統的考查方式，以DNA與脫氧腺苷三磷酸（dATP）分子作為知識情境載體，要求學生建構出ATP與DNA的結構模型，借助類比推理的方法分析比較兩者結構的異同點，考查學生的模型建構能力與邏輯推理能力。當前，高中生物教學注重讓學生在實踐過程中獲取知識，倡導通過建構模型將微觀抽象的生物知識或規律實物化、具體化。教師在教學過程中應引導學生基于生物學事實和證據，有效運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法分析解決問題，幫助學生逐步發展科學思維［1］。在生物高考復習教學中，教師應積極采用模型建構的教學策略，以發展學生的科學思維。本文重點論述如何以模型建構為主線落實“細胞的能量‘貨幣ATP”的三個考點的復習。

二、教學實施

環節一：導入情境，感知考點

在生物高考復習教學中，教師應讓學生明確教材中不同章節內容的考點定位。在“細胞的能量‘貨幣ATP”的復習課中，教師可以一道不定項選擇題為知識載體，導入情境，引導學生感知考點。此不定項選擇題的內容考查匹配ATP的三個考點，即考點一“ATP的結構”、考點二“ATP與ADP的相互轉化”、考點三“ATP的利用”。教師在引導學生判斷選項正誤時，要求學生在教材中查找對應考點的來源，幫助學生梳理ATP內容的復習邏輯與思路。

【不定項選擇題】 ATP是細胞的能量“通貨”，下列關于ATP的敘述錯誤的是（）。

A.由1個脫氧核糖、1個腺嘌呤和3個磷酸基團組成

B.分子中磷酸基團之間相連的化學鍵稱為特殊化學鍵

C.在水解酶的作用下可不斷地合成和水解

D.釋放的能量可用于肌肉收縮、興奮傳導等活動

環節二： 聚焦原模，落實考點

考點一：ATP的結構

ATP的知識框架包含ATP的中文名稱、元素組成、結構簡式、能量儲存的位置等知識內容，教師可以結合ATP的相關知識內容與學生一起建立概念模型（如圖1），由此開啟復習進程，逐步落實三個考點的復習。

教師可依托學案引導學生使用矩形、圓形、五邊形（分別代表腺嘌呤、核糖、磷酸基團）以及線條自主繪圖建構ATP的結構原模型（如圖2）。

學生在繪圖時往往存在兩個誤區：（1）直接使用直線將磷酸基團與核糖的4′號碳相連，而忽略了核糖與磷酸基團之間存在5′號碳；（2）將核糖的5′號碳的曲線折點繪于腺嘌呤與核糖之間?；诖?，待學生完成繪圖后教師可選取部分學生繪制的結構原模型進行展示，并要求學生口頭表述圖形結構所表示的含義。

通過建立ATP的結構原模型，一方面可加深學生對分子結構的認識，培養學生的空間感，引導學生類比與辨析RNA與ATP結構中共同含有的“A”的差異；另一方面可為考點二“ATP與ADP的相互轉化”的復習做好鋪墊。

考點二和考點三：“ATP與ADP的相互轉化”及“ATP的利用”

ATP與ADP的相互轉化是細胞內生命活動的能量供應機制，是時刻不停地發生并且處于動態平衡之中的。在復習此內容時，教師可以在ATP與ADP的結構模型的基礎上補充完善ATP與ADP相互轉化過程中的能量與物質的變化，讓學生直觀地理解ATP與ADP在不同的條件下可以發生相互轉化。教材的插圖容易讓學生認為ATP與ADP的相互轉化過程是可逆的，對此教師可提出問題：ATP與ADP的相互轉化過程所需的酶是同一種酶嗎？ATP與ADP的相互轉化過程是否可逆？學生認真思考并借助教材插圖，很快理解了ATP與ADP的相互轉化過程所需的酶不同：ATP的合成需要ATP合成酶，ATP的水解需要ATP水解酶。最后，教師可要求學生在學案中默寫出ATP與ADP相互轉化的表達式（如圖3）。

教師通過問題“ATP是細胞的直接能源物質，那么合成ATP的能量來自哪里呢？”引導學生思考。學生通過思考問題以及閱讀教材，分析出ATP合成時所需的能量可來自光合作用與呼吸作用。教師接著呈現光合作用與呼吸作用的過程模式圖，引導學生嘗試理解：各反應中的葡萄糖、光、ATP均是能量的載體，在呼吸作用中葡萄糖中的化學能轉化為ATP中活躍的化學能，以供給細胞內的吸能反應所使用；在光合作用的光反應中光能轉化為活躍的化學能并儲存在ATP中，而在暗反應中ATP中的活躍化學能則轉化為穩定的化學能并儲存在糖類中。這樣不僅能讓學生理解教材中呈現的ATP合成時能量來源的示意圖，還能讓學生理解ATP合成過程中的能量不是特定的，而是可轉化的。

ATP的合成、水解和細胞呼吸作用中的放能、吸能反應一直是學生的困惑點，對此教師可借助教材中細胞呼吸的三個階段需要釋放能量，及離子通過主動運輸實現跨膜等生理過程需要消耗能量，來幫助學生總結得出以下結論：ATP水解時釋放的能量可用于細胞內的吸能反應，細胞內許多放能反應釋放的能量儲存在ATP中，從而引導學生完善ATP與ADP相互轉化過程中能量的來源與去路的模式圖（如圖4）。

環節三：運用原模，拓展延伸

近幾年高考生物試題多次對ATP進行延伸考查。高考生物試題在注重考查基礎知識的同時，著重考查學生靈活調用所學知識解決問題的能力。因此，在生物高考復習教學中，教師可創設試題情境，讓學生借助已建構的模型對試題進行分析、推理與作答。如可選擇2016年高考全國Ⅰ卷生物試題第29題第（1）、（2）問及2021年高考全國甲卷生物試題第30題第（1）問作為試題情境1和試題情境2，對ATP的結構進行“原?！睉糜柧?。試題情境1的第（1）問考查學生對ATP的結構模型的認知程度；試題情境1的第（2）問與試題情境2通過不同的設問方式考查學生對dATP與DNA的基本單位的結構異同點的掌握情況，幫助學生在宏觀與微觀的相互切換中將看不見、摸不著的微觀問題宏觀化，利用微觀知識去探尋宏觀現象的本質原因，同時深化學生對ATP的科學概念的理解，強化學生對論述題答題表述的訓練。

試題情境1：（2016年高考全國Ⅰ卷生物試題第29題節選）在有關DNA分子的研究中，常用32P來標記DNA分子，用[α]、 [β]和[γ]表示ATP或dATP（d表示脫氧）上三個磷酸基團所處的位置（A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ）?；卮鹣铝袉栴}：

（1）某種酶可以催化ATP的一個磷酸基團轉移到DNA末端上，同時產生ADP。若要用該酶把32P標記到DNA末端上，那么帶有32P的磷酸基團應在ATP的? ? ? ? ? ? ? ? （填“α”“β”或γ”）位上。

（2）若用帶有32P的dATP作為DNA生物合成的原料，將32P標記到新合成的DNA分子上，則帶有32P的磷酸基團應在dATP的? ? ? ? ? ? ? ? （填“α”“β”或γ”）位上。

試題情境2：（2021年高考全國甲卷生物試題第30題節選）用一段由放射性同位素標記的DNA片段可以確定基因在染色體上的位置。某研究人員使用放射性同位素32P標記的脫氧腺苷三磷酸（dATP，dA—Pα～Pβ～Pγ）等材料制備了DNA片段甲（單鏈），對W基因在染色體上的位置進行了研究，實驗流程的示意圖如下。

回答下列問題：

（1）該研究人員在制備32p標記的DNA片段甲時，所用dATP的α位磷酸基團中的磷必須是32P，原因是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

通過以上試題訓練，學生已熟知ATP結構中的“A”代表腺苷，但會產生這樣的困惑：能否將A替換成G、C、U，甚至是T呢？因此，在生物高考復習教學中教師有必要為學生拓展NTP與dNTP的相關知識，并利用類比推理的方法引導學生將ATP的結構模型進行初步分解、替換。如學生已經了解腺苷包含核糖與腺嘌呤，由此類推將堿基腺嘌呤替換為鳥嘌呤，則該物質應命名為鳥苷；同理也存在胞苷和尿苷結構。那是否存在胸苷呢？教師可借助核酸的知識，引導學生推斷出胸腺嘧啶不能與核糖結合，因此不存在胸苷，但胸腺嘧啶能與脫氧核糖結合形成脫氧胸苷。

ATP是腺苷與三個磷酸基團結合形成的，故命名為腺苷三磷酸，教師可引導學生再以此進行類比推理，如鳥苷與三個磷酸基團結合形成的結構命名為鳥苷三磷酸（GTP）；脫氧胸苷與三個磷酸基團結合形成的結構命名為脫氧胸苷三磷酸（dTTP）；等等。教師最后總結歸納，并通過下面的試題訓練，強化學生對ATP知識的應用，為學生補充“ATP不是細胞內唯一的直接能源物質”等知識。

試題情境3（單選題）：生物體內含有ATP、GTP、UTP、CTP等高能磷酸化合物，它們結構上的差異是組成分子的堿基種類不同，功能上的差異主要體現在為生命活動供能的情況不同（如下表）。下列相關敘述正確的是（）。

A.蛋白質合成過程中消耗的能量可來自ATP和GTP

B. UTP三個高能磷酸鍵斷裂所釋放能量供糖原合成

C. CTP中“C”是由胞嘧啶和脫氧核糖構成的

D. 細胞內的吸能反應一般與高能磷酸化合物合成相關

環節四： 完善原模，建立解題范式

通過以上三個環節，學生已完成對ATP的結構模型與概念模型的建構，接著教師借助一道與ATP相關聯的細胞能量代謝類試題，引導學生通過對試題情境的思考與判斷，理解本章“細胞與能量”中的次位概念“細胞的能量‘貨帀ATP”，并在學案中構建以ATP為關鍵詞的細胞能量代謝概念模型（如圖5），以此幫助學生進一步完善對已有模型的認知，體悟知識體系是以核心關鍵詞為中心，將有聯系的知識系統化整合而成的。

《中國高考評價體系》明確提出“四翼”要求，即高考考查要注重知識的基礎性、綜合性、應用性和創新性，倡導價值引領、素養導向、能力為重、知識為基的綜合評價理念。高考要求學生學會將基礎知識內容、模塊內容、學科內容融會貫通，并能夠運用所學知識解決實際問題，即在多元化的試題情境中精準把握關鍵信息，靈活調用頭腦中已建構的知識框架中的相關知識進行有效答題。然而學生在解題時常發現，已建構的知識“原模”與題目不符，這就需要教師引導學生聚焦原模、運用原模、完善原模以及建立解題范式，以此訓練與發展學生的科學思維，提升學生運用知識解決實際問題的能力。

三、教學反思

本節課以模型建構作為教學主線，從建構ATP概念模型進階到建構細胞能量代謝概念模型，多角度剖析了ATP的知識構架以解釋其作為細胞內生命活動的直接能源物質的地位，幫助學生樹立“結構與功能相適應”的生命觀念。同時，借助高考試題對學生進行思維訓練，引導學生在尊重生物學客觀規律和事實的基礎上提取試題情境中的關鍵信息，運用類比推理的方法辨析ATP與dATP結構的異同點，運用邏輯推理的方法拓展NTP與dNTP 的知識，使學生在本節課中體悟到“從生物能量學的角度來看，細胞中化學性質活躍的物質不只有ATP”。最后，教師通過引導學生建構以ATP為關鍵詞的細胞能量代謝概念模型，使學生認識到ATP是生化系統的核心，ATP與ADP的相互轉化與細胞內各種代謝相耦聯，掌握“細胞的能量‘貨幣ATP”這一次位概念，進而提升與發展學生的科學思維。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 劉恩山，曹保義.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］? 劉軍，馬建興，吳紅漫，等.高中生物學新課標案例解讀［M］.北京：北京師范大學出版社，2020.

［4］? 教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

（責任編輯 黃春香）